CN111014416A - 一种内外约束式管材充液压制密封装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内外约束式管材充液压制密封装置及方法，装置包括用于密封管坯两端的密封冲头和与密封冲头滑动连接的滑轨；密封冲头包括内冲头和外冲头；内冲头包括内冲头导正段、内冲头密封段和内冲头连接段，内冲头密封段上设置有环形凹槽，环形凹槽内设置有密封圈，内冲头连接段上设置有外螺纹；外冲头包括密封段和外冲头连接段，外冲头密封段的直径由首端到尾端逐渐变小，外冲头连接段上设置有与内冲头连接段配合的内螺纹；本发明用内冲头和外冲头组合密封的形式，通过管端插入外冲头和内冲头之间，不断收紧管端压紧密封圈来实现密封，并且对管端内外侧均进行约束，避免了管坯轴心移动时的管端变形，实现充液压制过程中管端快速动密封。

Description

一种内外约束式管材充液压制密封装置及方法

技术领域

本发明涉及金属管材成形技术领域，特别是涉及一种内外约束式管材充液压制密封装置及方法。

背景技术

随着节能减排和提高安全性的要求，汽车的结构轻量化变得也越来越重要。目前主要有两种途径：一是材料途径，采用铝、镁合金等轻质材料；二是结构途径，采用空心变截面、变厚度等结构。当材料一定时，减重的主要方法是设计合理的轻体结构。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件，既可减轻质量又可充分利用材料强度，是汽车减重的主要途径。

内高压成形正是在这样的背景下适应结构轻量化而发展起来的一种先进制造技术，其突出特点是可整体成形轴线为二维或三维曲线的异形截面空心零件，从管材圆截面可成形为矩形、梯形或其它异形封闭截面。截止目前，内高压成形技术已被广泛用于汽车底盘、车身和排气管件等轻量化构件。

近年来，新型高强度钢铁材料不断被研发和应用，逐步取代传统的钢铁材料，成为汽车白车身的主要材料之一，通过有效减小材料厚度从而进一步实现减重，在抗碰撞性能、成本和生产环保等方面较铝镁合金具有明显的优势，是未来满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。

但随着材料强度的不断提高，内高压成形所需的成形压力也急剧增加，而目前商业化的内高压成形设备最高成形压力难以满足形状复杂的超高强异形管件的成形压力要求，同时带来合模压力机吨位的增加，造成生产成本提高、成形效果反而变差的问题。

在这样背景下，出现了管材充液压制成形新方法，它是利用管内液体的支撑和模具的压制共同作用下使管坯发生变形。管材充液压制区别于传统的内高压成形，变形机理发生了本质改变，采用“先充液后合模压制”的替代“先合模后充液加压”，摩擦的作用也发生了本质改变，管坯和模具之间的摩擦力也由内高压成形的“阻碍材料向圆角区域流动”变为“促进材料向圆角区域流动”，从而显著改善壁厚分布，降低成形的压力，减少设备的吨位，降低生产成本，提高生产效率。因此，管材充液压制逐渐取代内高压成形成为高强钢空心管件的有效成形方法。

和内高压成形不同的是，在管材充液压制初期，需要在模具未闭合时先实现管端密封和充液，同时在成形过程中还要考虑管坯在模具的压制作用下会发生轴心下移。而传统内高压成形的管端密封主要依靠冲头锥面和模具的共同约束，实现管坯刚性扩口密封或O型圈密封，而在管材充液压制时，密封时模具仍处于开模状态，管坯端部外侧没有约束，扩口密封无法实现。同样O型圈密封形式即便在初期可以实现密封，但在模具闭合过程中，管端不但会沿轴线方向移动，而且会因为密封冲头轴心向下移动，使管端发生变形，导致O型圈由圆形变为椭圆形，发生液体泄漏失效，也不能满足管材充液压制的要求。

因此，传统内高压成形的锥形扩口和O型圈密封结构都不适用于管材充液压制，目前开展的管材充液压制研究中主要是采用端部焊接密封段的形式进行，可重复利用率差，效率低，成本高，远远无法满足大批量生产的需求，为快速实现管材充液压制的高效动密封，迫切需要一种既能实现管端密封，又能满足管坯发生轴向和上下移动时不泄露的新型密封形式，这是实现管材充液压制的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种内外约束式管材充液压制密封装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现充液压制过程中管端快速动密封，在密封冲头上下移动的同时仍能保持良好的密封效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种内外约束式管材充液压制密封装置，包括包括用于密封管坯两端的密封冲头和设置于密封冲头外侧与密封冲头滑动连接的滑轨；所述密封冲头包括内冲头和外冲头；所述内冲头包括内冲头导正段、内冲头密封段和内冲头连接段，所述内冲头导正段为直径小于管坯内径的圆柱体，所述内冲头密封段设置于所述内冲头导正段的尾端，所述内冲头密封段为与所述内冲头导正段等直径的圆柱体，所述内冲头密封段上设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置有密封圈，所述内冲头连接段设置于所述内冲头密封段的尾端，所述内冲头连接段上设置有外螺纹；所述内冲头的内部设置有内冲头通道；

所述外冲头的尾端与所述滑轨滑动连接，所述外冲头的内部设置有用于安装所述内冲头的柱形腔，所述柱形腔包括外冲头密封段和外冲头连接段，所述外冲头密封段的直径由首端到尾端逐渐变小，且所述外冲头密封段的首端内径大于管坯的外径，所述外冲头连接段设置于所述外冲头密封段的尾端，所述外冲头连接段上设置有与所述内冲头连接段配合的内螺纹；所述外冲头的内部还设置有外冲头通道，所述外冲头通道与所述内冲头通道相通。

优选地，所述外冲头通道包括互通的轴向通道和径向通道，所述径向通道贯穿所述外冲头的外壁与外界相通，所述轴向通道与所述内冲头通道同轴心且直径相等。

优选地，所述内冲头密封段靠近所述内冲头连接段位置处设置有第一环形卡槽，所述第一环形卡槽内放置有第一密封环；在所述内冲头的尾端端面上以端面圆心为中心设置有第二环形卡槽，在所述外冲头的柱形腔的腔底端面上以端面圆心为中心设置有第三环形卡槽，所述第二环形卡槽和所述第三环形卡槽相对设置，二者构成的环形槽内设置有第二密封环，所述内冲头和所述外冲头连接时压紧所述第一密封环和所述第二密封环。

优选地，所述外冲头通道包括互通的轴向通道和径向段通道，所述径向通道贯穿所述外冲头的外壁与外界相通，所述轴向通道的首端的通道直径大于尾端通道直径，所述轴向通道的首端通道与尾端通道之间形成一环形台阶，所述环形台阶上设置有第三密封环，所述轴向通道的首端通道上还设置有外冲头通道螺纹，相对的所述内冲头通道上设置有内冲头通道螺纹，带有外螺纹的空心螺杆安装在所述轴向通道的首端通道和所述内冲头通道内，所述空心螺杆的尾端压紧所述第三密封环。

优选地，所述空心螺杆的尾端设置有方形的限位部，所述限位部限位在所述内冲头的外部。

优选地，所述内冲头的首端端面上还设置有两个夹持用方形凹槽。

优选地，所述内冲头导正段的首端设置有倒角，所述外冲头密封段的首端设置有内倒角。

优选地，所述外冲头密封段的环形内壁沿轴向的倾斜角度为1°～30°。

本发明还公开了一种内外约束式管材充液压制密封方法，包括以下步骤：

步骤一：将管坯放置到设定位置，管坯两端的密封冲头分别在两侧油缸的推动作用下向前运动，至管坯两端插入密封冲头内部设定距离时冲头停止运动；

步骤二：从一端的密封冲头的充液管道向管坯内部充入液体介质，管坯内气体从另一端的密封冲头的排气管道排出，液体充满管腔后，控制系统关闭排气管道阀门，增压器增压将管内压力提高到设定值；

步骤三：驱动装置推动上模下移至合模，两端的密封冲头随管坯一起向下移动；

步骤四：泄压，两端的密封冲头后撤，上模复位，得到所需工件。

优选地，步骤一中随着管坯两端插入密封冲头内部距离的增加，管端不断收紧，设定插入距离需达到管端收紧至压紧密封圈的效果，以保证密封质量；步骤二中所述的管坯的成形内压小于管坯的屈服强度。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的内外约束式管材充液压制密封装置及方法，密封时管端插入内冲头和外冲头之间，随着插入深度的增加管端不断收紧，从而压紧密封圈，实现密封，此结构构造简单，密封牢固，不易松动，在密封冲头上下移动的同时仍能保持良好的密封效果。

2、本发明提供的内外约束式管材充液压制密封装置及方法，利用内外双层结构对管端内外侧进行约束，在管坯轴心移动时可有效防止管端变形，更好的实现密封。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中内外约束式管材充液压制密封装置安装在充液压制成形装置上的示意图；

图2为本发明实施例一中内外约束式管材充液压制密封装置与管坯的位置关系示意图。

图3为本发明实施例一中内冲头的结构示意图；

图4为本发明实施例一中外冲头的结构示意图；

图5为本发明实施例二中内外约束式管材充液压制密封装置与管坯的位置关系示意图。

图6为本发明实施例二中内冲头的结构示意图；

图7为本发明实施例二中外冲头的结构示意图；

图中：1-内冲头导正段，2-内冲头密封段，3-内冲头连接段，4-方形凹槽，5-内冲头通道，6-环形凹槽，7-第一环形卡槽，8-第二环形卡槽，9-外冲头密封段，10-外冲头连接段，11-第三环形卡槽，12-外冲头通道，13-滑轨，14-外冲头，15-第一密封环，16-第二密封环，17-内冲头，18-密封圈，19-第三密封环，20-空心螺杆，21-限位部，22-环形台阶，23-外冲头通道螺纹，24-内冲头通道螺纹，25-左侧密封冲头，26-上模，27-管坯，28-右侧密封冲头，29-排气管道，30-排气阀，31-下模，32-充液管道，33-增压器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种内外约束式管材充液压制密封装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

本实施例提供一种内外约束式管材充液压制密封装置，如图1-4所示，包括用于密封管坯27两端的密封冲头和设置于密封冲头外侧与密封冲头滑动连接的滑轨13；密封冲头包括内冲头17和外冲头14；内冲头17包括内冲头导正段1、内冲头密封段2和内冲头连接段3，内冲头导正段1为直径小于管坯27内径的圆柱体，内冲头导正段1的首端设置有倒角；内冲头密封段2设置于内冲头导正段1的尾端，内冲头密封段2为与内冲头导正段1等直径的圆柱体，内冲头密封段2上设置有环形凹槽6，环形凹槽6内设置有密封圈18，内冲头连接段3设置于内冲头密封段2的尾端，内冲头连接段3上设置有外螺纹；内冲头17的内部设置有内冲头通道5；

外冲头14的尾端与滑轨13滑动连接，实现整个密封冲头能够沿着滑轨13移动；外冲头14的内部设置有用于安装内冲头17的柱形腔，柱形腔包括外冲头密封段9和外冲头连接段10，外冲头密封段9的直径由首端到尾端逐渐变小，外冲头密封段9的首端设置有内倒角，且外冲头密封段9的首端内径大于管坯27的外径，外冲头密封段9的环形内壁沿轴向的倾斜角度α为1°～30°，外冲头14连接段设置于外冲头密封段9的尾端，外冲头连接段10上设置有与内冲头连接段3配合的内螺纹，实现内冲头17和外冲头14的连接；外冲头14的内部还设置有外冲头通道12，外冲头通道12与内冲头通道5相通。

于本具体实施例中，外冲头通道12包括互通的轴向通道和径向通道，径向通道贯穿外冲头14的外壁与外界相通，轴向通道与内冲头通道5同轴心且直径相等。

于本具体实施例中，内冲头17的首端端面上还设置有两个夹持用方形凹槽4，便于操作者将内冲头17锁紧或放松。

于本具体实施例中，为解决高压液体通过内冲头17和外冲头14之间螺纹泄漏的问题；内冲头密封段2靠近内冲头连接段3位置处设置有第一环形卡槽7，第一环形卡槽7内放置有第一密封环15；在内冲头17的尾端端面上以端面圆心为中心设置有第二环形卡槽8，在外冲头14的柱形腔的腔底端面上以端面圆心为中心设置有第三环形卡槽11，第二环形卡槽8和第三环形卡槽11相对设置，二者构成的环形槽内设置有第二密封环16，内冲头17和外冲头14连接时压紧第一密封环15和第二密封环16，防止高压液体通过螺纹泄漏。

实施例二：

本实施例提供一种内外约束式管材充液压制密封装置，如图5-7所示，本实施例与实施例的区别仅在于解决高压液体通过内冲头17和外冲头14之间螺纹泄漏的问题的结构特征不同，具体地，其中外冲头通道12同样包括互通的轴向通道和径向段通道，径向通道贯穿外冲头14的外壁与外界相通，其中，轴向通道的首端的通道直径大于尾端通道直径，使轴向通道的首端通道与尾端通道之间形成一环形台阶22，环形台阶22上设置有第三密封环19，轴向通道的首端通道上还设置有外冲头通道螺纹23，相对的内冲头通道5上设置有内冲头通道螺纹24，内冲头17安装到外冲头14内后，外冲头通道螺纹23与内冲头通道螺纹24拼合成一整条螺纹通道，使带有外螺纹的空心螺杆20能够安装在轴向通道的首端通道和内冲头通道5内，并且空心螺杆20的尾端能够压紧第三密封环19；液体从空心螺杆20内部流入管腔，防止高压液体通过螺纹泄漏，空心螺杆20的尾端设置有方形的限位部21，限位部21限位在内冲头17的外部，用于操作者将空心螺杆20锁紧或放松。

基于上述两个实施例提供的内外约束式管材充液压制密封装置，本发明还提供了一种内外约束式管材充液压制密封方法，包括以下步骤：

步骤一：将管坯27放置到设定位置，管坯27两端的密封冲头(以下将两端的密封冲头分别称为左侧密封冲头25和右侧密封冲头28)分别在两侧油缸的推动作用下向前运动，至管坯27两端插入密封冲头内部设定距离时冲头停止运动；

步骤二：左侧密封冲头25的充液管道32向管坯27内部充入液体介质，管坯27内气体从右侧密封冲头28的排气管道29排出，液体充满管腔后，控制系统关闭排气阀30，增压器33增压将管内压力提高到设定值；

步骤三：驱动装置推动上模26下移至下模31处至合模，左侧密封冲头25和右侧密封冲头28随管坯27一起向下移动；

步骤四：泄压，左侧密封冲头25和右侧密封冲头28后撤，上模26复位，得到所需工件。

具体地，步骤一中随着管坯27两端插入密封冲头内部距离的增加，管端不断收紧，设定插入距离需达到管端收紧至压紧密封圈18的效果，以保证密封质量；步骤二中所述的管坯27的成形内压小于管坯27的屈服强度，即步骤二中管坯27不发生胀形。

本发明提供的内外约束式管材充液压制密封装置及方法，用内冲头和外冲头组合密封的形式，通过管端插入外冲头和内冲头之间，不断收紧管端压紧密封圈来实现密封，并且对管端内外侧均进行约束，避免了管坯轴心移动时的管端变形，从而解决了充液压制过程中管端快速动密封问题。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：包括用于密封管坯两端的密封冲头和设置于密封冲头外侧与密封冲头滑动连接的滑轨；所述密封冲头包括内冲头和外冲头；所述内冲头包括内冲头导正段、内冲头密封段和内冲头连接段，所述内冲头导正段为直径小于管坯内径的圆柱体，所述内冲头密封段设置于所述内冲头导正段的尾端，所述内冲头密封段为与所述内冲头导正段等直径的圆柱体，所述内冲头密封段上设置有环形凹槽，所述环形凹槽内设置有密封圈，所述内冲头连接段设置于所述内冲头密封段的尾端，所述内冲头连接段上设置有外螺纹；所述内冲头的内部设置有内冲头通道；

所述外冲头的尾端与所述滑轨滑动连接，所述外冲头的内部设置有用于安装所述内冲头的柱形腔，所述柱形腔包括外冲头密封段和外冲头连接段，所述外冲头密封段的直径由首端到尾端逐渐变小，且所述外冲头密封段的首端内径大于管坯的外径，所述外冲头连接段设置于所述外冲头密封段的尾端，所述外冲头连接段上设置有与所述内冲头连接段配合的内螺纹；所述外冲头的内部还设置有外冲头通道，所述外冲头通道与所述内冲头通道相通。

2.根据权利要求1所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述外冲头通道包括互通的轴向通道和径向通道，所述径向通道贯穿所述外冲头的外壁与外界相通，所述轴向通道与所述内冲头通道同轴心且直径相等。

3.根据权利要求1所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述内冲头密封段靠近所述内冲头连接段位置处设置有第一环形卡槽，所述第一环形卡槽内放置有第一密封环；在所述内冲头的尾端端面上以端面圆心为中心设置有第二环形卡槽，在所述外冲头的柱形腔的腔底端面上以端面圆心为中心设置有第三环形卡槽，所述第二环形卡槽和所述第三环形卡槽相对设置，二者构成的环形槽内设置有第二密封环，所述内冲头和所述外冲头连接时压紧所述第一密封环和所述第二密封环。

4.根据权利要求1所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述外冲头通道包括互通的轴向通道和径向段通道，所述径向通道贯穿所述外冲头的外壁与外界相通，所述轴向通道的首端的通道直径大于尾端通道直径，所述轴向通道的首端通道与尾端通道之间形成一环形台阶，所述环形台阶上设置有第三密封环，所述轴向通道的首端通道上还设置有外冲头通道螺纹，相对的所述内冲头通道上设置有内冲头通道螺纹，带有外螺纹的空心螺杆安装在所述轴向通道的首端通道和所述内冲头通道内，所述空心螺杆的尾端压紧所述第三密封环。

5.根据权利要求4所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述空心螺杆的尾端设置有方形的限位部，所述限位部限位在所述内冲头的外部。

6.根据权利要求1所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述内冲头的首端端面上还设置有两个夹持用方形凹槽。

7.根据权利要求1所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述内冲头导正段的首端设置有倒角，所述外冲头密封段的首端设置有内倒角。

8.根据权利要求1所述的内外约束式管材充液压制密封装置，其特征在于：所述外冲头密封段的环形内壁沿轴向的倾斜角度为1°～30°。

9.一种内外约束式管材充液压制密封方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将管坯放置到设定位置，管坯两端的密封冲头分别在两侧油缸的推动作用下向前运动，至管坯两端插入密封冲头内部设定距离时冲头停止运动；

步骤二：从一端的密封冲头的充液管道向管坯内部充入液体介质，管坯内气体从另一端的密封冲头的排气管道排出，液体充满管腔后，控制系统关闭排气管道阀门，增压器增压将管内压力提高到设定值；

步骤三：驱动装置推动上模下移至合模，两端的密封冲头随管坯一起向下移动；

步骤四：泄压，两端的密封冲头后撤，上模复位，得到所需工件。

10.根据权利要求9所述的内外约束式管材充液压制密封方法，其特征在于：步骤一中随着管坯两端插入密封冲头内部距离的增加，管端不断收紧，设定插入距离需达到管端收紧至压紧密封圈的效果，以保证密封质量；步骤二中所述的管坯的成形内压小于管坯的屈服强度。

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