CN110052525B - 一种空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具及其方法，包括上模和下模，上模包括多个上模块(3)，各个上模块(3)的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔(10)，成形开始之前，各个上模块(3)之间保持一定间距L1，各个上模块(3)滑动安装在上模架(1)上，能够在上模架(1)上滑动开合；下模包括多个下模块(7)，各个下模块(7)的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔(12)，多个下模块(7)之间通过齿轮(17)和齿条(18)连接，成形开始之前，各个下模块(7)之间保持一定间距L2；利用本发明的装置，可以得到空间形状复杂、性能良好的空心制件，并且采用一模多件整体成形，大大提高加工效率。

Description

一种空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具及其方法

技术领域

本发明属于金属空心构件先进制造技术领域，特别涉及一种空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具及其方法。

背景技术

目前，在飞机、航天器和汽车领域，减轻重量是现代制造技术发展的重要趋势，内高压成形工艺是制造空心结构件的重要方法之一，既可以减轻重量又可以充分利用材料的强度，节约了材料、降低了成本。

目前用于大直径薄壁管的弯曲工艺有压弯、滚弯、数控绕弯或冲压拼焊结构。但以上传统成形技术在实际生产成形中均有以下问题：

(1)压弯是将管材放置于上下模具中，利用上模闭合，将管件压入模具型腔实现成形的弯曲过程，根据是否采用内压支撑，压弯又可以分为无内压支撑和内压支撑下的两种压弯类型，其适用于相对弯曲半径较大的小角度的弯曲，无法满足复杂弯曲轴线零件的需求；

(2)数控绕弯可以实现三维复杂轴线管弯曲，能连续进行不同角度的弯曲，但其对相对弯曲半径R/D和相对厚度D/t都有一定的局限性，数控绕弯的最小相对半径R≥ 1.25D，当R/D过小时，弯曲的外侧管壁会产生过渡变薄，导致破裂，内侧管壁将增厚，失稳起皱；CNC弯曲的相对厚度D/t≤30，当随着管材直径的增加，或者壁厚的减小时，当D/t＞50时，弯曲的外侧管壁会产生过渡变薄，导致破裂，内侧管壁将增厚，失稳起皱。(R为管材中性层曲率半径、d为管材直径、t管材壁厚)。

(3)目前对于空间轴线薄壁管的成形，由于传统弯曲工艺的限制，只能通过先冲压成形两个或者两个以上半片再焊接成整体，为了减少焊接变形，一般采用点焊，因此得到的不是封闭的截面。由于焊点的存在，零件结构的疲劳性能低，材料利用率低，综合生产成本高等缺点。

所以对于空间轴线薄壁管的成形，由于传统技术的局限性，特别对于薄壁大径厚比的管子，因壁厚薄，管径大，相对弯曲半径小，传统加工办法已经无法获得合格的制件，空间轴线薄壁管的一模多件整体成形一直是困扰管材成形的一个难题。

发明内容

现有的大直径薄壁管成形技术，无法满足复杂的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形的需要。本发明针对现有技术的弊端，提出了新的综合制造方法。针对飞机、航天器和汽车领域所需的具有空间轴线薄壁管的零件，采用新的综合制造方法能够制造高质量的零件，有效地解决了实际应用中的大直径薄壁管成形困难、成形质量不高的问题。

本发明的技术方案如下：一种空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，包括上模和下模，上模包括多个上模块3，各个上模块3的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔10，成形开始之前，各个上模块3之间保持一定间距L1，各个上模块3滑动安装在上模架1上，能够在上模架1上滑动开合；下模包括多个下模块7，各个下模块7的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔12，多个下模块7之间通过齿轮 17和齿条18连接，成形开始之前，各个下模块7之间保持一定间距L2；各个下模块7 滑动安装在下模架8上，能够在下模架8上滑动开合；在模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别依次设置间距；模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别设置在上模块和下模块上。

所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，还包括密封冲头5、推板6、增压冲头9、顶出机构14和油缸15，推板6设置在上模和下模的左右两端，推板6在油缸15推力作用下，推动上模和下模的左右两端的上模块和下模块，实现上模块和下模块之间的开合；增压冲头9对管材两端进行密封，并能够向管材内部填充乳化液实施增压。

所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，一模7件模具包括4个上模块、5个下模块，上模块之间在对应薄壁管单件的最大曲率位置设置三个间距L1，下模块之间在对应薄壁管单件最大曲率位置间隔设置四个间距L2，在模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别依次设置间距L2、L1、L2、L1、L2、L1、L2，上模块连接在上模板上，为了模具在开合过程能保持同步，在上模块之间安装了氮气弹簧和连杆机构。

所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，中间的下模块固定，作为限位，中间的下模块下部设置顶出机构14，便于加工后取件；在下模块下面安装了齿轮齿条，左数第2和第4个下模块下部的固定轴上安装齿轮17，第1、3、5下模块上固定安装齿条18，第3下模块上的齿条两端设置有齿，与齿轮17配合，作为下模块的同步运动结构，左右两端安装推板与下模块连接，冲头穿过推板与油缸连接。

根据任一所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具的成形方法，包括以下步骤：

第一步，将管坯进行充液压制，获得所需大致轴线形状；所谓充液压制即先将管材两端密封，并填充乳化液直至完全填满并达到一定内压时，合模进行压制；

第二步，充液压制后，增压器开始增压，达到一定初始压力后，左右油缸进行进给，推动上模、下模水平方向完全闭合；

第三步，内高压整形阶段，增压器开始增压，在管材内腔增压的作用下，使管坯贴合在模具型腔表面，实现内高压成形；

第四步，卸压、将增压冲头和进给冲头后退至预设位置后开启模具，取出成形的零件，其相对弯曲半径R/D≤0.5，径厚比D/t＞60。

有益效果：

1、本发明为空间轴线薄壁管的成形提供了一种新的模具和成形方法；克服了此类空心制件无法整体成形的困难。

2、本发明彻底解决了传统薄壁弯头内高压成形的局限性，此类制件传统成形加工柔性差且有很大的局限性，本发明克服了此类空间轴线复杂的产品无法做到补料的困难，使制件壁厚变化均匀，对提高零件成形性能、成形质量等具有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

图2为本发明典型空间轴线薄壁管一模七件冲液压制示意图；

图3为本发明典型空间轴线薄壁管内高压成形模具原理示意图；

图4为本发明典型空间轴线薄壁管内高压成型模具上模结构示意图；

图5为本发明典型空间轴线薄壁管内高压成型模具下模结构示意图；

图6为本发明典型空间轴线薄壁管内高压成型模具齿轮齿条结构示意图；

图7为空间轴线薄壁管一模七件示意图；

图8为经过切割加工后的空间轴线薄壁管单件；

1上模架，2连杆机构，3上模块，4管坯(直径D＝120mm，壁厚t＝2mm)，5密封冲头，6推板，7下模块，8下模架，9增压冲头，10上模具型腔，11压制后管(直径 D＝120mm，壁厚t＝2mm，相对弯曲半径R＝55mm，一模七件)，12下模具型腔，13氮气弹簧，14顶出机构，15油缸，16中间模块，17齿轮，18齿条。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子，详细说明波浪形轴线大薄壁管整构件综合制造工艺。

空间轴线薄壁管的整体成形模具，包括上模和下模，上模包括多个上模块3，各个上模块3的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔10，多个上模块3之间通过氮气弹簧13和连杆机构2连接，成形开始之前，各个上模块3之间保持一定间距L1，各个上模块3滑动安装在上模架1上，能够在上模架1上滑动开合；下模包括多个下模块 7，各个下模块7的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔12，多个下模块7之间通过齿轮17和齿条18连接，成形开始之前，各个下模块7之间保持一定间距L2；各个下模块7滑动安装在下模架8上，能够在下模架8上滑动开合；在模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别依次设置间距L2、L1、L2、L1、L2、L1、L2；最优的模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别设置在上模块和下模块上。

空间轴线薄壁管的整体成形模具还包括密封冲头5、推板6、增压冲头9、顶出机构14和油缸15，推板6设置在上模和下模的左右两端，推板6在油缸15推力作用下，推动上模和下模的左右两端的上模块和下模块，实现上模块和下模块之间的开合；增压冲头9对管材两端进行密封，并能够向管材内部填充乳化液实施增压。

参考图2-6，图1对应的是一模7件的模具结构示意图，即一次成型得到7件相互连接在一起的产品，上模分为4个上模块，下模分为5个下模块，上模块之间在对应薄壁管单件的最大曲率位置设置三个间距L1，下模块之间在对应薄壁管单件最大曲率位置间隔设置四个间距L2，上模块连接在上模板上，为了模具在开合过程能保持同步，在上模块之间安装了氮气弹簧和连杆机构。

与一模七件类似的，如果是一模八、九件等，按照上述原理和原则设置模具分块和模具之间的间距即可。

模具下模包括5个下模块，下模块相互间的间距为L2，中间的下模块固定，作为限位，中间的下模块下部设置顶出机构14，便于加工后取件。在下模块下面安装了齿轮齿条，如图6所示，左数第2和第4个下模块下部的固定轴上安装齿轮17，第1、3、5 上模块上固定安装齿条18，第3下模块上的齿条两端设置有齿，与齿轮17配合，作为下模块的同步运动结构，左右两端安装推板与下模块连接，冲头穿过推板与油缸连接。

油缸15作为整套模具的动力来源，推动下模两端的模块向前滑动，两端模块固定的齿条带动第2、4块的齿轮在中间模块的齿条上转动，同时，推板6推动上模块，带动连杆机构，使氮气弹簧压缩，模块闭合。油缸后退时，氮气弹簧弹出使模块分开，恢复初始状态，下模块重新打开，实现开合的动作。

实施例1

第一步，将长900mm、直径120mm、壁厚2mm的441铁素体不锈钢钢管充液压制 (压制过程中L1、L2距离保持初始值不变)，充液压制即先将管材两端密封，并填充乳化液直至完全填满并达到一定内压时，合模进行压制；

第二步，充液压制后，增压器开始增压，达到一定初始压力后，左右水平缸进行进给，推动滑动模具水平方向完全闭合(L1、L2距离为0)，完成补料的过程；

第三步，此时增压器开始增压，在管材内腔增压的作用下，使管坯贴合在模具型腔表面实现内高压成形；

第四步，卸压、将增压冲头和进给冲头后退至预设位置后打开上模架1、上模具型腔10，顶出机构(可采用顶出液压缸)伸长，将工件顶出，取出成形的零件，得到管材直径127mm、平均壁厚1.8mm左右、相对弯曲半径55mm的最终大直径薄壁管件；经过切割和打磨即得到单件(图8所示)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，其特征在于，包括上模和下模，上模包括多个上模块(3)，各个上模块(3)的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔(10)，成形开始之前，各个上模块(3)之间保持一定间距L1，各个上模块(3)滑动安装在上模架(1)上，能够在上模架(1)上滑动开合；下模包括多个下模块(7)，各个下模块(7)的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔(12)，多个下模块(7)之间通过齿轮(17)和齿条(18)连接，成形开始之前，各个下模块(7)之间保持一定间距L2；各个下模块(7)滑动安装在下模架(8)上，能够在下模架(8)上滑动开合；在模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别依次设置间距；模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别设置在上模块和下模块上；一模多件整体成形模具为一模7件模具，一模7件模具包括4个上模块、5个下模块，上模块之间在对应薄壁管单件的最大曲率位置设置三个间距L1，下模块之间在对应薄壁管单件最大曲率位置间隔设置四个间距L2，在模具型腔上对应空间轴线薄壁管单件的最大曲率位置分别依次设置间距L2、L1、L2、L1、L2、L1、L2；上模块连接在上模板上，为了模具在开合过程能保持同步，在上模块之间安装了氮气弹簧和连杆机构。

2.根据权利要求1所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，其特征在于，还包括密封冲头(5)、推板(6)、增压冲头(9)、油缸(15)，推板(6)设置在上模和下模的左右两端，推板(6)在油缸(15)推力作用下，推动上模和下模的左右两端的上模块和下模块，实现上模块和下模块之间的开合；增压冲头(9)对管材两端进行密封，并能够向管材内部填充乳化液实施增压。

3.根据权利要求1所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具，其特征在于，中间的下模块固定，作为限位，中间的下模块下部设置顶出机构(14)，便于加工后取件；在下模块下面安装了齿轮齿条，左数第2和第4个下模块下部的固定轴上安装齿轮(17)，第1、3、5下模块上固定安装齿条(18)，第3下模块上的齿条两端设置有齿，与齿轮(17)配合，作为下模块的同步运动结构，左右两端安装推板与下模块连接，冲头穿过推板与油缸连接。

4.根据权利要求1-3任一所述的空间轴线薄壁管的一模多件整体成形模具的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将管坯进行充液压制，获得所需大致轴线形状；所谓充液压制即先将管材两端密封，并填充乳化液直至完全填满并达到一定内压时，合模进行压制；

第二步，充液压制后，增压器开始增压，达到一定初始压力后，左右油缸进行进给，推动上模、下模水平方向完全闭合；

第三步，内高压整形阶段，增压器开始增压，在管材内腔增压的作用下，使管坯贴合在模具型腔表面，实现内高压成形；

第四步，卸压、将增压冲头和进给冲头后退至预设位置后开启模具，取出成形的零件。

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