CN111195673B - 一种变截面异形管件的充液压制成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变截面异形管件的充液压制成形装置，涉及管材成形制造技术领域，包括充液压制成形模具、双向随动密封装置和介质填充与压力控制系统；所述充液压制成形模具内用于放置管材，并对所述管材压制成形；所述双向随动密封装置用于对所述管材的两端进行随动密封；所述介质填充与压力控制系统包括介质填充系统和压力控制系统，所述介质填充系统内用于向所述管材内填充介质，所述压力控制系统用于对所述管材的内部支撑压力进行控制。本发明用于变截面异形管件的充液压制成形。

Description

一种变截面异形管件的充液压制成形装置

技术领域

本发明涉及管材成形制造技术领域，特别是涉及一种变截面异形管件的充液压制成形装置。

背景技术

在汽车安全碰撞及节能减排法规驱动下，高强轻质材料应用，以及轻量化结构应用是汽车发展的必然趋势。实现轻量化的主要途径之一是将构件结构设计为空心变截面结构。内高压成形技术适用于生产空心变截面轻体构件，已经广泛用于生产汽车轻量化构件，如底盘、车身和排气管件等。而近年来，为了进一步实现汽车结构的轻量化，高强钢(抗拉强度大于700MPa)在汽车结构上的应用逐渐增加。由于内高压成形压力与构件的圆角半径成反比，与材料的屈服强度成正比，因此成形高强钢复杂形状构件需要的内压极高。过高的压力，导致设备所需合模压力机吨位大，模具尺寸大，投资大，这些问题综合作用使得超高强钢内高压件成本高，成为限制制造超高强钢复杂构件的一个瓶颈，因此迫切需要开发适合于高强钢异形管件的液压成形技术。

充液压制成形技术是一种可以成形高强钢异形管件的先进的液压成形技术。具体工作原理是通过使管材内部充满液体介质并增压至一定的支撑压力后，模具闭合进行管材压制，管材将在模具的机械压力和内部液体支撑压力的共同作用下发生变形，成为所需要的形状构件。与内高压相比，充液压制工艺可大幅度降低模具和设备的成本，工艺稳定，构件均匀性好。

但通过分析成形工作原理和工艺机理，充液压制成形工艺也存在以下几个问题：

充液压制成形的成形圆角区处于双向压应力状态，因此在成形完成后，卸掉管内支撑内压后，由于弹性应力的影响，构件将向管外反弹，这将导致构件脱模困难。成形支撑内压越高，构件的直边段越长，脱模将越困难。

由于模具在对管材压制前，管材内部需要充满液体介质并增压至一定的支撑压力，因此此时管材两端必须完成密封。由于管材压制时是随着模具的运动做相应的运动的，因此需要解决管材两个方向密封端的随动问题，否则密封处将承受较大的作用力，轻者密封失效，重者构件将不满足形状要求。

充液压制时要保证管材内部支撑压力基本恒定。管材在压制的过程中，管内支撑介质体积将变小，管材内支撑压力将升高。再者管材压制的过程中又不可避免的存在少量泄露，这将导致管材内支撑压力降低。内压过高，会导致管材局部发生膨胀变形，超过模腔尺寸，形成飞边，或者直接导致管材膨胀破裂。内压过低，将起不到支撑作用，导致局部堆料，管材截面成形不充分。

常规控制管材内部支撑压力的方法是采用被动压力阀控制，可以是定压溢流阀，也可以是比例压力控制阀。但无论何种控制方式，均存在响应滞后，尤其是在管材刚开始压制时，均存在较大的控制压力超调，超调量有可能超过管材塑性强度而导致膨胀变形而使构件报废，另外单纯被动压力阀控系统也无法主动补偿泄漏量。

充液压制工艺往往需要多段支撑压力控制，采用恒定压力溢流阀控制方式则无法满足要求，而采用比例或伺服压力控制，成本较高。

因此，亟需提供一种新的变截面异形管件的充液压制成形装置，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种变截面异形管件的充液压制成形装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种变截面异形管件的充液压制成形装置，包括充液压制成形模具、双向随动密封装置和介质填充与压力控制系统；所述充液压制成形模具内用于放置管材，并对所述管材压制成形；所述双向随动密封装置用于对所述管材的两端进行随动密封；所述介质填充与压力控制系统包括介质填充系统和压力控制系统，所述介质填充系统内用于向所述管材内填充介质，所述压力控制系统用于对所述管材的内部支撑压力进行控制。

优选的，所述充液压制成形模具包括凸模和整体凹模，所述凸模安装在上模座上，所述整体凹模安装在下模座上；所述整体凹模包括外凹模和内凹模，所述内凹模设置于所述外凹模内，包括第一分半内凹模和第二分半内凹模；所述第一分半内凹模和第二分半内凹模的分模处安装有导向销轴和复位弹簧。

优选的，所述整体凹模的上表面上安装有两个限位板，两个所述限位板分别位于所述整体凹模顶部开口两侧的上表面上；所述整体凹模的上表面上设置有导向键槽，所述限位板的下表面上对应设有与所述导向键槽相配合的导向键；所述限位板通过螺钉与所述外凹模的上表面固定。

优选的，所述双向随动密封装置包括模具底板、随动支架和密封结构；所述随动支架的四角通过双向可滑动支撑装置安装于所述模具底板上，所述密封结构安装于所述随动支架上，所述密封结构用于对所述管材的两端进行密封。

优选的，所述密封结构包括左密封油缸和右密封油缸，所述左密封油缸和右密封油缸安装于所述随动支架的两侧，所述左密封油缸和右密封油缸的内侧分别设有左密封冲头和右密封冲头，对所述管材的两端进行密封。

优选的，所述左密封冲头和右密封冲头内均设置有密封圈。

优选的，所述双向可滑动支撑装置包括竖直氮气弹簧和水平氮气弹簧，所述竖直氮气弹簧安装于第一安装块内，所述第一安装块焊接固定在所述随动支架上，所述第一安装块上安装高度调整螺钉；所述水平氮气弹簧安装在第二安装块内，所述第二安装块通过螺钉安装在所述模具底板上；所述竖直氮气弹簧和水平氮气弹簧通过底座进行连接，所述底座的两侧安装4组滚动轴承，所述底座通过所述滚动轴承在所述模具底板的导槽内水平滑动。

优选的，所述介质填充系统包括变频水泵、箱体和单向阀，所述变频水泵的输入端通过管路与所述箱体连接，用于吸取介质；所述变频水泵的另一端通过管路以及单向阀与所述右密封冲头相连。

优选的，所述压力控制系统包括压力传感器、第一皮囊蓄能器和第二皮囊蓄能器，所述压力传感器与所述左密封冲头相连，所述左密封冲头通过二通阀与所述箱体相连；所述第一皮囊蓄能器和第二皮囊蓄能器分别通过第一三通阀、第二三通阀与所述左密封冲头以及箱体相连。

优选的，所述第一皮囊蓄能器和第二皮囊蓄能器的压力控制范围5-63Mpa。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、充液压制模具中凹模采用内外凹模以及内凹模分半结构，既有利于将构件推挤入模具型腔，模具填充性好，又有利于构件的脱模取件；

2、管端密封结构采用整体双向随动结构，管材压制时，管材管端密封处受密封介质反力，而由于装置采用整体结构，密封反力内部互相抵消；而采用双向随动结构，使得密封端受压制力极小，这样既保证了管端密封端随动运动的自由性，又保证了密封端密封的可靠性，结构简单可靠；

3、管材内部支撑压力由管材内部密闭介质体积减小得到，且考虑了泄漏的问题，因此无需压力源，简化了系统，降低了工艺难度；

4、采用皮囊蓄能器可分组控制管材内部支撑压力，皮囊蓄能器惯性小，反应灵敏，可以有效减小压力超调并可有效补偿管端密封泄漏，因此支撑压力控制稳定性好，精度高，且成本低，实用性强。

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为本发明变截面异形管件的充液压制成形装置的第一结构示意图；

图2为本发明变截面异形管件的充液压制成形装置的第二结构示意图；

图3为本发明中充液压制成形模具的结构示意图；

图4为本发明中整体凹模的装配图；

图5为本发明中内凹模和外凹模的结构示意图；

图6为本发明中内凹模的分半装配示意图；

图7为本发明中限位板的结构示意图；

图8为本发明中双向随动密封装置的结构示意图；

图9为本发明中双向可滑动支撑装置的结构示意图；

图10为本发明中异形管件的结构示意图；

图11为图10的A-A剖面图；

图12为管材内的支撑内压曲线图；

图13为本发明中成形构件的成形流程示意图；

其中，Ⅰ、充液压制成形模具，Ⅱ、双向随动密封装置，Ⅲ、介质填充与压力控制系统，01、成形构件，11、上模座，12、凸模，13、下模座，14a、第一限位板，14b、第二限位板，15、外凹模，16a、第一分半内凹模，16b、第二分半内凹模，17、导向销轴，18、复位弹簧，20、模具底板，21、随动支架，22a、左密封油缸，22b、右密封油缸，23a、左密封冲头，23b、右密封冲头，24、滚动轴承，25、第一安装块，26、高度调整螺钉，27、竖直氮气弹簧，28、底座，29、水平氮气弹簧，30、第二安装块，31a、第一皮囊蓄能器，31b、第二皮囊蓄能器，32、单向阀，33、变频水泵，34、箱体，35、二通阀，37a、第一三通阀，37b、第二三通阀，38、压力传感器。

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。

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

如图1-13所示，本实施例提供一种变截面异形管件的充液压制成形装置，包括充液压制成形模具Ⅰ、双向随动密封装置Ⅱ和介质填充与压力控制系统Ⅲ；所述充液压制成形模具Ⅰ内用于放置管材，并对所述管材压制成形，在本实施例中，成形构件01如图10-11所示，管材优选材料：DD14，壁厚：2.0mm；所述双向随动密封装置Ⅱ用于对所述管材的两端进行随动密封；所述介质填充与压力控制系统Ⅲ包括介质填充系统和压力控制系统，所述介质填充系统内用于向所述管材内填充介质，所述压力控制系统用于对所述管材的内部支撑压力进行控制。

在本实施中，如图3-7以及图13所示，所述充液压制成形模具Ⅰ包括凸模12和整体凹模，所述凸模12安装在上模座11上，所述整体凹模安装在下模座13上；所述整体凹模包括外凹模15和内凹模，外凹模15内部和内凹模外部均为斜面，斜度一致，所述内凹模设置于所述外凹模15内；内凹模包括分半设置的第一分半内凹模16a和第二分半内凹模16b；所述第一分半内凹模16a和第二分半内凹模16b的分模处对称安装有导向销轴17和复位弹簧18。

在本实施中，所述整体凹模的上表面上安装有两个限位板(第一限位板14a和第二限位板14b)，两个所述限位板分别位于所述整体凹模顶部开口两侧的上表面上；所述整体凹模的顶部开口两侧的上表面上整体布置导向键槽，所述限位板的下表面上对应设有与所述导向键槽相配合的导向键；所述限位板通过螺钉与所述外凹模15的上表面固定，导向键与内外凹模15的键槽配合，作为内凹模的滑动导向。

在本实施例中，通过斜面、导向键槽以及第一分半内凹模16a、第二分半内凹模16b的分模处对称安装的导向销轴17，可以保证第一分半内凹模16a、第二分半内凹模16b可以在模具内部沿着外凹模15整体对称规则滑动，并通过复位弹簧18可保证成形完毕后，第一分半内凹模16a、第二分半内凹模16b自动开模，方面取件。

在本实施中，如图8和9所示，所述双向随动密封装置Ⅱ包括模具底板20、随动支架21和密封结构；所述随动支架21的四角通过双向可滑动支撑装置安装于所述模具底板20上，所述密封结构安装于所述随动支架21上，所述密封结构用于对所述管材的两端进行密封。

在本实施中，所述密封结构包括左密封油缸22a和右密封油缸22b，所述左密封油缸22a和右密封油缸22b整体安装于所述随动支架21的两侧，所述左密封油缸22a和右密封油缸22b的内侧分别设有左密封冲头23a和右密封冲头23b，对所述管材的两端进行密封。

在本实施中，所述左密封冲头23a和右密封冲头23b内均设置有密封圈，采用管材端部外密封结构，既能起到管材支撑的作用，又能保证密封的可靠性。通过左密封油缸22a、右密封油缸22b的运动带动左密封冲头23a、右密封冲头23b前进和后退，即可控制管材内部密封介质体积，从而可调整管材压制成形支撑压力，且省去了压力源。

在本实施中，所述双向可滑动支撑装置包括竖直氮气弹簧27和水平氮气弹簧29，所述竖直氮气弹簧27安装于第一安装块25内，所述第一安装块25焊接固定在所述随动支架21上，所述第一安装块25上安装高度调整螺钉26；所述水平氮气弹簧29安装在第二安装块30内，所述第二安装块30通过螺钉安装在所述模具底板20上；所述竖直氮气弹簧27和水平氮气弹簧29通过底座28进行连接，所述底座28的两侧安装4组滚动轴承24，所述底座28通过所述滚动轴承24在所述模具底板20的导槽内水平滑动。

在本实施例中，密封油缸和密封冲头整体安装在随动支架21上，而随动支架21通过四角对称布置的双向随动支撑结构安装在模具底板20上，整套密封装置处于完全随动状态，管材管端密封反力内部互相抵消，密封端受压制外力极小，既保证了管端密封端的自由性，又保证了密封端密封的可靠性。

在本实施中，所述介质填充系统包括变频水泵33、箱体34和单向阀32，所述变频水泵33的输入端通过管路与所述箱体34连接，用于吸取介质；所述变频水泵33的另一端通过管路以及单向阀32与所述右密封冲头23b相连。

在本实施中，所述压力控制系统包括压力传感器38、第一皮囊蓄能器31a和第二皮囊蓄能器31b，所述压力传感器38与所述左密封冲头23a相连，所述左密封冲头23a通过二通阀35与所述箱体34相连；所述第一皮囊蓄能器31a和第二皮囊蓄能器31b分别通过第一三通阀37a、第二三通阀37b与所述左密封冲头23a以及箱体34相连。介质支撑压力控制回路通过管道与左密封冲头23a相连，接入管材内部。

在本实施中，采用皮囊蓄能器可分组控制管材内部支撑压力，可满足多段支撑压力控制需求，且压力控制稳定性好，并可有效补偿管端密封泄漏；所述第一皮囊蓄能器31a和第二皮囊蓄能器31b的压力控制范围5-63Mpa。

本实施例的工作过程如下：

1、首先根据附图12中的成形曲线图，将第一皮囊蓄能器31a的皮囊充氮气压力9MPa，将第二皮囊蓄能器31b的皮囊充氮气压力19MPa。

2、将管材对中放入整体凹模中，上模座11和安装其上的凸模12下行至与管材贴合；左密封油缸22a、右密封油缸22b带动左密封冲头23a、右密封冲头23b前进至管材填充位置。介质填充系统中变频水泵33启动，由箱体34中吸取介质将管材填充，二通阀35动作，使得管材内部空气将从左密封冲头23a一侧排出，填充一定时间后，通过压力传感器38，检测到管材内部支撑压力至填充压力P0时，变频水泵33停止，二通阀35复位，此时管材填充停止。此时支撑内压处于图12中t1时刻，模具以及管材成形位置如图13中(a)所示。

3、第一三通阀37a动作将第一皮囊蓄能器31a投入工作。左密封油缸22a、右密封油缸22b带动左密封冲头23a、右密封冲头23b继续前进，由于管材内部密闭介质体积减小，内部支撑压力将升高，当压力升高到超过第一皮囊蓄能器31a皮囊内充氮压力时，管材内部介质将进入第一皮囊蓄能器31a，通过压力传感器38，检测到管材内部支撑压力至第一段支撑压力P1时，左密封油缸22a、右密封油缸22b停止前进。此时支撑内压处于图12中t2时刻；模具以及管材成形位置如图13中(b)所示。

4、上模座11和安装其上的凸模12，继续下行，对管材进行压制。压制过程中，管材对两个分半内凹模产生向下的作用力，使得两个分半内凹模沿着外凹模15斜面整体对称规则滑动，当两个分半内凹模到达外凹模15底部时停止运动。此时上模座11和安装其上的凸模12，继续下行，将对管材进行压制。压制过程中，第一皮囊蓄能器31a内介质将自动补偿管端密封泄漏。而当压制导致管材内部密闭介质体积减小，支撑压力升高超过设定压力P1时，二通阀35动作将多余介质排出，压力降低，从而维持支撑压力P1的稳定。管材在压制过程中，将压制力通过左密封冲头23a、右密封冲头23b传导至左密封油缸22a、右密封油缸22b，再继而传导至随动支架21上。而随动支架21通过四角对称布置的双向可滑动支撑装置可在竖直和水平方向上自由运动，从而保证了管端密封的随动性。此时支撑内压处于图12中t2-t3时刻之间；模具以及管材成形位置如图13中(c)所示。

5、上模座11和安装其上的凸模12，继续下行至管材与模具基本贴合，这时管材成形只剩下圆角处还未与模具完全贴合。此时支撑内压处于图12中t3时刻；模具以及管材成形位置如图13中(d)所示。

6、第一三通阀37a复位，第一皮囊蓄能器31a将退出工作。第二三通阀37b动作，第二皮囊蓄能器31b投入工作。左密封油缸22a、右密封油缸22b带动左密封冲头23a、右密封冲头23b继续前进，内部支撑压力将由于管材内部密闭介质体积减小而升高，当压力升高到超过第二皮囊蓄能器31b皮囊内充氮压力时，管材内部介质将进入第二皮囊蓄能器31b，通过压力传感器38，检测到管材内部支撑压力到达第二段支撑压力P2时，左密封油缸22a、右密封油缸22b停止前进。此时支撑内压处于图12中t4时刻；模具以及管材成形位置如图13中(e)所示。

7、上模座11和安装其上的凸模12，继续下行，对管材进行压制。此压制过程中，除了压力不同外，工作原理上支撑压力P2段与P1段完全相同，但由于压力P2大于P1，则更有利于构件圆角的成形。当凸模12下行至模具下止点时，压制过程结束，构件完全压制成形。此时支撑内压处于图12中t5时刻；模具以及管材成形位置如图13中(f)所示。

8、压制完成后，第二三通阀37b复位，第二皮囊蓄能器31b退出工作。二通阀35动作，管材内部支撑压力卸荷至零。此时支撑内压处于图12中t6时刻；模具以及管材成形位置如图13中(g)所示。

9、左密封油缸22a、右密封油缸22b带动左密封冲头23a、右密封冲头23b退回至初始位置，上模座11和安装其上的凸模12，上行回程。两个分半内凹模在复位弹簧18的作用下沿着外凹模15斜面自动开模，成形构件01两侧与内凹模内壁脱离，便于取件。此时模具以及管材成形位置如图13中(h)所示。

本发明中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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：包括充液压制成形模具、双向随动密封装置和介质填充与压力控制系统；所述充液压制成形模具内用于放置管材，并对所述管材压制成形；所述双向随动密封装置用于对所述管材的两端进行随动密封；所述介质填充与压力控制系统包括介质填充系统和压力控制系统，所述介质填充系统用于向所述管材内填充介质，所述压力控制系统用于对所述管材的内部支撑压力进行控制；

所述双向随动密封装置包括模具底板、随动支架和密封结构；所述随动支架的四角通过双向可滑动支撑装置安装于所述模具底板上，所述密封结构安装于所述随动支架上，所述密封结构用于对所述管材的两端进行密封。

2.根据权利要求1所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述充液压制成形模具包括凸模和整体凹模，所述凸模安装在上模座上，所述整体凹模安装在下模座上；所述整体凹模包括外凹模和内凹模，所述内凹模设置于所述外凹模内，包括第一分半内凹模和第二分半内凹模；所述第一分半内凹模和第二分半内凹模的分模处安装有导向销轴和复位弹簧。

3.根据权利要求2所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述整体凹模的上表面上安装有两个限位板，两个所述限位板分别位于所述整体凹模顶部开口两侧的上表面上；所述整体凹模的上表面上设置有导向键槽，所述限位板的下表面上对应设有与所述导向键槽相配合的导向键；所述限位板通过螺钉与所述外凹模的上表面固定。

4.根据权利要求1所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述密封结构包括左密封油缸和右密封油缸，所述左密封油缸和右密封油缸安装于所述随动支架的两侧，所述左密封油缸和右密封油缸的内侧分别设有左密封冲头和右密封冲头，对所述管材的两端进行密封。

5.根据权利要求4所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述左密封冲头和右密封冲头内均设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述双向可滑动支撑装置包括竖直氮气弹簧和水平氮气弹簧，所述竖直氮气弹簧安装于第一安装块内，所述第一安装块焊接固定在所述随动支架上，所述第一安装块上安装高度调整螺钉；所述水平氮气弹簧安装在第二安装块内，所述第二安装块通过螺钉安装在所述模具底板上；所述竖直氮气弹簧和水平氮气弹簧通过底座进行连接，所述底座的两侧安装4组滚动轴承，所述底座通过所述滚动轴承在所述模具底板的导槽内水平滑动。

7.根据权利要求4所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述介质填充系统包括变频水泵、箱体和单向阀，所述变频水泵的输入端通过管路与所述箱体连接，用于吸取介质；所述变频水泵的另一端通过管路以及单向阀与所述右密封冲头相连。

8.根据权利要求7所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述压力控制系统包括压力传感器、第一皮囊蓄能器和第二皮囊蓄能器，所述压力传感器与所述左密封冲头相连，所述左密封冲头通过二通阀与所述箱体相连；所述第一皮囊蓄能器和第二皮囊蓄能器分别通过第一三通阀、第二三通阀与所述左密封冲头以及箱体相连。

9.根据权利要求8所述的变截面异形管件的充液压制成形装置，其特征在于：所述第一皮囊蓄能器和第二皮囊蓄能器的压力控制范围为5-63Mpa。

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