CN108941303A - 一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,它涉及一种管件的成形方法,以解决现有的异形变截面管件热态内高压成形方法过程中,不能分区域控制管件的压力,导致无法对各区域的变形和壁厚分布进行有效、合理控制的问题,步骤如下:步骤一、将模具加热;步骤二、将原始管坯放入热态模具中;步骤三、冲头移动与管坯接触并密封,然后通过内部管路向管坯内部充入热态流体介质;步骤四、启动控制管坯内部压力的增压器使轴向各区域之间实现分隔和密封;步骤五、启动控制管坯外部压力的增压器,向管坯轴向的区域充入大小不同的压力介质;步骤六、控制管坯的内压和外压,使管坯发生变形,得到所需的异形变截面管件。本发明用于异形变截面管件成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种管件的成形方法,具体涉及一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法。
背景技术
在汽车、高铁、航空航天等领域,轻量化是追求的主要目标之一。为了满足轻量化要求,上述领域大量使用着异形变截面管件(如图1-图4所示),生产此类零件的一种方法是内高压成形技术。
内高压成形是以管材作坯料,通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。在内高压成形的空心变截面结构设计中,为了达到减重和适应不同载荷的要求,内高压成形产品的截面形状一般设计成矩形、梯形和六边形等多边形截面,既能满足结构减重的目的,又能达到有效承载载荷的需求,同时还能满足加工制造工艺的要求。目前,内高压成形技术生产的钢质异形截面管件已经广泛应用于轻量化结构中。
但是随着轻量化要求的进一步提高,单纯通过改进结构实现轻量化已经不能满足上述要求。由于铝合金、镁合金及钛合金等材料密度小、比强度高,相同质量的零件可以提供更高的承载能力,所以轻质金属材料在结构轻量化领域中的应用越来越受到重视。但是此类材料的一个共性缺点是室温下塑性较差,在室温下难以制造复杂的零件。目前,主要采用热态成形方法来成形此类材料,即将待成形的坯料加热到合适的温度后再进行成形。
现有的轻合金管材热态内高压成形方法是发明专利(专利号:ZL200510010470.7)提出的轻合金管材热态内高压成形方法,具体方案如下:
步骤一、将模具加热到150-500℃;
步骤二、将管坯放入经步骤一加热的模具中,将模具闭合;
步骤三、将冲头与管坯的两端部接触并密封,然后通过管路向管坯内注入150-500℃的热态液体介质;
步骤四、当模具、管坯以及热态液体介质的温度达到150-500℃时,通过控制冲头的轴向载荷以及热态液体介质的压力,使管坯发生变形,即可制备出设计的轻合金管材零部件。
但是大多数零件是异形变截面管件,即整根管件沿轴向的截面形状各不相同,整根管材根据截面形状大致可以分为几个区域。各个区域所需的最终成形压力、加压路径和加压速度各不相同。由于现有的轻合金管材热态内高压成形方法是在管坯内部充入均匀分布的压力介质,管坯的轴向和环向各个区域受到相同的内压作用,所以无法对管材轴向和环向上不同区域的变形顺序、变形程度和变形快慢进行有效控制,因此也就无法获得特定的壁厚分布。例如,对于要求较低加压速度的区域,如果实际采用较大的加压速度,则会导致管材局部胀破;对于要求较高加压速度的区域,如果加压速度较慢,则该区域的胀形变形将滞后,与相邻区域的胀形变形不协调;如果局部区域的特征圆角较小,则当整体充入的压力较小时,则必然导致局部区域管坯无法完全贴模,无法获得满足精度要求的零件。
发明内容
本发明是为解决现有的异形变截面管件热态内高压成形方法过程中,不能分区域控制管件的压力,导致无法对各区域的变形和壁厚分布进行有效、合理控制的问题,进而提出一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法。
本发明为解决上述问题采用的技术方案为:
一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,是按照以下步骤实现的:
步骤一、将模具加热至150-500℃;
步骤二、将原始管坯放入热态模具中,将模具闭合,并施加一定的合模力;
步骤三、冲头移动与管坯接触并密封,然后通过内部管路向管坯内部充入150-500℃的热态流体介质;
步骤四、当模具、管坯、流体介质达到目标温度时,启动控制管坯内部压力的增压器,在管坯内部建立一定的初始压力,在此压力的作用下,管坯轴向各区域之间的过渡区域与模具内壁紧密贴合,从而使轴向各区域之间实现分隔和密封;
步骤五、启动控制管坯外部压力的增压器,通过各外部管路向管坯轴向形成的多个区域中充入大小不同的压力;
步骤六、控制内部与外部增压器按一定速度继续增加内压和外压,使管坯发生变形,得到所需的异形变截面管件。
进一步地,步骤四中管坯的过渡区域对应的模具设置为可动的活动镶块,活动镶块在外力的驱动下向模具型腔内部运动,构成一个截面积较小的形状,在初始压力的作用下,管坯率先与活动镶块贴合,在内、外增压器的共同作用下,管坯开始变形,在管坯变形过程中,活动镶块随着成形的进行逐渐后退,但始终与管坯保持贴合状态,直至管坯全部贴模得到最终的管件。
进一步地,管坯内部的压力介质为气体,管坯外部的压力介质为液体。
更进一步地,步骤六中,可通过快速释放管坯外部的液体压力使管坯所受的等效内部压力迅速增加,从而使管坯迅速变形并贴模。
本发明的有益效果是:
一、成形精度高。本发明的一种采用轴向差压热态内压成形方法,根据管件轴向各区域的截面形状对管坯轴向各区域的内压和外压进行独立、合理的控制,可以实现轴向分区域控制管坯的加载速度和加载路径,使各个区域的加载方式处于最优状态,从而保证各个区域的变形充分,使管坯能够完全贴合模具,最终获得高精度的零件。
二、壁厚分布可控。本发明的一种采用轴向差压热态内压成形方法,根据管件轴向各区域的截面形状对管坯轴向各区域的内压和外压进行合理的控制,可以实现分区域控制管坯的变形顺序、变形快慢和变形程度,从而控制管坯的材料流动情况使管坯的变形更加协调,进而控制成形后管件壁厚的分布。
三、快速成形性能好。本发明的一种采用轴向差压热态内压成形方法,可以通过快速释放管坯外部压力的方式来迅速的提升管坯的等效内部压力,实现管坯的快速胀形。由于变形速度快、应变速率高,管坯在胀形的过程中的强化现象更加明显,所以所获得的管件性能好。
四、适用范围广。本发明的一种采用轴向差压热态内压成形方法,不仅仅适用于上述提到的各种轻质合金,也适用于高强钢、超高强钢等黑色金属材料。高强钢和超高强钢在室温下成形存在变形抗力高、回弹大等问题,热态成形不仅可以降低材料的变形抗力,还可以减小甚至消除钢材的回弹问题,获得高精度的零件。
五、成形效率高。本发明的一种采用轴向差压热态内压成形方法,整根异形变截面管件是一次形成的,即将原始管坯放入模具中,成形完毕后,打开模具直接获得成形完毕的零件。相较于针对不同的截面采用分段成形的方法,本发明可以大大缩短成形周期,提高成形效率。
附图说明
图1为异形变截面管件示意图;
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为异形变截面管件轴向差压热态内压成形示意图;
图6为带有活动镶块的异形变截面管件轴向差压热态内压成形示意图;
图7为非圆形截面原始管坯成形示意图;
图8为图7的E-E示意图。
图中所示标号:1、异形变截面管件,2、模具,3、原始管坯,4、冲头,5、内部管路,6、热态流体介质,7、各截面之间的过渡区域,8、外部管路,9、活动镶块,10、隔热板。
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5说明,本实施方式的一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,是按照以下步骤实现的:
步骤一、将模具2加热至150-500℃;
步骤二、将原始管坯3放入热态模具中,将模具2闭合,并施加一定的合模力;
步骤三、冲头4移动与管坯3接触并密封,然后通过内部管路5向管坯3内部充入150-500℃的热态流体介质6;
步骤四、当模具2、管坯3、流体介质6达到目标温度时,启动控制管坯3内部压力的增压器,在管坯3内部建立一定的初始压力,在此压力的作用下,管坯3轴向各区域之间的过渡区域7与模具2内壁紧密贴合,从而使轴向各区域之间实现分隔和密封;
步骤五、启动控制管坯3外部压力的增压器,通过各外部管路8向管坯轴向形成的多个区域中充入大小不同的压力;
步骤六、控制内部与外部增压器按一定速度继续增加内压和外压,使管坯发生变形,得到所需的异形变截面管件1。
本实施方式中,在步骤四至步骤六中通过外围模具和管坯内、外部介质的共同作用可以做到对压力的分区控制,实现不同区域的最终成形压力、加压路径和加压速度独立可控,进而得到成形精度高、壁厚分布合理、力学性能好的高质量管件。由于异形变截面管件成形是稳定的热成形过程,步骤四中,模具2、管坯3和热态流体介质6稳定在目标温度,管坯3才可以开始成形,平衡后模具2、管坯3、热态流体介质6的目标温度介于150-500之间。如图5所示,步骤五中通过各外部管路8向管坯3轴向形成的多个区域中充入大小不同的压力,有如P1、P2、P3代表的不同大小的压力。
具体实施方式二:参见图6说明,本实施方式与具体实施方式一的不同点在于:本实施方式的异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,最终所需的管件上没有可以与模具率先贴合的过渡段,所以需要在模具或者管坯上增加可以将截面不同两区域分隔开的装置,使管坯3各区域之间具有过渡区域7,本实施方式中是将相邻两区域的连接处的模具设置为可动的活动镶块9,对应管坯3的过渡区域7,在步骤四中,活动镶块9在外力F的驱动下向型腔内部运动,构成一个截面积较小的形状,在初始压力的作用下,管坯3率先与活动镶块9贴合,起到分隔不同截面区域的作用,随后在内、外增压器的共同作用下,管坯3开始变形,在管坯3变形过程中,活动镶块9也随着成形的进行逐渐后退,但始终与管坯3保持贴合状态,直至管坯3全部贴模得到最终的管件。
本实施方式中,对管件的最终形状不再存在要求,运用此方式可以成形各种截面组合方式的零件,应用范围更加广泛。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:参见图7和图8说明,本实施方式与具体实施方式一或二的不同点在于:本实施方式的一种采用轴向差压的热态内压成形方法,步骤二中,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,截面形状为梯形或者矩形等非圆形状。
作为一种优选,该原始管坯3可以通过在圆形管坯内部充入2-10MPa的气体或液体然后再进行合模的成形方式制备。
本实施方式中,根据最终管件的不同结构特征,采用不同的初始形状的管坯,可以有效控制成形后的异形变截面管件的壁厚分布并获得较高的形状尺寸精度。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点在于:本实施方式的异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,管坯3内部的压力介质为气体,管坯3外部的压力介质为液体。由于液体是不可压缩的,而气体是可以压缩的。所以管坯3外部液体的压力可以被迅速的释放,管坯3内部的气体压力虽然会随着管坯的变形产生波动,但是波动范围很小。
作为一种优选,步骤六中,可通过快速释放管坯3外部的液体压力使管坯3所受的等效内部压力迅速增加,从而使管坯3迅速变形并贴模。
本实施方式中,通过快速释放管坯外部的液体压力使管坯所受的等效内部压力迅速增加,从而使管坯快速变形并贴模。由于变形速度快、应变速率高,管材在胀形的过程中的强化现象更加明显,所以所获得的零件性能好。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点在于:本实施方式的异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,管坯内部和外部的压力介质均为气体。由于气体是可以压缩的,所以在变形过程中管坯的变形不会引起管坯内部和外部压力的突变,即管坯所受到的等效压力的波动范围很小(0-0.5MPa)。在步骤六中,合理控制管坯内部和外部的加压大小和加压速度,可以保证管坯实际的加载路径和预定的加载路径一致。
本实施方式中,在管坯内部和外部的压力介质都是气体,通过合理控制管坯内部和外部的加压大小和加压速度,可以保证管坯实际的加载路径和预定的加载路径一致,管坯的变形速度、变形程度和变形顺序均处于最合理的状态,所以成形完毕的管件能够和模具完全贴合,成形精度高且壁厚分布合理。其它与具体实施方式一至四之一相同。
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)
1.一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:是按照以下步骤实现的:
步骤一、将模具(2)加热至150-500℃;
步骤二、将原始管坯(3)放入热态的模具(2)中,将模具(2)闭合,并施加一定的合模力;
步骤三、冲头(4)移动与管坯(3)接触并密封,然后通过内部管路(5)向管坯(3)内部充入150-500℃的热态流体介质(6);
步骤四、当模具、管坯、流体介质达到目标温度时,启动控制管坯(3)内部压力的增压器,在管坯(3)内部建立一定的初始压力,在此压力的作用下,管坯(3)轴向各区域之间的过渡区域(7)与模具(2)内壁紧密贴合,从而使轴向各区域之间实现分隔和密封;
步骤五、启动控制管坯(3)外部压力的增压器,通过各外部管路(8)向管坯(3)轴向形成的多个区域中充入大小不同的压力介质;
步骤六、控制内部与外部增压器按一定速度继续增加内压和外压,使管坯(3)发生变形,得到所需的异形变截面管件(1)。
2.根据权利要求1所述一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:步骤四中管坯(3)的过渡区域对应的模具设置为可动的活动镶块(9),活动镶块(9)在外力的驱动下向模具型腔内部运动,构成一个截面积较小的形状,在初始压力的作用下,管坯(3)率先与活动镶块(9)贴合,在内、外增压器的共同作用下,管坯(3)开始变形,在管坯(3)变形过程中,活动镶块(9)随着成形的进行逐渐后退,但始终与管坯(3)保持贴合状态,直至管坯(3)全部贴模得到最终的管件。
3.根据权利要求1或2所述一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:步骤二中,原始管坯(3)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,截面形状为梯形或者矩形。
4.根据权利要求3所述一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:该原始管坯(3)通过在圆形管坯内部充入2-10MPa的气体或液体,然后再进行合模的成形方式制备。
5.根据权利要求4所述一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:管坯(3)内部的压力介质为气体,管坯(3)外部的压力介质为液体。
6.根据权利要求5所述一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:步骤六中,可通过快速释放管坯(3)外部的液体压力使管坯(3)所受的等效内部压力迅速增加,从而使管坯(3)迅速变形并贴模。
7.根据权利要求4所述一种异形变截面管件轴向差压热态内压成形方法,其特征在于:管坯(3)内部和外部的压力介质均为气体。
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