CN108856440B - 一种异形截面双层管件的热内压成形方法 - Google Patents

Abstract

一种异形截面双层管件的热内压成形方法，它涉及一种双层管件的成形方法，以解决现有外凸结构形式的异形截面双层管件存在内层管上局部凸起加工制备困难、内层管和外层包覆层的连接强度低、内层管尺寸精度无法满足设计要求的问题，成形方法主要步骤：步骤一、制成异形截面的内层金属构件；步骤二、施力使金属构件紧密贴合外围模具内壁；步骤三、驱动外围模具内壁上设置的带有微小外凸的刚性压制块，使刚性压制块压入内层金属构件的外表面并形成需要的内凹结构；步骤四、退回外围模具内壁上的刚性压制块；步骤五、打开外围模具，取出内层金属构件；步骤六、包覆外层包覆层，获得异形截面双层管件。本发明用于异形截面空心结构双层管件成形。

Description

一种异形截面双层管件的热内压成形方法

技术领域

本发明涉及一种双层管件的成形方法，具体涉及一种异形截面双层管件的热内压成形方法。

背景技术

在汽车、高铁、航空航天等领域，存在一些复杂异形管件，此类管件既需要具有足够的强度特性，同时还需要具有特定的功能特性如绝缘、隔热、防腐等。当采用单一种类的材料来制备此类管件时，往往无法同时兼顾强度特性和功能特性。例如，采用铝合金、镁合金等金属管坯制成的异形管件，具有较高的比强度，因此被广泛用于轻量化结构上。但是，由于铝合金、镁合金材料的耐腐蚀性相对较差，在潮湿、酸碱等环境下容易发生表面腐蚀破坏，同时也对材料的导电、屏蔽等性能产生严重影响。

为了在充分发挥铝合金、镁合金等金属材料的高比强度的同时还使结构件具有良好的绝缘、隔热、防腐等功能特性，通常要在铝合金、镁合金等金属材料的表面再叠加一层材料。目前，最常采用的方案是在金属材料表面增加或附着一层非金属材料，例如常见的电源线、信号线等就是在内部金属材料上包覆外部的橡胶、塑料等非金属材料。产品结构越复杂，包覆的层数越多。包覆工艺主要包括：挤包、纵包、绕包、浸涂。由于电源线、信号线内部的芯材都是简单的实心圆截面，所以很容易实现大批量生产。但是，如果内部的金属材料是形状复杂的异形截面空心结构(如图1-图4所示)，则需要采用特殊的工序才能实现内部金属结构与外部非金属材料的紧密、有效复合。

异形截面空心结构与外层包覆材料的复合通常要满足两方面的要求：(1)包覆层与金属空心结构的外表面紧密贴合，内外层之间无间隙；(2)包覆层与内部结构在使用时不会沿环向或轴向发生错层。内外层表面的紧密贴合，可以利用包覆层材料的热塑性及热胀冷缩特性来实现，这与传统的电源线、信号线的包覆过程类似。为了保证包覆层与内部结构在使用过程中无明显错层，则需要在内、外层的连接界面上额外增加提高界面摩擦阻力的特殊结构。目前，常用的方案是在内层金属构件的外表面上沿环向和轴向设置一定的外凸结构，然后再在金属构件的外表面包覆一层非金属材料。外凸结构可以是沿整个外表面密布的形式，也可以是沿环向或轴向间断分布的形式(如图5和图6所示)。

为了在异形构件的外表面设置局部凸起，则需要在构件上局部堆积材料。一种方式是由局部凸起位置的周围区域转移材料，另一种方式是从局部凸起所在位置的内壁提供材料。一般情况下，单个外凸结构的尺寸要远远小于金属构件的总体尺寸，只有几个微米甚至更小。同时，为了防止包覆层与内层金属构件脱离，在外凸结构上常存在负角度的小结构。由于局部特征尺寸太小且一般带有负角度特征，所以通过传统的成形方法难以制造。目前，只能采用精密机械加工的方法，效率极低、成本很高。此外，因为金属构件表面为复杂的三维空间曲面，需要采用昂贵的5轴数控加工设备才能加工出局部微小凸起。更为严重的是，由于金属构件往往是薄壁空心结构，在机械加工时常会因切削刀具的压力作用导致空心结构发生复杂变形，直接导致无法完成加工或加工后整体构件和局部特征的精度不满足要求。由于金属构件通常具有异形截面和空间三维轴线，因此也无法在管材内部通过刚性芯棒向外挤压的方法获得局部外凸结构。最后，由于要在局部凸起的特征上增加包覆层，局部凸起嵌入到包覆层后必然导致包覆层上局部壁厚变薄，所以削弱了包覆层的整体强度以及与内部金属构件的表面连接强度。因此，对于外凸结构形式的异形截面双层管件，存在制备加工困难、效率低、成本高甚至无法达到精度要求的问题。

发明内容

本发明是为解决现有外凸结构形式的异形截面双层管件存在内层管上局部凸起加工制备困难、内层管和外层包覆层的连接强度低、内层管尺寸精度无法满足设计要求的问题，进而提出一种异形截面双层管件的热内压成形方法。

本发明为解决上述问题采用的技术方案为：

一种异形截面双层管件的热内压成形方法，是按照以下步骤实现的：

步骤一、采用一定长度和截面尺寸的原始金属管坯，通过外围模具和内部充压介质的共同作用，制成异形截面的内层金属构件；

步骤二、将异形截面的内层金属构件放置到具有一定温度条件的外围模具中，在内层金属构件内部通入一定压力的介质使金属构件紧密贴合外围模具内壁；

步骤三、驱动外围模具内壁上设置的带有微小外凸的刚性压制块，使刚性压制块压入内层金属构件的外表面并形成需要的内凹结构；

步骤四、降低或卸除内层金属构件内部介质的压力，退回外围模具内壁上的刚性压制块；

步骤五、打开外围模具，取出外表面带有内凹结构的内层金属构件；

步骤六、在带有内凹结构的内层金属构件的表面，包覆外层包覆层，获得需要的异形截面双层管件。

进一步地，步骤三中，利用设置于外围模具上的顶杆或顶块分别驱动刚性压制块向外围模具型腔移动，从而对内层金属构件的表面形成挤压，形成内凹结构。

进一步地，步骤六中，采用缠绕包覆或浸涂包覆的方式，在带有内凹结构的异形截面的内层金属构件的外表面包覆外层包覆层，外层包覆层的材料为非金属材料。

进一步地，步骤六中，包覆时，需要先将塑料加热到低于其融化温度50-100℃的温度条件并完成初步包覆，然后在外层包覆层上与内凹结构相对应的位置施加0.1-0.5MPa的均匀挤压力，使塑料挤入到内凹结构中，从而实现外层包覆层与内层金属构件的紧密连接。

本发明的有益效果是：

一、内层金属构件有支撑、无变形，本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，在异形截面的内层金属构件的表面加工出内凹结构，这种内凹结构采用外侧的刚性压制块通过径向挤压或轴向辊压的方式加工。由于内层金属构件的内部充入了压力足够高且均匀分布的介质作为支撑，因此在径向挤压或轴向辊压的过程中，内层金属构件不会发生整体凹陷变形。内层金属构件表面上的内凹结构的尺寸精度完全由外围模具的尺寸精度决定，所以可以获得很高精度或者复杂程度的内凹结构。避免了传统的采用切削加工方法加工局部外凸结构时容易形成金属构件整体变形的严重问题。

二、整体效率高、内层金属流线完整，本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，在异形截面金属构件的表面加工出内凹结构，这种内凹结构采用外侧的刚性压制块通过径向挤压或轴向辊压的方式加工。由于内凹结构是通过刚性压制块压入金属构件的原始平整的表面而形成，多个或者所有的内凹结构是一次成形，所以效率很高且材料表面保持完整连续。避免了在采用外凸结构时需要通过切削加工方法去除金属构件表面上大部分区域的材料而导致的效率低、构件表面的晶粒和流线等被切断破坏的问题。

三、成形压力低，本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，在异形截面金属构件的表面加工出内凹结构，这种内凹结构采用外侧的刚性压制块通过径向挤压或轴向辊压的方式加工。由于内层金属构件和外围模具处于较高的温度(对于6061铝合金管材，加热温度为350～550℃)，所以材料的强度较低、塑性变形能力高，在构件内部只需要充入较低压力(5-35MPa)的气体介质(压缩空气、氮气等)即可起到支撑作用，而成形外表面内凹结构完全由模具内壁上的压制块完成。解决了在采用外凸结构时需要在金属构件内部充入超高压力(400Mpa甚至更高)的介质(常温下可用水或油，高温下需要采用气体)才有可能使金属构件局部向外胀形、进而对设备吨位及压力介质控制提出很高要求的难题。

四、本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，在异形截面的内层金属构件的表面加工出内凹结构，这种内凹结构采用外侧的刚性压制块通过径向挤压或轴向辊压的方式加工。对于具有异形截面形状及弯曲轴线的金属构件，由于表面上设置的内凹结构的尺寸很小，外围模具内壁上的刚性压制块只需要很小的压入量即可完成内凹结构的成形，所以刚性压制块可以做成整体形式，刚性压制块的设计加工及驱动都很容易实现。避免了采用切削加工方法时只能逐个加工内凹或凸起特征的缺点。

五、基体均匀、抗剪切，本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，在异形截面的内层金属构件的表面加工出内凹结构，然后在内层金属构件的外表面包覆非金属层。由于外层包覆层与内层金属构件是通过外层包覆层表面凸起的微小结构实现紧密连接，外层包覆层的基体厚度非常均匀，外层包覆层的整体抗平面剪切强度高，避免了采用外凸结构时多个外凸微小结构嵌入到包覆层基体导致包覆层局部减薄、包覆层与金属构件的连接界面抗平面剪切强度弱的问题。

六、包覆容易、强度高，本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，在异形截面金属构件的表面加工出内凹结构，然后在金属构件的外表面包覆非金属层。由于金属构件外表面是内凹的微小特征，所以外表面整体上光滑、平整，在包覆外层非金属材料如橡胶、塑料时，非金属材料很容易流动、铺展，其外表面平整、壁厚均匀，内表面的局部微小凸起与金属构件外表面的局部内凹特征紧密结合。这进一步保证了内层金属构件与外层非金属包覆层之间具有良好的贴合度及较高的抗平面剪切强度。

附图说明

图1为异形截面空心结构双层管件示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图1的C-C剖视图；

图5为表面带有局部分布外凸结构的内层金属构件图；

图6为表面带有全区域分布外凸结构的内层金属构件图；

图7为表面带有局部内凹结构的内层金属构件图；

图8为表面带有全区域分布内凹结构的内层金属构件图；

图9为异形截面弯曲轴线内层金属构件的成形过程图；

图10为图9的E-E剖视图；

图11为周长不同的异形截面内层金属构件的成形过程图；

图12为图11的F-F剖视图；

图13为内部充入压力介质实现金属构件紧密贴模的示意图；

图14为表面带有内凹结构的内层金属构件的制备示意图

图15为内凹结构全区域分布在金属构件表面的示意图；

图16为内凹结构局部分布在金属构件表面的示意图；

图17为内层金属构件上初步包覆非金属层的示意图；

图18为内层金属构件上挤压填充非金属层的示意图。

图中所示标号，1为内层金属构件，2为外层包覆层，3为外凸结构，4为内凹结构，5为原始金属管坯，6为外围模具，7为介质，8为刚性压制块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一：参见图7-图14说明，本发明的一种异形截面双层管件的热内压成形方法，是按照以下步骤实现的：

步骤一、采用一定长度和截面尺寸的原始金属管坯5，通过外围模具6和内部充压介质7的共同作用，制成异形截面的内层金属构件1；

步骤二、将异形截面的内层金属构件1放置到具有一定温度条件的外围模具6中，在内层金属构件1内部通入一定压力的介质7使金属构件1紧密贴合外围模具6内壁；

步骤三、驱动外围模具6内壁上设置的带有微小外凸的刚性压制块8，使刚性压制块8压入内层金属构件1的外表面并形成需要的内凹结构4；

步骤四、降低或卸除内层金属构件1内部介质7的压力，退回外围模具6内壁上的刚性压制块8；

步骤五、打开外围模具6，取出外表面带有内凹结构4的内层金属构件1；

步骤六、在带有内凹结构4的内层金属构件1的表面，包覆外层包覆层2，获得需要的异形截面双层管件。

本实施方式中，在步骤一中通过外围模具和内部介质的共同作用，使原始管坯发生变形并贴合模具获得需要的内层金属构件，构件的形状尺寸精度和壁厚可得到精确控制，为后续制备出微小内凹结构提供保证。在步骤二中，向内层金属构件的内部通入的一定压力的介质可保证金属构件与外围模具内壁紧密贴合，同时也可避免后续从外侧压制微小内凹结构时金属构件发生整体内凹。在后续的包覆外层的过程中，内层金属构件将不会受到外部载荷的作用而发生变形，因此可以保证包覆层与内层金属构件的紧密、有效结合，从而获得高质量的异形截面双层管件。

具体实施方式二：参见图9和图11说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤一中，原始金属管坯为6061铝合金无缝管坯或AZ31镁合金管坯，壁厚为1.0-5.0mm，外径为20-60mm。如图9和图10所示，当内层金属构件为弯曲轴线时，采用模具压弯的方式实现原始管坯的弯曲；

当内层金属构件的截面为非圆的异形截面且各个截面上周长基本相同时，采用在管坯内部充入2-10MPa的气体或液体然后再进行合模的成形方式；

如图11-图12所示，当内层金属构件的截面为非圆的异形截面且各个截面上周长差别较大时，采用先合模然后在管坯内部和轴向同时施加5-100MPa的介质压力和10-2000kN轴向压力的成形方式。其它步骤与具体实施方式一相同。

本实施方式中，根据内层金属构件的不同结构特征，采用不同的加载成形方式，可以有效控制成形后内层金属构件的壁厚分布并获得较高的形状尺寸精度，这为后续在内层金属构件的外表面压制出微小内凹结构提供了保证。

具体实施方式三：参见图14说明，本实施方式与具体实施方式一或二的不同点在于：步骤二中，将异形截面的内层金属构件放置到已加热至350-550℃的外围模具6中，停留5-15s以使内层金属构件被加热到需要的温度，然后向内层金属构件1内部通入5-35MPa的压缩气体使内层金属构件紧密贴合到模具内壁，充入的气体为空气或氮气。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

本实施方式中，由步骤一获得的异形截面的内层金属构件和外围模具都处于较高的温度条件，材料的变形抗力较低、塑性变形能力高，因此在金属构件的内部只需要充入较低压力(5-35MPa)的气体介质(压缩空气、氮气等)即可起到足够的支撑作用，保证内层金属构件1在外部载荷的作用下不会发生内凹变形，这为后续利用模具内壁上的刚性压制块8进行挤压获得微小的内凹结构提供了可能。如果没有气体介质的大小合理且分布均匀的支撑作用，则金属构件将在外部压制块的挤压下出现局部或整体内凹，导致无法完成微小内凹结构的压制成形。

具体实施方式四：参见图13说明，本实施方式与具体实施方式一至三的不同点在于：步骤三中，利用设置于外围模具6上的顶杆或顶块分别驱动刚性压制块8向外围模具6型腔移动，从而对内层金属构件1的表面形成挤压，形成内凹结构4。刚性压制块8上设置的微小外凸将压入内层金属构件1表面从而形成内凹结构4。当内层金属构件1表面的内凹结构4为全区域分布时，如图8和图15所示，则将刚性压制块8设置成整体结构并进行整体压制；当内层金属构件1表面的内凹结构4为局部分布时，则将刚性压制块8设置成分体结构，然后进行同步或者分步的压制，如图7和图16所示。其它步骤与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式中，连接在外围模具6内壁的刚性压制块8在初始状态与外围模具6主体共同构成模具型腔，内层金属构件1的外表面将与外围模具6型腔实现紧密接触，特别是内层金属构件1与刚性压制块8之间不存在间隙。在这种接触条件下，当驱动刚性压制块8挤压内层金属构件1表面时，刚性压制块8上的微小外凸可以同步压入内层金属构件1并获得高精度的内凹结构4。

具体实施方式五：参见图17和图18说明，本实施方式与具体实施方式一至四的不同点在于：步骤六中，采用缠绕包覆或浸涂包覆的方式，在带有内凹结构4的异形截面的内层金属构件1的外表面包覆外层包覆层2，外层包覆层2的材料为塑料或更为具体的橡胶。其它步骤与具体实施方式一、二、三和四相同。

本实施方式中，包覆时，采用外层包覆层的材料为塑料或更为具体的橡胶材料时，需要将塑料或橡胶加热到低于其融化温度50-100℃的温度条件并完成初步包覆，如图17所示，然后在外层包覆层2上与内凹结构4相对应的位置施加0.1-0.5MPa的均匀挤压力，使非金属材料挤入到内凹结构4中，如图18所示，从而实现外层包覆层2与内层金属构件1的紧密连接。采用先在热态下完成初步包覆，然后再对外层包覆层2施加压力完成最终内凹结构4的填充，实现了对内层金属构件1上局部内凹结构4、主体平整结构的分步包覆连接。这就避免了同时进行大范围包覆和小区域微小内凹结构连接时容易出现不同区域互相干扰导致微小内凹结构发生错动、连接不紧密的问题。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (7)

1.一种异形截面双层管件的热内压成形方法，是按照以下步骤实现的：

步骤一、采用一定长度和截面尺寸的原始金属管坯，通过外围模具和内部充压介质的共同作用，制成异形截面的内层金属构件；

原始金属管坯为6061铝合金无缝管坯或AZ31镁合金管坯，壁厚为1.0-5.0mm，外径为20-60mm，当内层金属构件的截面为非圆的异形截面且各个截面上周长基本相同时，采用在管坯内部充入2-10MPa的气体或液体然后再进行合模的成形方式；或者当内层金属构件的截面为非圆的异形截面且各个截面上周长差别较大时，采用先合模然后在管坯内部和轴向同时施加5-100MPa的介质压力和10-2000kN轴向压力的成形方式；

步骤二、将异形截面的内层金属构件放置到已加热至350-550℃的外围模具中，停留5-15s以使内层金属构件被加热到需要的温度，然后向内层金属构件内部通入5-35MPa的压缩气体使内层金属构件紧密贴合到模具内壁；

步骤三、驱动外围模具内壁上设置的带有微小外凸的刚性压制块，使刚性压制块压入内层金属构件的外表面并形成需要的内凹结构；内层金属构件的内表面和整体均不发生内凹陷变形；

步骤四、降低或卸除内层金属构件内部介质的压力，退回外围模具内壁上的刚性压制块；

步骤五、打开外围模具，取出外表面带有内凹结构的内层金属构件；

步骤六、在带有内凹结构的内层金属构件的表面，包覆外层包覆层，获得需要的异形截面双层管件。

2.根据权利要求1所述一种异形截面双层管件的热内压成形方法，其特征在于：步骤一中，当内层金属构件为弯曲轴线时，采用模具压弯的方式实现原始管坯的弯曲。

3.根据权利要求1或2所述一种异形截面双层管件的热内压成形方法，其特征在于：步骤二中，充入的气体为空气或氮气。

4.根据权利要求3所述一种异形截面双层管件的热内压成形方法，其特征在于：步骤三中，利用设置于外围模具上的顶杆或顶块分别驱动刚性压制块向外围模具型腔移动，从而对内层金属构件的表面形成挤压，形成内凹结构。

5.根据权利要求4所述一种异形截面双层管件的热内压成形方法，其特征在于：步骤六中，采用缠绕包覆或浸涂包覆的方式，在带有内凹结构的异形截面的内层金属构件的外表面包覆外层包覆层，外层包覆层的材料为非金属材料。

6.根据权利要求5所述一种异形截面双层管件的热内压成形方法，其特征在于：非金属材料为塑料。

7.根据权利要求6所述一种异形截面双层管件的热内压成形方法，其特征在于：包覆时，需要先将塑料加热到低于其融化温度50-100℃的温度条件并完成初步包覆，然后在外层包覆层上与内凹结构相对应的位置施加0.1-0.5MPa的均匀挤压力，使塑料挤入到内凹结构中，从而实现外层包覆层与内层金属构件的紧密连接。