CN110976587B - 一种超大截面差连续多波管件的成形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料加工领域，提供了一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置。该成形方法基于内高压成形理论，采用“制取有益皱纹”思想，将成形过程分为组装预紧、预成形、轴向进给及终成形四个阶段，其中轴向进给时管坯在轴向力以及内压的合理配合作用下发生“胀形‑压缩变形”，获得后续可通过增大内压而展平的“有益皱纹”，有效提高了成形稳定性和零件壁厚均匀性。该成形装置由加压密封单元、轴向进给单元、成形单元以及高压源单元四部分构成，具体分为阶梯状圆柱冲头、O型橡胶圈、轴向进给单元、可拆卸模块、间隙块、导向板、高压管道和高压源装置等元件，简化了成形装置结构，提高了波形质量精度控制稳定性和成形效率。

Description

一种超大截面差连续多波管件的成形方法与装置

技术领域

本发明涉及一种超大截面差连续多波管件的成形方法与装置，具体涉及一种采用流体高压成形技术实现超大截面差连续多波管件的成形方法与装置。

背景技术

在航空航天、汽车民用以及石油工业等领域，存在一类圆截面具有超大截面差的连续多波管件。该类构件常应用在贮藏运输流体、需热补偿或位移补偿以及实现吸能减震降噪和密封等作用的场所，可由各类钢材、铜合金制成，亦可由质量轻、强度高的铝合金及钛合金制成。为了满足管件在各种条件下的服役性能，通常要求其形状尺寸精度、壁厚分布以及微观组织等特征都严格符合设计要求，做到精度高，壁厚均匀，组织稳定。

首先定义截面差为管坯轴向最大与最小圆截面的面积差与最小圆截面面积的比值。对于截面差小于30%的连续多波管件，其成形时各处变形量较小且均匀，故而通常可采用液压成形、机械成形以及焊接成形等多种方法制出，工艺较为成熟。但是对于具有超大截面差的连续多波管件，其截面差可达到100%以上，制件时大截面成形区容易由于变形量过大而出现破裂等失效情况。针对具有超大截面差的连续多波管件，目前采用的主要成形方法是内高压成形法，在内高压成形过程中，管坯受压均匀，减薄量适中，成形件耐压性好。

内高压成形法在连续多波管件中的传统应用可分为多波一次成形法和单波连续成形法。多波一次成形分为预加内压鼓胀、轴向补料扩大波形和保压终胀贴模三个工艺步骤，所有波形在各个变形阶段同步成形，成形效率高，但成形质量的好坏取决于模具设计、管坯密封和成形各阶段工艺参数的控制等多因素，因此制品质量控制难度较高。同时，受模具尺寸、压力机吨位等因素限制，难以成形大尺寸的多波管件。单波连续成形分为合模、芯轴进给、充填压力油、推模进给、卸油压、分模、芯轴退回和推模退回等工艺步骤，每一个波形分别在配合作用的芯轴以及推模的作用下依次单独完成预加内压鼓胀、轴向补料形成初波和整形三个变形阶段，而后从模具中脱出，成形下一波形。单波连续成形法最大可成形400mm直径的多波管件，但成形过程中每一个波均需要单独成形，成形效率低。同时，单波连续成形方法所需模具结构复杂，装置的密封性要求极高，特别是成形超大截面差连续多波管件时，管件径向尺寸难以精确控制，产品优质率低。从以上分析可知，不论是传统的多波一次成形还是单波连续成形方法，管坯在轴向进给时都发生环向胀形变形，产生了一定程度的壁厚减薄和加工硬化，材料的原有塑性已经损失严重，后续终胀成形时管坯继续发生壁厚减薄，因此极易发生胀破现象。

为解决超大截面差连续多波管件成形过程中，波形质量精度控制稳定性低、成形工艺参数窗口小、成形装置结构复杂且要求严苛、成形效率低等问题，需要一种新的超大截面差连续多波管件内高压成形方法及装置。

发明内容

本发明是为解决现有的内高压方法和成形装置成形超大截面差连续多波管件时波形质量控制精度、成形工艺参数窗口和成形效率无法满足要求的问题，提出一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置。

本发明的技术方案：

一种超大截面差连续多波管件的成形装置，主要由加压密封单元、轴向进给单元、成形单元以及高压源单元四部分构成；

所述的加压密封单元主要由两个可将前端塞入管坯4内部的阶梯状圆柱冲头15及套于其上的密封用O型橡胶圈17组成；一冲头15内部具有流体流动的通道，其前端至冲头15后端的一半高度处开有圆形盲孔，沿冲头15后端的半径方向开设螺纹孔，螺纹孔的孔径大于圆形盲孔的孔径，螺纹孔端用于与高压源装置23的高压管道22连接；另一冲头15为实体；冲头15前端外径小，后端外径大；冲头15前端的外径尺寸小于管坯4的内径，并且每隔一定的轴向距离，沿冲头15前端的半径方向开环形凹槽，用于安放O型橡胶圈17，同时确保O型橡胶圈17高出冲头15外径，使得密封可靠；冲头15前端具有倒角，方便管坯4与冲头15的装配；

所述的轴向进给单元为轴向进给装置16，轴向进给装置16位于冲头15后端，确保轴向进给装置16的施力平面与冲头15后端平面相互接触，将冲头15紧压在模具上。

所述的成形单元主要由可拆卸模块12、间隙块13以及导向板18组成，位于左右对称分布的冲头15之间；可拆卸模块12包括上模块和下模块，上模块以型腔14为中心，开有各自分别对称的螺纹孔19和定位销孔21，定位销孔21与通气孔20相通；下模块以型腔14为中心，开有各自分别对称的螺纹孔19和定位销孔21，定位销孔21与通气孔20相通；上模块和下模块的螺纹孔19位置对应，使用内六角螺栓配合实现紧固；上模块和下模块的定位销孔21位置对应，使用导柱实现导向；

可拆卸模块12之间通过间隙块13隔开；间隙块13为“门”字形，“门”字中间的空余部分大于型腔14的最大直径，以保证不干扰管坯4的变形和可拆卸模块12的左右滑动；为方便在轴向进给阶段间隙块13的取出，间隙块13的厚度沿其高度方向逐渐变小，以减小间隙块13与可拆卸模块12之间的摩擦，并保证间隙块13在给定轴向力的作用下的刚度可靠；同时间隙块13高度高于可拆卸模块12的高度，并在高出部分的对称中心开一通孔，方便撬出；

型腔14的形状及尺寸与目标管件外形保持一致；导向板18的横截面呈“凹”字形结构，“凹”字形的内部表面为工作面，保证放置于其上的可拆卸模块12沿管坯4/型腔14的轴向自由滑动，同时约束可拆卸模块12沿垂直于管坯4/型腔14轴线方向的运动；导向板18的宽度与可拆卸模块12的宽度实现间隙配合；为保证可拆卸模块12在导向板18上的活动空间富余，导向板18的长度为目标管件长度的两倍以上；

所述的高压源单元包括高压管道22和高压源装置23，高压管道22一端与带有通道的冲头15的螺纹孔密封连接，其另一端与高压源装置23连接，高压液体/高压气体流入冲头15，从而到达管坯4的内部；

所述的轴向进给装置16可以通过千斤顶平头油缸及手动液压泵浦配合实现，亦可以通过内压胀形实验专用的，可同时提供轴向力及密封作用的轴向进给油缸及其操作系统实现；

间隙块13设计为左特征间隙块24、中间厚度间隙块25以及右特征间隙块26，三个部分左右合并使用，放置在对应波形的可拆卸模块12之间。其中左特征间隙块24以及右特征间隙块26纵截面为直角梯形，厚度较薄且固定；而中间厚度间隙块25纵截面为矩形，厚度可根据不同补料量配做，以适配不同模具初始间隙的使用需求。

一种超大截面差连续多波管件的成形方法，步骤如下：

步骤一、将目标管件每一个波形对应的最大直径的截面圆设定为分模面，将整体模具分为可通过沿管坯4/型腔14的轴向，即整个成形装置的中心轴线滑动实现闭合与分开的若干长方体可拆卸模块12；为方便开模取件，沿垂直于以上确定的分模面、过中心轴线的某一平面再设置另一分模面，由此将一波形均匀分成四个部分；每一个可拆卸模块12分为上模块和下模块，由此设置型腔14的形状及分割状态；选取合模后的模具型腔14的形状及尺寸与目标管件外形保持一致；

步骤二、结合步骤一中已确定的模具形状及尺寸，通过理论计算，根据管坯4表面积在变形前后不发生变化的原则，确定管坯4的计算原始长度；使用数值模拟仿真方法，在有限元模拟软件上建立管坯4及模具的三维仿真模型，改变管坯4的原始长度（取计算原始长度的0.6~0.8倍）、原始壁厚（取略大于目标管件的数值）和各阶段成形压力（根据公式

估计）进行模拟，通过对比贴模程度、成形件外形特征和成形件各处等效应变值及管坯最大壁厚减薄量，确定管坯4的原始长度及原始壁厚，此即确定了每一个波形对应的间隙块13的厚度；

步骤三、根据公式

（其中σ_s为管坯4材料的屈服强度，p为使管坯4发生屈服施加的内压力，r为管坯4的外半径，t为管坯4的壁厚），确定预成形压力、轴向进给压力、终成形压力和各个成形阶段需要的轴向力；其中预成形压力大于使管坯4发生屈服的压力，以保证管坯4在后续的轴向压缩胀形变形中起皱均匀；轴向进给压力低于预成形压力的数值，以确保有益皱的产生；终成形压力根据上述公式计算，此时r取起皱后管坯4的皱谷圆角半径数值；包括组装预紧阶段、预成形阶段、轴向进给阶段及终成形阶段的各个成形阶段需要的轴向力由该阶段管坯4的内部压力，冲头15的前、后端圆截面积换算得到，即其中F为轴向力，p为管坯4的内部压力，A₁为冲头15的前端圆截面积，A₂为冲头15的后端圆截面积；

步骤四、确定管坯4的原始长度及壁厚后，将其与已装备O型橡胶圈17，并与高压源装置23相连的冲头15对接，完成密封；

步骤五、将所有可拆卸模块12的下模块依次排列放置于导板18的工作面上，组装好的管坯4和两个冲头15放于下模块的型腔中，将确定厚度的间隙块13放入成形对应波形的模具间隙中；再将各下模块对应的上模块与其合模，使用内六角螺栓紧固，完成模具组装；模具组装完成后，将轴向进给装置16的施力平面与冲头15的后端贴合并施加轴向预紧力，该预紧力在步骤三中已经计算得到，确保进给轴线与管坯4及可拆卸模块12的中心轴线一致，防止进给时管坯4产生屈曲；

步骤六、控制轴向进给装置16，调整轴向力为步骤三中计算得到的预成形阶段轴向力大小，开动高压源装置23，通过高压管道22及其连接的冲头15向管坯4内部充入高压液体/高压气体，施加预成形压力，此时管坯4发生一定的胀形变形，产生鼓肚；

步骤七、控制高压源装置23，降低管坯4内部压力至轴向进给压力，控制轴向进给装置16，调整轴向力为步骤三中计算得到的轴向进给阶段轴向力大小，从进给端开始，通过一撬棒作用在间隙块13顶部的通孔，撤去预先放置在模具间隙内的间隙块13，然后在保压条件下进行轴向进给；管坯4在此过程中发生起皱，至该间隙完全闭合，撤去下一个间隙块13，再次轴向进给成形，以此类推，使分段的可拆卸模块12逐个左右贴合；

步骤八、待可拆卸模块12全部相互贴合后，此时即完成模具的左右合模；在合模后控制轴向进给装置16，通过其施力平面将在步骤三中计算得到的终成形阶段轴向力施加在冲头15上；

步骤九、控制高压源装置23，升高管坯4内部压力至步骤三中确定的终成形压力，使其具有的有益皱完全展平，管坯4完全贴模；

步骤十、先后控制高压源装置23及轴向进给装置16，卸去管材内部压力以及轴向力，拆卸模具，取出零件；

步骤十一、对获得的超大截面差连续多波管件实施均匀化退火，而后进行抛光处理，获得表面光洁、性能均匀稳定的合格制件。

本发明的有益效果：

一、一种超大截面差连续多波管件的成形方法，在轴向补料阶段引入了“有益皱”的思想，使本发明中成形方法的轴向补料概念区别于传统的多波一次液压成形工艺：在传统工艺中，轴向补料的目的在于使得已经产生一定鼓胀的管坯继续发生胀形变形，加大波形，趋于贴模；而本发明中的轴向进给，目的在于使得管坯在轴向力以及内压的合理配合作用下发生胀形-压缩变形，获得后续可通过增大内压而展平的“有益皱纹”。

二、采用分步储料式多波一次内压成形方法，通过放置间隙块预先设定每一个波形的补料间隙，并根据各个波形成形的难易程度设计其成形顺序，依次抽去对应间隙块，规避传统多波一次成形过程中由于管坯与模具各处摩擦力不同导致的模具间隙变动而产生的补料量不均的缺陷，可精确控制管件壁厚减薄量，提高波形质量精度。

三、一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置，采用分步储料式多波一次内压成形工艺，管坯在轴向进给时产生一定的压缩类变形，出现“有益皱纹”，起到储料作用。可规避传统方法中单纯的伸长类变形引起管坯壁厚的过度减薄现象，有效提高成形稳定性和零件壁厚均匀性。此外，成形出的零件尺寸精确，轴线平直，成形后即是形状终了状态，无需校形等后处理工步。

四、一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置，在轴向进给阶段，预期效果是产生“有益皱纹”。对于超大截面差连续多波管件，使用传统方法成形时，管坯处于加工硬化及壁厚减薄的双重削弱条件下，几近达到其极限变形状态，成形工艺窗口极小甚至根本无法找到。而本发明在轴向进给阶段只需合理匹配管坯内压以及轴向进给量，确保产生有益皱纹即可，增大了工艺窗口，大大降低了实验参数精确控制的要求。

五、一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置，融合了多波一次成形的高效率和单波连续成形的波纹可分制特点，简化了实验装置；省去温敏零件，降低了工艺装置的温度敏感性；工艺装置各部分之间的制约度小，管坯两端的密封条件可灵活调整。以上优点使得本发明的成形装置制造简单易行、产品制造周期短、成形综合效率高。同时可将管件的成形温度从常温扩展到高温，将管件材料从室温易成形的钢铁、铜合金扩展到需高温成形的铝合金、钛合金，通用性好、扩大了多波管件的应用范围。

附图说明

图1为传统的多波一次液压成形工艺原理流程示意图，图1-1为预加内压鼓胀示意图，图1-2为轴向补料示意图，图1-3为合模后保压终胀示意图。

图2为传统的单波连续成形工艺原理示意图。

图3为本发明的一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置原理示意图。其中图3-1为模具组装完成预胀主视图，图3-2为模具组装完成预胀俯视图，图3-3为轴向进给示意图，图3-4为进给结束完全合模示意图，图3-5为管坯终胀成形贴模示意图。

图4为本发明的一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置原理示意图，多波管管径沿其轴向非规则变化。

图5为本发明的一种超大截面差连续多波管件的成形方法及装置原理示意图，多波管沿其轴向管径规则变化。

图6为间隙块细节组成示意图，图6-1为间隙块细节组成前视图，图6-2为间隙块细节组成左视图。

图7为可拆卸模块的上模块示意图。其中图7-1为可拆卸模块的上模块俯视图，图7-2为可拆卸模块的上模块沿A-A面的剖视图。

图8为可拆卸模块的下模块示意图。其中图8-1为可拆卸模块的下模块俯视图，图8-2为可拆卸模块的下模块沿B-B面的剖视图。

图9为具有内通道冲头示意图。其中图9-1为具有内通道冲头的主视图，图9-2为具有内通道冲头沿A-A面的剖视图。

图中：1活塞杆；2模板；3定位撑；4管坯；5夹头支座；6芯轴；7密封圈；8推模；9导向杆；10弹簧；11模片；12可拆卸模块；13间隙块；14型腔；15冲头；16轴向进给装置；17密封用O型橡胶圈；18导向板；19螺纹孔；20通气孔；21定位销孔；22高压管道；23高压源装置；24左特征间隙块；25中间厚度间隙块；26右特征间隙块。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式一：结合图3，6-8说明，本实施方式的一种超大截面差连续多波管件的成形方法与装置，是按照以下步骤实现的：

步骤一、将目标管件每一个波形对应的最大直径的截面圆设定为分模面A，即将整体模具分为可通过沿管坯4/型腔14的轴向，即整个成形装置的中心轴线滑动实现闭合与分开的若干长方体可拆卸模块12；为方便开模取件，沿垂直于以上确定的分模面、过中心轴线的某一平面再设置另一分模面B，由此将一波形均匀分成四个部分，即每一个可拆卸模块12分为上模块和下模块，由此设置型腔14的形状及分割状态；选取合模后的模具型腔14的形状及尺寸与目标管件外形保持一致；

步骤二、结合步骤一中已确定的模具形状及尺寸，对目标超大截面差连续多波管零件进行特征分析，通过理论计算，根据管坯4表面积在变形前后不发生变化的原则，确定管坯4的计算原始长度；使用数值模拟仿真方法，在有限元模拟软件（如ABAQUS、ANSYS等）上建立管坯4及模具的三维仿真模型，改变管坯4的原始长度（取计算原始长度的0.6~0.8倍）、原始壁厚（取略大于目标管件的数值）和各阶段成形压力（根据公式

估计）进行模拟，通过对比贴模程度、成形件外形特征和成形件各处等效应变值及管坯最大壁厚减薄量，确定管坯4的原始长度及原始壁厚，此即确定了每一个波形对应的间隙块13的厚度，以保证后续成形过程中管坯补料充足，变形均匀，成形出的制件壁厚减薄量小，形状均匀，符合目标要求；

步骤三、根据公式

（其中σ_s为管坯4材料的屈服强度，p为使管坯4发生屈服施加的内压力，r为管坯4的外半径，t为管坯4的壁厚），确定预成形压力、轴向进给压力、终成形压力和各个成形阶段需要的轴向力；其中预成形压力大于使管坯4发生屈服的压力，以保证管坯4在后续的轴向压缩胀形变形中起皱均匀；轴向进给压力低于预成形压力的数值，以确保有益皱的产生；终成形压力根据上述公式计算，此时r取起皱后管坯4的皱谷圆角半径数值；包括组装预紧阶段、预成形阶段、轴向进给阶段及终成形阶段的各个成形阶段需要的轴向力由该阶段管坯4的内部压力，冲头15的前、后端圆截面积换算得到，即其中F为轴向力，p为管坯4的内部压力，A₁为冲头15的前端圆截面积，A₂为冲头15的后端圆截面积；

步骤四、将外半径略大于冲头15前端外半径、内半径略小于冲头15前端凹槽底部外半径的若干O型橡胶圈17放置在冲头15前端凹槽中；通过其上的螺纹孔，将冲头15与高压源装置23上的高压管道22连接。选取符合实验设计要求的管坯4，将选定的管坯4与两侧冲头15对接并可靠密封，密封所需要的轴向力由轴向进给装置16提供；

步骤五、将所有可拆卸模块12的下模块依次排列放置于导板18的工作面上，组装好的管坯4和两个冲头15放于下模块的型腔中，将左特征间隙块24、右特征间隙块26以及根据补料量确定厚度的中间厚度间隙块25贴合，组装为整体的间隙块13，放入成形对应波形的模具间隙中；在导向销的导向作用下，将各下模块对应的上模块与其合模，使用内六角螺栓紧固，完成模具组装；模具组装完成后，将轴向进给装置16的施力平面与冲头15的后端贴合并开动轴向进给装置16，施加轴向预紧力，该预紧力即为步骤三中计算得到的组装预紧阶段轴向力，确保进给轴线与管坯4及可拆卸模块12的中心轴线一致，防止进给时管坯4产生屈曲；

步骤六、控制轴向进给装置16，调整轴向力为步骤三中计算得到的预成形阶段轴向力大小，开动高压源装置23，通过高压管道22及其连接的冲头15向管坯4内部充入高压液体/高压气体，施加预成形压力，此时管坯4发生屈服，并发生一定的胀形变形，产生鼓肚；

步骤七、控制高压源装置23，降低管坯4内部压力至轴向进给压力，控制轴向进给装置16，调整轴向力为步骤三中计算得到的轴向进给阶段轴向力大小，从进给端开始，通过一撬棒作用在间隙块13顶部的通孔，撤去预先放置在模具间隙内的间隙块13，然后在保压条件下以适宜速度进行轴向进给，其中轴向进给速度取10mm/min较为适宜，过快会影响成形过程的稳定性，过慢则会降低成形效率；管坯4在此过程中发生起皱，至该间隙完全闭合，撤去下一个间隙块13，再次轴向进给成形，以此类推，使分段的可拆卸模块12逐个左右贴合；

步骤八、待可拆卸模块12全部相互贴合后，此时即完成模具的左右合模；在合模后操作轴向进给装置16，通过其施力平面将在步骤三中计算得到的终成形阶段轴向力施加在冲头15上，防止后续终成形时管坯4内部的压力过大，两侧的冲头15飞出，造成安全事故，试验失败；

步骤九、控制高压源装置23，升高管坯4内部压力至步骤三中确定的终成形压力，使其具有的有益皱完全展平，管坯4完全贴模；

步骤十、先后控制高压源装置23及轴向进给装置16，卸去管材内部压力以及轴向力，拆卸模具，取出零件；

步骤十一、对获得的超大截面差连续多波管件实施均匀化退火，而后进行抛光处理，获得表面光洁、性能均匀稳定的合格制件。

本实施方式的有益效果是：采用分步储料式多波一次液压成形的工艺方法，管坯上出现后续可以通过内压胀形展平的有益皱纹，从而提高轴向进给过程中预留模块间隙所要达到的储料效果，同时有效规避管坯壁厚的过度减薄，有效提高成形零件的壁厚均匀性。同时，为制取有益皱纹，在轴向进给阶段只需合理匹配管坯内压以及轴向进给量，从而增大工艺窗口。实验装置方面，采用四分式模块，不需单波连续成形工艺装置中为成形每个单波时配合性及密封性要求很高的芯轴、导向杆、密封圈及模片等，模具制造简单易行、成形综合效率及可靠性高。

具体实施方式二：结合图4，6-8说明，在步骤二中，根据各个波形确定其对应的制取有益皱纹储存材料的管坯4长度，若各个波形的形状、尺寸各不相同，对应的初始模具间隙值亦各不相同。在步骤七中，根据波形的相对大小设定合理的先后轴向进给顺序，依次撤去预先放置在模具间隙内的间隙块13，分别在保压条件下使用适宜的速度进行轴向进给，直至所有模具完全左右贴合。其他步骤和参数，与具体实施方式一相同。

本实施方式的有益效果是：在轴向进给的过程中根据各个波形成形的难易程度设计其成形顺序，例如波形内径较大的区域补料量大，在轴向进给的过程中受到摩擦力传递的影响最大，应当优先成形。由此规避传统多波一次成形过程中由于管坯与模具的各处摩擦力不同导致的模具间隙变动而产生的补料量不精确的缺陷，提高波形质量精度。

具体实施方式三：结合图5，6-8说明，在步骤五中，若目标大截面差连续多波管件波距较小，则轴向进给时摩擦力在各个模块间隙之间的传递效果差异较不显著，此时使用间隙块13确定各处的初始模具间隙后，可将其拿去，在轴向进给过程中，若干模块彼此之间的间隙同时缩小直至可拆卸模块12之间左右完全贴合。其他步骤和参数，与具体实施方式一相同。

本实施方式的有益效果是：各波峰截面差在100%左右时，若管坯尺寸尺度较小且波形数目较少，则各模具轴向进给的受力分布可认为是较为均匀的。采用省去间隙块的非分步成形工艺，改进了传统的多波一次液压成形工艺，将制取有益皱的思路与多波一次液压成形工艺融合，成形工艺简单，工艺窗口扩大，提高了所制管件的壁厚均匀性和质量精度。

具体实施方式四：结合图3，6-8说明，将实验装置置于加热保温单元中，在适宜的成形温度下保压，在步骤二中还应确定试验温度和轴向进给速度等工艺参数，因为高温状态下材料的流变行为与其变形速率关联性较大；在步骤四中将冲头15改为气体高压成形密封装置，密封可由在管坯两端焊接具有气管接头的端盖，或是具有高压气体输出功能的轴向进给单元实现。其他步骤和参数，与具体实施方式一相同。

本实施方式的有益效果是：工艺装置简化，模具精度要求主要集中在型腔形状尺寸精度及表面光洁度上，同时省去弹簧等零件，使得模具对于温度的敏感性大大降低；此外，可通过调整管坯两端的密封条件，并将简化工艺装置置于加热保温单元之中，工艺方法从传统的常温液压胀形扩展至高温气压胀形，成形材料从钢铁及铜合金扩展至铝及钛合金，扩大了该工艺的适用范围，通用性好。

Claims (3)

1.一种超大截面差连续多波管件的成形方法，其特征在于，该超大截面差连续多波管件的成形方法所用装置主要由加压密封单元、轴向进给单元、成形单元以及高压源单元四部分构成；

所述的加压密封单元主要由两个可将前端塞入管坯（4）内部的阶梯状圆柱冲头（15）及套于其上的密封用O型橡胶圈（17）组成；一冲头（15）内部具有流体流动的通道，其前端至冲头（15）后端的一半高度处开有圆形盲孔，沿冲头（15）后端的半径方向开设螺纹孔，螺纹孔的孔径大于圆形盲孔的孔径，螺纹孔端用于与高压源装置（23）的高压管道（22）连接；另一冲头（15）为实体；冲头（15）前端外径小，后端外径大；冲头（15）前端的外径尺寸小于管坯（4）的内径，并且每隔一定的轴向距离，沿冲头（15）前端的半径方向开环形凹槽，用于安放O型橡胶圈（17），同时确保O型橡胶圈（17）高出冲头（15）外径，使得密封可靠；冲头（15）前端具有倒角，方便管坯（4）与冲头（15）的装配；

所述的轴向进给单元为轴向进给装置（16），轴向进给装置（16）位于冲头（15）后端，确保轴向进给装置（16）的施力平面与冲头（15）后端平面相互接触，将冲头（15）紧压在模具上；

所述的成形单元主要由可拆卸模块（12）、间隙块（13）以及导向板（18）组成，位于左右对称分布的冲头（15）之间；可拆卸模块（12）包括上模块和下模块，上模块以型腔（14）为中心，开有各自分别对称的螺纹孔（19）和定位销孔（21），定位销孔（21）与通气孔（20）相通；下模块以型腔（14）为中心，开有各自分别对称的螺纹孔（19）和定位销孔（21），定位销孔（21）与通气孔（20）相通；上模块和下模块的螺纹孔（19）位置对应，使用内六角螺栓配合实现紧固；上模块和下模块的定位销孔（21）位置对应，使用导柱实现导向；

可拆卸模块（12）之间通过间隙块（13）隔开；间隙块（13）为“门”字形，“门”字中间的空余部分大于型腔（14）的最大直径，以保证不干扰管坯（4）的变形和可拆卸模块（12）的左右滑动；为方便在轴向进给阶段间隙块（13）的取出，间隙块（13）的厚度沿其高度方向逐渐变小，以减小间隙块（13）与可拆卸模块（12）之间的摩擦，并保证间隙块（13）在给定轴向力的作用下的刚度可靠；同时间隙块（13）高度高于可拆卸模块（12）的高度，并在高出部分的对称中心开一通孔，方便撬出；

型腔（14）的形状及尺寸与目标管件外形保持一致；

导向板（18）的横截面呈“凹”字形结构，“凹”字形的内部表面为工作面，保证放置于其上的可拆卸模块（12）沿管坯（4）/型腔（14）的轴向自由滑动，同时约束可拆卸模块（12）沿垂直于管坯（4）/型腔（14）轴线方向的运动；导向板（18）的宽度与可拆卸模块（12）的宽度实现间隙配合；为保证可拆卸模块（12）在导向板（18）上的活动空间富余，导向板（18）的长度为目标管件长度的两倍以上；

所述的高压源单元包括高压管道（22）和高压源装置（23），高压管道（22）一端与带有通道的冲头（15）的螺纹孔密封连接，其另一端与高压源装置（23）连接，高压液体/高压气体流入冲头（15），从而到达管坯（4）的内部；

该超大截面差连续多波管件的成形方法，包括如下步骤：

步骤一、将目标管件每一个波形对应的最大直径的截面圆设定为分模面，将整体模具分为可通过沿管坯（4）/型腔（14）的轴向，即整个成形装置的中心轴线滑动实现闭合与分开的若干长方体可拆卸模块（12）；为方便开模取件，沿垂直于以上确定的分模面、过中心轴线的某一平面再设置另一分模面，由此将一波形均匀分成四个部分；每一个可拆卸模块（12）分为上模块和下模块，由此设置型腔（14）的形状及分割状态；选取合模后的模具型腔（14）的形状及尺寸与目标管件外形保持一致；

步骤二、结合步骤一中已确定的模具形状及尺寸，通过理论计算，根据管坯（4）表面积在变形前后不发生变化的原则，确定管坯（4）的计算原始长度；使用数值模拟仿真方法，在有限元模拟软件上建立管坯（4）及模具的三维仿真模型，改变管坯（4）的原始长度、原始壁厚和各阶段成形压力进行模拟，改变管坯4的原始长度是指取计算原始长度的0.6~0.8倍；改变管坯（4）的原始壁厚是指取大于目标管件的数值，改变管坯（4）的各阶段成形压力进行模拟是指根据公式

估计进行模拟；

通过对比贴模程度、成形件外形特征和成形件各处等效应变值及管坯最大壁厚减薄量，确定管坯（4）的原始长度及原始壁厚，此即确定了每一个波形对应的间隙块（13）的厚度；

步骤三、根据公式

，其中σ_s为管坯（4）材料的屈服强度，p为使管坯（4）发生屈服施加的内压力，r为管坯（4）的外半径，t为管坯（4）的壁厚；确定预成形压力、轴向进给压力、终成形压力和各个成形阶段需要的轴向力；其中预成形压力大于使管坯（4）发生屈服的压力，以保证管坯（4）在后续的轴向压缩胀形变形中起皱均匀；轴向进给压力低于预成形压力的数值，以确保有益皱的产生；终成形压力根据上述公式计算，此时r取起皱后管坯（4）的皱谷圆角半径数值；包括组装预紧阶段、预成形阶段、轴向进给阶段及终成形阶段的各个成形阶段需要的轴向力由该阶段管坯（4）的内部压力，冲头（15）的前、后端圆截面积换算得到，即

; 其中F为轴向力，p为管坯（4）的内部压力，A₁为冲头（15）的前端圆截面积，A₂为冲头（15）的后端圆截面积；

步骤四、确定管坯（4）的原始长度及壁厚后，将其与已装备O型橡胶圈（17），并与高压源装置（23）相连的冲头（15）对接，完成密封；

步骤五、将所有可拆卸模块（12）的下模块依次排列放置于导板18的工作面上，组装好的管坯（4）和两个冲头（15）放于下模块的型腔中，将确定厚度的间隙块（13）放入成形对应波形的模具间隙中；再将各下模块对应的上模块与其合模，使用内六角螺栓紧固，完成模具组装；模具组装完成后，将轴向进给装置（16）的施力平面与冲头（15）的后端贴合并施加轴向预紧力，该预紧力为在步骤三中已经计算得到的组装预紧阶段轴向力，确保进给轴线与管坯（4）及可拆卸模块（12）的中心轴线一致，防止进给时管坯（4）产生屈曲；

步骤六、控制轴向进给装置（16），调整轴向力为步骤三中计算得到的预成形阶段轴向力大小，开动高压源装置（23），通过高压管道（22）及其连接的冲头（15）向管坯（4）内部充入高压液体/高压气体，施加预成形压力，此时管坯（4）发生一定的胀形变形，产生鼓肚；

步骤七、控制高压源装置（23），降低管坯（4）内部压力至轴向进给压力，控制轴向进给装置（16），调整轴向力为步骤三中计算得到的轴向进给阶段轴向力大小，从进给端开始，通过一撬棒作用在间隙块（13）顶部的通孔，撤去预先放置在模具间隙内的间隙块（13），然后在保压条件下进行轴向进给；管坯（4）在此过程中发生起皱，至该间隙完全闭合，撤去下一个间隙块（13），再次轴向进给成形，以此类推，使分段的可拆卸模块（12）逐个左右贴合；

步骤八、待可拆卸模块（12）全部相互贴合后，此时即完成模具的左右合模；在合模后控制轴向进给装置（16），通过其施力平面将在步骤三中计算得到的终成形阶段轴向力施加在冲头（15）上；

步骤九、控制高压源装置（23），升高管坯（4）内部压力至步骤三中确定的终成形压力，使其具有的有益皱完全展平，管坯（4）完全贴模；

步骤十、先后控制高压源装置（23）及轴向进给装置（16），卸去管材内部压力以及轴向力，拆卸模具，取出零件；

步骤十一、对获得的超大截面差连续多波管件实施均匀化退火，而后进行抛光处理，获得表面光洁、性能均匀稳定的合格制件。

2.根据权利要求1所述的超大截面差连续多波管件的成形方法，其特征在于，所述的轴向进给装置（16）通过千斤顶平头油缸及手动液压泵浦配合实现。

3.根据权利要求1或2所述的超大截面差连续多波管件的成形方法，其特征在于，所述的间隙块（13）分为左特征间隙块（24）、中间厚度间隙块（25）以及右特征间隙块（26），三个部分左右合并使用，放置在对应波形的可拆卸模块（12）之间；其中左特征间隙块（24）以及右特征间隙块（26）纵截面为直角梯形，厚度较薄且固定；而中间厚度间隙块（25）纵截面为矩形，厚度根据不同补料量配做，以适配不同模具初始间隙的使用需求。

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