CN108787845B - 一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置，包括芯轴、对称布置在芯轴两端的冲头；芯轴包括位于整个芯轴中间的圆轴、位于整个芯轴两端的滑动轴、设置在圆轴与滑动轴之间的两个圆柱体；圆柱体的直径与金属管件的内径匹配；圆轴的外直径小于金属管件的内径；芯轴的中心设有第一通道；圆轴的径向设有第二通道，第二通道与第一通道相连通，且第二通道与储油空腔相连通；两个圆柱体后端均设有密封件，对储油空腔进行密封；冲头套在滑动轴上，可沿滑动轴轴向滑动；冲头前端的圆锥面与金属管件接触，在金属管件涨形的过程中，冲头从金属管件两端挤压金属管件，对金属管件中间进行补料。本发明的成形装置减小了大直径薄壁金属管件液压成形中轴向进给力。

Description

一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置
技术领域
本发明属于金属管件液压成形技术领域，特别是一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置。
背景技术
大直径薄壁金属管件(管件直径与壁厚之比大于30)作为一种关键的轻量化构件，已经在航空、航天、汽车以及其他高技术工业得到了广泛的应用。因此航空、航天、汽车等高技术工业的迅速发展迫切需求研究和发展制造大直径薄壁管件。内高压成形作为金属管件成形中重要的工艺，适应现代工业对高质量、轻量化以及低成本零件的要求获得快速的发展。该成形方法利用液体作为传力介质或模具，因此可以通过对液体介质的实时控制，来实现对工艺参数的精准控制，并且液体作为传力介质亦可以节省成形所需模具。
然而，采用内高压成形往往需要大吨位的设备，限制了该成形方法的应用。传统的合模压力机的合模力虽然可达到5000吨或者更大，但是轴向进给液压缸吨位的一般不超过100吨，因此，很难制造出直径大于150mm的工件。以直径为300mm的大直径薄壁管为例，计算成形所需的轴向进给力Fa。轴向进给力主要由三部分构成：冲头上的高压液体反力Fp、摩擦力Fu、以及保持管材塑性变形所需的力Ft。在构成轴向进给力的三部分力中，液体反力占多大部分，其次是管材与模具之间的摩擦力，最小的是保持管件塑性变形所需得力，在实际应用中可以采用：Fa＝(1.2～1.5)Fp进行估算，取管件内部压力为100MPa，计算出成形所需轴向力大约在850-1000吨，远远超过常规轴向进给液压缸的吨位。
因此，将常规管件的内高压成形技术应用到大直径薄壁金属管件的成形制造中，必须充分考虑轴向进给液压缸的吨位限制。通过开发大吨位的轴向进给液压缸来提供更大的轴向进给力往往周期较长，同时也增加了制造成本，限制了零件的广泛运用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置，以解决减小大直径薄壁金属管件液压成形中轴向进给力。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置，包括芯轴、对称布置在芯轴两端的冲头；所述芯包括位于整个芯轴中间的圆轴、位于整个芯轴两端的滑动轴、设置在圆轴与滑动轴之间的两个圆柱体；所述圆柱体的直径与金属管件的内径匹配；所述圆轴的外直径小于金属管件的内径；圆轴与金属管件之间形成储油空腔；沿芯轴的长度方向，芯轴的中心设有第一通道；所述圆轴的径向设有第二通道，所述第二通道与第一通道相连通，且第二通道与储油空腔相连通；所述两个圆柱体后端均设有密封件，对储油空腔进行密封；所述冲头套在滑动轴上，可沿滑动轴轴向滑动；所述冲头与金属管件端面接触的部分为圆锥体，圆锥体圆锥面与金属管件接触，在金属管件涨形的过程中，所述冲头从金属管件两端挤压金属管件，对金属管件中间进行补料。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置，通过设置芯轴，液压油从芯轴中心向金属管件供油，减小了成形中放入轴向进给力。
(2)通用性好：适合大、中、小批量大直径薄壁管件的生产加工，生产效率高。
(3)设置有供油控制装置，可有效的控制成型过程中的成型压力，进一步控制成型工艺。
(4)冲头前端面为圆锥面，可有效的对成型过程中进行补料，同时冲头补料过程中可对密封件施压，对成型的储油空腔进行密封，不需外部再施加密封压力。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的大直径薄壁金属管件的液压成形装置的工作原理图。
图2为密封件结构示意图。
图3为芯轴受力原理图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置，包括芯轴1、对称布置在芯轴1两端的冲头2；所述芯轴1包括位于整个芯轴1中间的圆轴1-1、位于整个芯轴两端的滑动轴1-2、设置在圆轴1-1与滑动轴1-2之间的两个圆柱体1-3；所述圆柱体1-3的直径与金属管件12的内径匹配；所述圆轴1-1的外直径小于金属管件12的内径；圆轴1-1与金属管件12之间形成储油空腔；沿芯轴1的长度方向，芯轴1的中心设有第一通道1-4；所述圆轴1-1的径向设有第二通道1-5，所述第二通道1-5与第一通道1-4相连通，且第二通道1-5与储油空腔相连通；所述两个圆柱体1-3后端均设有密封件，对储油空腔进行密封；所述冲头2套在滑动轴1-2上，可沿滑动轴1-2轴向滑动；所述冲头2与金属管件端面接触的部分为圆锥体2-1，圆锥体2-1圆锥面与金属管件12接触，在金属管件12涨形的过程中，所述冲头2从金属管件12两端挤压金属管件12，对金属管件12中间进行补料；
进一步的，所述密封件包括密封圈3、挡圈4、弹簧5；所述密封圈3、挡圈4、弹簧5均套在滑动轴1-2上，且均位于圆柱体1-3与冲头2之间；所述密封圈3与圆柱体1-3后端接触，所述挡圈4设置在密封圈3与弹簧5之间；成型过程中，冲头1挤压弹簧5，弹簧5经挡圈4传递给密封圈3，密封圈3受挤压产生变形达到密封效果。
优选的，所述密封圈3采用聚四氟乙烯密封圈。
在一些实施方式中，本发明的液压成形装置通过注油泵进行供油；
在另外一些实施方式中，本发明的液压成形装置还设有供油控制装置；所述供油控制装置包括液压站9、增压器8、单向阀7和油管；所述液压站9通过油管与增压器8连接，液压站9的输出压力通过溢流阀来控制，再经过增压器8增压，增压器8的高压腔与单向阀7相连，单向阀7的作用是保压；单向阀7的出口经油管与第一通道1-4相连。
进一步的，所述冲头2通过液压缸11进行施压。所述液压缸11、溢流阀的出口压力均通过PlC触摸屏一体机10控制。
进一步的，所述第一通道1-4可从芯轴1的一端设置，也可从芯轴1的两端共同设置，可从芯轴1的两端共同进油，也可从芯轴1的一端进油，另一端出油。
本发明的液压成形装置工作流程：
将金属管件12设置在成型模具的上模6和下模13之间，将芯轴1设置在金属管件5内，将冲头2套在芯轴1上；首先供油系统通过芯轴1的第一通道1-4和第二通道1-5给金属管件12内腔初步供油，使内部压力维持在特定范围内，表示液压油已经充满金属管件12内腔；然后供油系统和冲头2同时工作，即供油系统进行供油，同时冲头2同通过PLC一体机10控制液压缸11的运动来实现补料。
由于芯轴1的圆柱体1-3与金属管件内壁12采用间隙配合，故通过聚四氟乙烯密封圈3进行密封，密封力由冲头2提供，并通过弹簧5和挡圈4传递给密封圈3，以达到密封的效果。
以成形直径为D的管件为例，对芯轴1的省力原理进行说明：
成形过程中芯轴1管件关键部位的尺寸如图3所示，圆轴1-1的直径为d、圆柱体1-3的直径为D，假设成形所需的压力为P，此时液压力作用面为圆轴1-1和圆柱体1-3之间的台阶面；可计算出添加本发明的芯轴1所需的轴向力进给力FA：
FA＝P·π(D2-d2)/4
当去除芯轴时，此时液压力直接作用在冲头2端面，冲头2端面面积相当于圆柱体1-3截面面积，所需的轴向力进给力FB：
FB＝P·πD2/4
由此可见，通过设置芯轴1，省力效果显著，针对大直径薄壁金属管件液压成形中轴向载荷过大的问题，只需采用添加芯轴1即可减小轴向进给力。

Claims (3)

1.一种大直径薄壁金属管件的液压成形装置，其特征在于，包括芯轴(1)、对称布置在芯轴(1)两端的冲头(2)；所述芯轴(1)包括位于整个芯轴中间的圆轴(1-1)、位于整个芯轴两端的滑动轴(1-2)、设置在圆轴(1-1)与滑动轴(1-2)之间的两个圆柱体(1-3)；所述圆柱体(1-3)的直径与金属管件的内径匹配；所述圆轴(1-1)的外直径小于金属管件的内径；圆轴(1-1)与金属管件之间形成储油空腔；沿芯轴(1)的长度方向，芯轴(1)的中心设有第一通道(1-4)；所述圆轴(1-1)的径向设有第二通道(1-5)，所述第二通道(1-5)与第一通道(1-4)相连通，且第二通道(1-5)与储油空腔相连通；所述两个圆柱体(1-3)后端均设有密封件，对储油空腔进行密封；所述冲头(2)套在滑动轴(1-2)上，可沿滑动轴(1-2)轴向滑动；所述冲头(2)与金属管件端面接触的部分为圆锥体(2-1)，圆锥体(2-1)圆锥面与金属管件接触，在金属管件涨形的过程中，所述冲头(2)从金属管件两端挤压金属管件，对金属管件中间进行补料；
所述密封件包括密封圈(3)、挡圈(4)、弹簧(5)；所述密封圈(3)、挡圈(4)、弹簧(5)均套在滑动轴(1-2)上，且均位于圆柱体(1-3)与冲头(2)之间；所述密封圈(3)与圆柱体(1-3)后端接触，所述挡圈(4)设置在密封圈(3)与弹簧(5)之间，冲头(2)挤压弹簧(5)，弹簧(5)经挡圈(4)传递给密封圈(3)。
2.根据权利要求1所述大直径薄壁金属管件的液压成形装置，其特征在于，所述密封圈(3)采用聚四氟乙烯密封圈。
3.根据权利要求1所述大直径薄壁金属管件的液压成形装置，其特征在于，还设有供油控制装置；所述供油控制装置包括液压站(9)、增压器(8)、单向阀(7)和油管；所述液压站(9)通过油管与增压器(8)连接，液压站(9)的输出压力通过溢流阀来控制，再经过增压器(8)增压，增压器(8)的高压腔与单向阀(7)相连，单向阀(7)的出口经油管与第一通道(1-4)相连。
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