CN110064690B - 一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，属于管材液压成形技术领域，可解决低塑性材料有益皱纹内高压成形大膨胀率管件中存在的皱纹控制困难、相互制约问题，利用感应加热装置对低塑性管坯需要起皱位置进行局部加热，待管坯局部温度达到要求后，管坯在轴向补料作用下或在内压与轴向补料共同作用下在加热位置首先发生屈服及塑性失稳，形成局部皱纹；以此类推，直至完成所有皱纹的预成形；将有益皱纹管坯放入内高压成形模具，进行加压整形，预制皱纹被完全展平，贴靠模具，成形为最终管件。本发明避免了对模具结构的依赖性，通过预制有益皱纹，在内高压成形区预先聚集材料，展平后得到管件的极限膨胀率更大，壁厚分布更加均匀。

Description

一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法

技术领域

本发明属于管材液压成形技术领域，具体涉及一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法。

背景技术

轻质合金管材，如铝合金、镁合金甚至钛合金，由于其室温塑性较低，内高压成形过程中在双向拉应力作用下较易发生壁厚减薄甚至失稳破裂现象。为此，国内外研究者提出了多种提高轻质合金管材内高压成形大膨胀率管件成形性的方法。其中有益皱纹内高压成形是指利用管材轴向失稳起皱行为预先在胀形区聚集和分配材料，然后在整形阶段将其展平，从而提高管件成形极限和控制壁厚均匀性的方法。

在以往的有益皱纹内高压成形中，管材的皱纹是在一定形状和尺寸的模具内，通过合理匹配内压和轴向补料的关系而获得的，随后在终成形模具中经高压整形成形为所需要的大膨胀率管件。可以直接在内高压终成形模具内对管材进行预制皱纹，然后加压整形，得到最终管件；也可以设计专门的皱纹预成形模具对管材进行预制皱纹，然后将起皱管坯转移到终成形模具中进行加压整形，得到最终管件。然而，前期研究发现，在模具中进行有益皱纹管坯预制时，皱纹的形成与发展受到诸多因素的影响而使其应用范围受到限制，主要有以下几个方面：第一，皱纹的形成与模具过渡区倾斜角度密切相关，仅当倾斜角度小于某一值时，管材首先在两端过渡区形成两个皱纹，然后才能在中间变形区形成更多皱纹，若倾斜角度过大，过渡区倾斜面对两端皱纹继续发展的阻碍作用较小，两端皱纹一旦形成，则会持续恶化，直到发生折叠，无法在中间区域形成所需皱纹；第二，当变形区管材较长时，在轴向补料的作用下管材容易发生全局屈曲失稳，无法形成所需的轴对称皱纹；第三，皱纹之间的发生与发展相互制约，很难单独控制某个皱纹的形状与大小，也无法根据最终管件不同位置的膨胀率而控制对应位置的皱纹形状与大小。综上所述，到目前为止，现有的预制有益皱纹方法由于受到多方面因素的影响而使其实际应用范围受限，仅能用于一些简单变径管件的成形。

发明内容

本发明针对低塑性材料有益皱纹内高压成形大膨胀率管件中存在的皱纹控制困难、相互制约问题，提供一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，包括如下步骤：

第一步，将待起皱的管坯穿过感应加热线圈和冷却线圈，将管坯的两端分别安装在可沿轴向进行运动的左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ之间，管坯的两端与左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ分别密封，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ分别沿轴向进行运动，给管坯施加轴向压力，其中，左冲头Ⅰ的中心设有通道Ⅰ，冷却线圈位于感应加热线圈的两侧；

第二步，将感应加热线圈和冷却线圈调整到管坯的待起皱位置，通过通道Ⅰ向管坯内部通入压力为p _i 的高压流体，p _i 的范围为0~1.4p _s ，其中p _s 为管坯的初始屈服压力，当压力为0时，表示仅通过局部加热与轴向补料控制起皱；通过感应加热线圈在30s时间内将管坯局部加热到管坯熔点的0.15~0.50倍范围，设置在感应线圈5两侧的冷却线圈4主要是防止热量扩散到管坯3其余位置；当管坯待起皱位置的温度达到要求后，此处管材强度相比其他位置发生降低，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ同时前进，管坯在轴向补料或内压与轴向补料共同作用下则会在加热位置首先发生屈服以及塑性失稳，形成第一个有益皱纹，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ停止前进；

第三步，当第一个皱纹的温度降低到室温时，移动感应加热线圈和冷却线圈到另一个需要形成皱纹的位置，待该位置的温度增加到目标值时，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ继续前进，形成第二个有益皱纹，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ停止前进，依次类推，直至完成所需数量的有益皱纹的预成形；

第四步，将完成有益皱纹预成形的管坯放入内高压成形模具中，其中，内高压成形模具由左冲头Ⅱ、右冲头Ⅱ、上模和下模组成，左冲头Ⅱ的中心设有通道Ⅱ，管坯的两端分别与左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ密封，内高压成形模具合模后，通过左冲头Ⅱ的通道Ⅱ向管坯内注入高压流体，管坯在10~20p _s 的内压作用下进行整形，预成形的有益皱纹被完全展平，贴靠模具，形成最终的大膨胀率管件，由于利用选区加热预制有益皱纹相当于在内高压成形区预先聚集了材料，使得最终得到管件的极限膨胀率更大，壁厚分布更加均匀。

所述管坯与左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ以及管坯与左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ之间的密封处设有O型密封圈或采用刚性密封。

所述感应加热线圈设置1~2匝，冷却线圈设置0~3匝，感应加热线圈和冷却线圈之间的距离为0.5~1D ₀，D ₀为管坯的原始直径，冷却线圈内侧沿环向设有6-10个等间距的孔。

所述第二步中所述高压流体为气体或耐热油，第四步中所述高压流体为液体。

所述管坯为低塑性有缝或无缝管材。

所述管坯为铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金中的任意一种。

左冲头Ⅰ、右冲头Ⅰ、左冲头Ⅱ、右冲头Ⅱ进给由液压缸实现，实时位移由位移传感器测量，管坯内压由压力表实时测量，温度采用热电偶或热成像仪进行实时采集，冲头位移、内压、管坯局部温度可形成闭环伺服控制。

在选区加热预制有益皱纹过程中，管材的内压可以通过气体或液体实现，利用液体进行加压时，由于液体的导热系数较气体的导热系数大，内部液体会将温度传递到管材的其他区域，但由于感应加热速度特别快，且感应加热线圈两侧可设置冷却水，所以加热区域两侧管材的温度肯定比加热区域低；利用气体进行加压时，热量不容易传递到附近管材。因此，利用液体和气体进行加压时，形成的温度场会有差别，最终形成的皱纹也会有差别。此外，对感应加热线圈两侧的冷却水装置也可以进行不同形式的设计。总之，可以通过改变感应加热参数、冷却参数以及增压介质来获得不同的温度场分布。

本发明的有益效果如下：

1. 本发明选取加热预制有益皱纹是一种无模预成形方法，避免了对模具结构的依赖性，通过调节管坯局部温度、轴向补料参数甚至内压即可控制管材皱纹的形状与大小。

2. 皱纹采用依次成形的方式，互相之间独立形成，可以根据零件不同截面的膨胀率而预制不同尺寸的皱纹，比如在膨胀率为15 %的位置，D=1.15D ₀，其中D为该截面等效直径，可将皱纹高度设计为0.05~0.075D ₀，而在膨胀率为40 %的位置可将皱纹高度预制为0.15~0.2D ₀。

3. 通过预制有益皱纹，在内高压成形区预先聚集材料，展平后得到管件的极限膨胀率更大，壁厚分布更加均匀，可以应用在难成形管材大膨胀率试件的成形，亦可应用于难成形管材波纹管的成形，可以大幅度提高管件的成形性及壁厚均匀性。

附图说明

图1为本发明的管坯放置在起皱装置中的示意图；

图2为本发明的管坯形成第一个有益皱纹的示意图；

图3为本发明的管坯形成第二个有益皱纹的示意图；

图4为本发明的管坯进行内高压成形的初始阶段示意图；

图5为本发明的管坯进行内高压成形的整形示意图；

图6为本发明预制不同大小和形状皱纹进行内高压成形的初始阶段示意图；

图7为本发明预制不同大小和形状皱纹进行内高压成形的整形示意图；

其中：1-左冲头Ⅰ；2-通道Ⅰ；3-管坯；4-冷却线圈；5-感应加热线圈；6-右冲头Ⅰ；7-左冲头Ⅱ；8-通道Ⅱ；9-上模；10-下模；11-右冲头Ⅱ。

具体实施方式

结合图1至图5，对本发明做进一步说明。

实施例1

第一步，首先将待起皱管坯穿过感应加热线圈和冷却线圈，然后将管坯的两端安装在左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ之间，管坯与左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ之间需实现密封，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ可分别沿轴向进行运动，从而给管坯施加轴向压力，左冲头Ⅰ上开设有通道Ⅰ；

利用选区加热方法预制有益皱纹管坯，主要为了提高低塑性管材在内高压成形过程中的成形极限、改善管件壁厚分布均匀性，具体地，起皱管坯为铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金或其他因塑性较低而易在内高压过程中发生破裂的管材中的一种。感应加热线圈与感应加热电源相连接，给管坯进行局部加热，冷却线圈与冷水机相连接，其内侧沿环向开设6-10个等间距的孔，利用感应加热线圈对管坯加热的同时，冷却水可通过冷却线圈内侧的孔喷向管坯，感应加热线圈设置1~2匝，冷却线圈设置0~3匝，0匝表示不需要进行冷却而仅用感应加热就可实现局部加热，冷却线圈与感应加热线圈距离设置为0.5~1.0D ₀，D ₀为管材原始直径。管坯与左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ之间的密封采用O型密封圈实现，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ的进给由与之相连接的液压缸提供动作。

第二步，将感应加热线圈与冷却线圈调整到管坯的待起皱位置，然后通过通道Ⅰ向管坯内部通入压力为p _i 的高压流体，p _i 的范围为0~1.4p _s ，其中p _s 为管材的初始屈服压力，当压力为0时，表示仅通过局部加热与轴向补料控制起皱；通过加热感应线圈在30s时间内将管坯局部加热到管材熔点的0.15~0.50倍范围，设置在加热感应线圈两侧的冷却线圈主要是防止热量扩散到管坯其余位置；当管坯待起皱位置的温度达到要求后，此处管材强度相比其他位置发生降低，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ同时前进，管坯在轴向补料或内压与轴向补料共同作用下则会在加热位置首先发生屈服以及塑性失稳，形成局部皱纹。

起皱过程中高压流体为气体或耐热油，利用耐热油进行加压时，由于液体的导热系数较气体的大，内部液体易将温度传递到管材的其他区域，但由于感应加热速度非常快，且感应加热线圈两侧可设置冷却水，所以加热区域两侧管材的温度肯定比加热区域低；利用气体进行加压时，热量不容易传递到附近管材。因此，利用液体和气体进行加压时，形成的温度场会有差别，最终形成的皱纹也会有差别。起皱所需内压p _i 根据管材力学性能与Tresca或Mises屈服准则进行计算得到。

左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ的实时位移由位移传感器测量，管坯内压由压力表实时测量，温度采用热电偶或热成像仪进行实时采集，测量采集到的数据传输到控制系统，以起皱温度为控制目标，实现冲头位移、内压、管坯局部温度的闭环伺服控制。

第三步，当第一个皱纹形成以后，移动感应加热线圈与冷却线圈到另一个需要形成皱纹的位置，待该位置温度增加到目标值时，左冲头Ⅰ与右冲头Ⅰ继续前进，形成第二个皱纹，以此类推，可以根据实际需求预制所需数量的皱纹；

第一个皱纹形成以后，需待皱纹的温度降低到室温时才能进行第二个皱纹的预制。总之，只有当生成皱纹的温度降低到室温，才能进行下一个皱纹的预制，因为若先前形成的皱纹温度较高，则在下一个皱纹形成过程中先前形成的皱纹容易发生再一次的压缩失稳，使得皱纹之间的形成相互干扰。

第四步，将有益皱纹管坯放入内高压成形模具，内高压成形模具由左冲头Ⅱ、右冲头Ⅱ、上模、下模组成，在左冲头Ⅱ上开设有通道Ⅱ，左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ与管坯之间实现密封，内高压模具合模后，有益皱纹管坯在10~20p _s 的内压作用下进行整形，预成形皱纹被完全展平，贴靠模具，形成最终的大膨胀率管件。

内高压成形过程中管材内部的高压流体为液体，如乳化液、水，其压力由外部增压装置提供，通过左冲头Ⅱ上开设的通道Ⅱ向起皱管材内部施加压力，起皱管坯与左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ之间的密封采用O型密封圈或刚性密封。首先将起皱管坯放在下模上，上模下行，上下模具合模后，左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ前进，直至与起皱管坯端部进行密封，起皱管坯在内压的作用下逐渐贴模，成形为最终形状的零件。

实施例2

预制管坯皱纹时，不对管坯内部施加压力，即p _i =0，对管坯进行局部加热后，管坯仅在轴向补料作用下发生塑性失稳，形成皱纹。其他实施方法与实施例1相同。

实施例3

进行局部加热时，不设置冷却线圈，仅通过感应加热线圈实现管坯局部加热。其他实施方法与实施例1相同。

实施例4

预制管坯皱纹时，不设置冷却线圈，且不对管坯内部施加压力，仅通过感应加热线圈在管坯局部加热形成的温度场与随后的轴向补料作用使管坯局部形成皱纹。其他实施方法与实施例1相同。

实施例5

结合实施例1和图6、图7说明本实施方式，本实施例与实施例1的不同点在于：在膨胀率大的位置预制尺寸较大的皱纹，在膨胀率小的位置预制尺寸较小的皱纹，通过后续的内高压成形获得非等截面的大膨胀率管件。其他实施方法与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将待起皱的管坯穿过感应加热线圈和冷却线圈，将管坯的两端分别安装在可沿轴向进行运动的左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ之间，管坯的两端与左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ之间分别进行密封，其中，左冲头Ⅰ的中心设有通道Ⅰ，冷却线圈位于感应加热线圈的两侧；

第二步，将感应加热线圈和冷却线圈移动到管坯的待起皱位置，通过通道Ⅰ向管坯内部通入压力为p _i 的高压流体，p _i 的范围为0~1.4p _s ，其中p _s 为管坯的初始屈服压力，通过感应加热线圈在30s时间内将管坯局部加热到管坯熔点的0.15~0.50倍范围，当管坯待起皱位置的温度达到要求后，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ同时开始相向运动，逐渐靠近，管坯在轴向补料或内压与轴向补料共同作用下则会在加热位置首先发生屈服以及塑性失稳，开始形成第一个有益皱纹，当左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ的位移达到设定值时，停止前进，获得第一个有益皱纹；

第三步，当第一个皱纹的温度降低到室温时，重新移动感应加热线圈和冷却线圈到另一个需要形成皱纹的位置，待该位置的温度增加到目标值时，左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ继续前进，开始形成第二个有益皱纹，当左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ的位移达到设定值时，停止前进，获得第二个有益皱纹，依次类推，直至完成所需数量的有益皱纹的预成形；

第四步，将完成有益皱纹预成形的管坯放入内高压成形模具中，其中，内高压成形模具由左冲头Ⅱ、右冲头Ⅱ、上模和下模组成，左冲头Ⅱ的中心设有通道Ⅱ，管坯的两端分别与左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ密封，内高压成形模具合模后，通过左冲头Ⅱ的通道Ⅱ向管坯内注入高压流体，管坯在10~20p _s 的内压作用下进行整形，预成形的有益皱纹被完全展平，贴靠模具，形成最终的大膨胀率管件。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，其特征在于：所述管坯与左冲头Ⅰ和右冲头Ⅰ以及管坯与左冲头Ⅱ和右冲头Ⅱ之间的密封处设有O型密封圈或采用刚性密封。

3.根据权利要求1所述的一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，其特征在于：所述感应加热线圈设置1~2匝，冷却线圈设置3匝，感应加热线圈和冷却线圈之间的距离为0.5~1D ₀，D ₀为管坯的原始直径，冷却线圈内侧沿环向设有6-10个等间距的孔。

4.根据权利要求1所述的一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，其特征在于：所述第二步中所述高压流体为气体或耐热油，第四步中所述高压流体为水或乳化液。

5.根据权利要求1所述的一种用于提高管材内高压成形极限的有益皱纹预制方法，其特征在于：所述管坯为低塑性有缝或无缝管材。

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