CN111390006B - 一种充液轧制成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种充液轧制成形装置及方法，涉及金属管材成形技术领域，工作平台滑动连接于底板上方，平台驱动装置用于驱动工作平台相对于底板移动，下模和两个密封驱动装置固定于工作平台上表面，两个密封驱动装置分别固定于下模的两端，各密封驱动装置靠近下模的一侧安装有一个密封冲头，增压器与一个密封冲头连接，液压机包括液压滑块，液压滑块的下端安装有轧辊组件，轧辊组件与下模位置相对应且结构相匹配。本发明中用轧辊组件替代了上模，利用工作平台的轴向运动，通过轧辊组件滚压的方式，可成形出大尺寸、长轴线的大截面空心构件，避免了大规格的液压机的使用，消除了液压机台面大小对成形管件尺寸的限制，降低了生产成本。

Description

一种充液轧制成形装置及方法

技术领域

本发明涉及金属管材成形技术领域，特别是涉及一种充液轧制成形装置及方法。

背景技术

近年来，航空航天领域逐渐向着大运载量、高可靠性、低成本的方向发展，其所需构件技术要求也不断提高，构件在制造过程中应尽量在保证性能的基础上减轻质量并控制制造成本，而结构轻量化尤其是空心结构既可以有效减少制造材料损耗和运输成本，同时又可以减少燃料消耗，是现代先进制造技术发展的重要技术和趋势之一，因此在航空航天构件的设计中大截面长轴线空心构件得到越来越多的应用，如飞机上的空心框梁、发动机中空曲轴和异型管件，航天设备上的火箭动力系统管路接头和异形截面进气道等。

航天航空所用大截面长轴线空心构件多由不锈钢、高温合金和钛合金等高强度材料制成，具有材料强度高、截面尺寸大、零件轴线长等特点，传统制造工艺是一般采用分体模压成形后进行拼焊的工艺路线，焊接之后各块回弹难以控制，形状精度差，并且焊缝质量难以控制，航空飞行中存在焊缝开裂或熔穿等隐患。此外，还存在工序多、零件数量多、成本高、承压性能差、整体性和疲劳性能差等缺点。

目前大截面空心构件多数通过内高压成形和管材充液压制成形的方法来制造，内高压成形的基本过程是：把管坯放置到模具内，闭合模具，通过端部的冲头实现管端密封和注入液体介质，在管内高压液体介质和两端密封冲头轴向补料的共同作用成形为所需形状的构件。但对于大截面空构件来说，由于这类零件材料强度高，零件尺寸巨大，造成内高压成形过程所需的液体压力大幅度提高，同时，也会造成合模力也显著增加，例如对于直径0.6米，长度10米级的DP780管件进行内高压成形，其合模力可达数万吨，极大的增加了设备的投资成本和产品制造成本。管材充液压制成形基本过程是：首先在管坯内部充满液体介质，然后闭合上模，使管坯在模具机械压制和管内液体支撑的共同作用下发生变形。此方法区别于内高压成形，其内部所需液体压力小于管材屈服压力，从而显著降低成形的压力，减少设备的吨位。但是对于大截面空心构件来说，由于其存在截面尺寸大、零件轴线长等特点，若采用充液压制成形，则所需液压机工作平台尺寸可达数十米，设备制造困难，成本高昂，而航空航天用零件需求数量小但种类繁多，采用超大台面液压机成形，通用性差，制造成本难以控制。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种充液轧制成形装置及方法，解决了目前大尺寸、长轴线的大截面空心构件成形困难，成本高昂的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种充液轧制成形装置，包括底板、工作平台、下模、轧辊组件、平台驱动装置、液压机、增压器、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动装置，所述工作平台滑动连接于所述底板上方，所述平台驱动装置用于驱动所述工作平台相对于所述底板移动，所述下模和两个所述密封驱动装置固定于所述工作平台上表面，两个所述密封驱动装置分别固定于所述下模的两端，各所述密封驱动装置靠近所述下模的一侧安装有一个所述密封冲头，所述增压器与一个所述密封冲头连接，所述液压机包括液压滑块，所述液压滑块位于所述下模上方，所述液压滑块的下端安装有所述轧辊组件，所述轧辊组件与所述下模位置相对应且结构相匹配，所述液压机、所述平台驱动装置和两个所述密封驱动装置均与所述控制器连接。

优选地，所述轧辊组件包括多个轧辊和多个安装支架，一个所述轧辊通过一个所述安装支架固定于所述液压滑块下端，多个所述轧辊沿所述下模的长度方向依次设置，所述轧辊位于所述下模正上方，所述轧辊的轴向方向与所述下模的长度方向相垂直。

优选地，所述下模包括水平板和两个垂直固定于所述水平板上表面的竖直板，两个所述竖直板相互平行，所述水平板固定于所述工作平台上表面。

优选地，所述底板上表面设置有两个相互平行的滑轨，所述工作平台下端安装有两列车轮，两列所述车轮能够分别沿两个所述滑轨运动。

优选地，所述平台驱动装置为直线电机，所述直线电机用于驱动所述工作平台相对于所述底板移动，所述直线电机与所述控制器连接。

优选地，所述密封驱动装置为驱动油缸，所述驱动油缸与所述控制器连接。

本发明还提供一种基于充液轧制成形装置的充液轧制成形方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述下模和两个所述密封驱动装置装配于所述工作平台上，将所述轧辊组件装配于所述液压滑块上，所述控制器控制所述液压滑块上行设定距离，留出空间用于放置管坯；

步骤二、将所述管坯放置到所述下模的型腔内，两侧的所述密封冲头在所述密封驱动装置的推动作用下朝向所述管坯运动，对所述管坯进行密封；

步骤三、从所述密封冲头的充液孔向所述管坯内注入液体，所述增压器将加压液体的压力控制在设定值；

步骤四、所述控制器控制所述液压滑块带动所述轧辊组件下压设定距离，所述平台驱动装置驱动所述工作平台移动设定距离，所述管坯在所述轧辊组件的机械压力和管内液压的共同作用产生变形，成形为所需形状；

步骤五、泄压，所述控制器通过控制所述密封驱动装置带动所述密封冲头后撤，且控制所述液压滑块复位，使得所述轧辊组件脱离所述管坯，得到所需成形件。

优选地，在步骤三中，所述管坯中所述加压液体的内压小于所述管坯的屈服强度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的充液轧制成形装置及方法，包括底板、工作平台、下模、轧辊组件、平台驱动装置、液压机、增压器、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动装置，平台驱动装置用于驱动工作平台相对于底板移动，液压滑块位于下模上方，液压滑块的下端安装有轧辊组件，轧辊组件与下模位置相对应且结构相匹配。本发明中用轧辊组件替代了上模，利用工作平台的轴向运动，通过轧辊组件滚压的方式，可成形出大尺寸、长轴线的大截面空心构件，避免了大规格的液压机的使用，消除了液压机台面大小对成形管件尺寸的限制，降低了生产成本。

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为本发明中充液轧制成形装置在初始阶段的结构示意图；

图2为本发明中充液轧制成形装置在初始阶段的俯视图；

图3为本发明中充液轧制成形装置在初始阶段的侧视图；

图4为本发明中充液轧制成形装置在初始阶段的主视图；

图5为图4沿A-A线的剖面图；

图6为本发明中充液轧制成形装置的成形后结构示意图；

图7为本发明中充液轧制成形装置的成形后结构主视图；

图8为图7沿B-B线的剖面图；

图9为本发明中管坯的结构示意图；

图10为本发明中成形件的结构示意图。

附图标记说明：1、液压机；2、增压器；3、控制器；4、平台驱动装置；5、工作平台；6、车轮；7、密封驱动装置；8、密封冲头；9、管坯；10、下模；11、轧辊；12、安装支架；13、液压滑块；14、加压液体；15、底板；16、滑轨；17、成形件。

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充液轧制成形装置及方法，解决了目前大尺寸、长轴线的大截面空心构件成形困难，成本高昂的问题。

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。

如图1-8所示，本实施例提供一种充液轧制成形装置，包括底板15、工作平台5、下模10、轧辊组件、平台驱动装置4、液压机1、增压器2、控制器3、两个密封冲头8和两个密封驱动装置7，工作平台5滑动连接于底板15上方，通过将底板15设置于工作平台5下方，防止地面不平整对成形效果造成影响，平台驱动装置4用于驱动工作平台5相对于底板15移动，下模10和两个密封驱动装置7固定于工作平台5上表面，两个密封驱动装置7分别固定于下模10的两端，各密封驱动装置7靠近下模10的一侧安装有一个密封冲头8，密封驱动装置7用于驱动密封冲头8对管坯9进行密封，增压器2与一个密封冲头8连接，液压机1包括液压滑块13，液压滑块13位于下模10上方，液压滑块13的下端安装有轧辊组件，轧辊组件与下模10位置相对应且结构相匹配，液压机1、平台驱动装置4和两个密封驱动装置7均与控制器3连接。

具体地，轧辊组件包括多个轧辊11和多个安装支架12，一个轧辊11通过一个安装支架12固定于液压滑块13下端，轧辊11能够相对于安装支架12转动，多个轧辊11沿下模10的长度方向依次设置，轧辊11位于下模10正上方，进而保证下压时轧辊11可进入下模10的型腔，轧辊11的轴向方向与下模10的长度方向相垂直。本实施例中的轧辊11不设驱动装置，轧辊11依靠与管坯9接触产生的摩擦力实现转动。

于本具体实施例中，轧辊11和安装支架12均设置为两个。需要说明的是，轧辊11的数量根据成形件17长度及液压机1规格进行配置，使其满足成形要求。

具体地，下模10包括水平板和两个垂直固定于水平板上表面的竖直板，两个竖直板相互平行，水平板固定于工作平台5上表面，工作时，轧辊11用于成形管坯9的上平面，其他平面由下模10成形。需要说明的是，下模10的形状可以根据所需成形的部件的形状进行选择。

为了使得工作平台5能够实现移动功能，底板15上表面设置有两个相互平行的滑轨16，工作平台5下端安装有两列车轮6，两列车轮6能够分别沿两个滑轨16运动，通过车轮6与滑轨16相配合保证工作平台5移动轨迹稳定。具体地，本实施例中的车轮6设置为四个。

于本具体实施例中，平台驱动装置4为直线电机，直线电机用于驱动工作平台5相对于底板15移动，直线电机与控制器3连接，控制器3通过控制直线电机带动工作平台5沿滑轨16往复运动。需要说明的是，平台驱动装置4还可采用齿轮齿条结构对工作平台5进行驱动。

于本具体实施例中，密封驱动装置7为驱动油缸，驱动油缸与控制器3连接。

本实施例还提供一种基于充液轧制成形装置的充液轧制成形方法，包括以下步骤：

步骤一、将下模10和两个密封驱动装置7装配于工作平台5上，将轧辊组件装配于液压滑块13上，控制器3控制液压滑块13上行设定距离，留出空间用于放置管坯9；

步骤二、将管坯9放置到下模10的型腔内，两侧的密封冲头8在密封驱动装置7的推动作用下朝向管坯9运动，对管坯9进行密封；

步骤三、从密封冲头8的充液孔向管坯9内注入液体，增压器2将加压液体14的压力控制在设定值；

步骤四、控制器3控制液压滑块13带动轧辊组件下压设定距离，平台驱动装置4驱动工作平台5移动设定距离，管坯9在轧辊组件的机械压力和管内液压的共同作用产生变形，成形为所需形状；

步骤五、泄压，控制器3通过控制密封驱动装置7带动密封冲头8后撤，且控制液压滑块13复位，使得轧辊组件脱离管坯9，得到所需成形件17。本实施例中管坯9的形状如图9所示，成形件17的形状如图10所示。

在步骤三中，管坯9中加压液体14的内压小于管坯9的屈服强度。

具体地，以DP780高强钢管作为管坯9进行加工为例，DP780高强钢管具体形状如图9所示，两端为圆截面，外径为635mm，长度为1000mm，中间截面为椭圆截面，椭圆长轴为746.54mm，短轴为500mm，长度为10000mm，圆截面与椭圆截面之间自然过渡，长度为1000mm，截面周长为1996mm，壁厚为3mm，总长度为12000mm，材料屈服强度σ_s＝450MPa，σ_b＝780MPa，充液轧制后所得管件其具体形状如图10所示，两端圆截面部分保持不变，中部椭圆截面变为方形截面，直壁区长度为450mm，圆角半径R为25mm，截面周长为1957mm(压缩率2％)，方形截面与圆截面之间自然过渡。根据公式P＝t*σ_s/R，其中，R为初始管材的半径，t为初始管材的壁厚，可知管材屈服压力为7.15Mpa，实际成形中，内部施加压力为7Mpa，针对此成形件17，若采用上下模充液压制成形，则所需液压机工作台面长度超过10米，极大的提高了设备成本，不适用于实际生产。而采用本实施例中提出的充液轧制成形装置及方法，成形中通过两个轧辊11取代上模，通过工作平台5运动实现成形过程，减小了所需液压机1的规格，降低了生产成本。

结合图1-图10说明本实施例以DP780高强钢管作为管坯9进行加工的实施过程：

步骤一、按设计要求将下模10和两个驱动油缸装配于工作平台5上，将两个轧辊11和两个安装支架12装配于液压机1上，液压滑块13上行2000mm，留出空间用于放置DP780高强钢管；

步骤二、将DP780高强钢管放置到下模10的型腔内，两侧密封冲头8在驱动油缸的推动作用下向前运动，对DP780高强钢管进行密封；

步骤三、从密封冲头8的充液孔向DP780高强钢管内注入液体，增压器2将加压液体14的压力控制在7MPa；

步骤四、控制器3控制液压滑块13带动轧辊11下压1500mm，直线电机驱动工作平台5移动5000mm，DP780高强钢管在轧辊11的机械压力和管内液压的共同作用产生变形，成形为所需形状；

步骤五、泄压，密封冲头8后撤，液压滑块13复位，轧辊11脱离DP780高强钢管，得到所需成形件17。

可见，本实施例中用轧辊组件替代了上模，利用工作平台5的轴向运动，通过轧辊组件滚压的方式，利用现有的小台面液压机，可成形出大尺寸、长轴线的大截面空心构件，避免了大规格的液压机的使用，消除了液压机台面大小对成形管件尺寸的限制，降低了生产成本，解决了目前大尺寸、长轴线大截面空心构件充液成形所需设备台面大、设备吨位大、模具复杂，成本高昂的问题。

本说明书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 (8)

1.一种充液轧制成形装置，其特征在于，包括底板、工作平台、下模、轧辊组件、平台驱动装置、液压机、增压器、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动装置，所述工作平台滑动连接于所述底板上方，所述平台驱动装置用于驱动所述工作平台相对于所述底板移动，所述下模和两个所述密封驱动装置固定于所述工作平台上表面，两个所述密封驱动装置分别固定于所述下模的两端，各所述密封驱动装置靠近所述下模的一侧安装有一个所述密封冲头，所述增压器与一个所述密封冲头连接，所述液压机包括液压滑块，所述液压滑块位于所述下模上方，所述液压滑块的下端安装有所述轧辊组件，所述轧辊组件与所述下模位置相对应且结构相匹配，所述液压机、所述平台驱动装置和两个所述密封驱动装置均与所述控制器连接。

2.根据权利要求1所述的充液轧制成形装置，其特征在于，所述轧辊组件包括多个轧辊和多个安装支架，一个所述轧辊通过一个所述安装支架固定于所述液压滑块下端，多个所述轧辊沿所述下模的长度方向依次设置，所述轧辊位于所述下模正上方，所述轧辊的轴向方向与所述下模的长度方向相垂直。

3.根据权利要求1所述的充液轧制成形装置，其特征在于，所述下模包括水平板和两个垂直固定于所述水平板上表面的竖直板，两个所述竖直板相互平行，所述水平板固定于所述工作平台上表面。

4.根据权利要求1所述的充液轧制成形装置，其特征在于，所述底板上表面设置有两个相互平行的滑轨，所述工作平台下端安装有两列车轮，两列所述车轮能够分别沿两个所述滑轨运动。

5.根据权利要求1所述的充液轧制成形装置，其特征在于，所述平台驱动装置为直线电机，所述直线电机用于驱动所述工作平台相对于所述底板移动，所述直线电机与所述控制器连接。

6.根据权利要求1所述的充液轧制成形装置，其特征在于，所述密封驱动装置为驱动油缸，所述驱动油缸与所述控制器连接。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的充液轧制成形装置的充液轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述下模和两个所述密封驱动装置装配于所述工作平台上，将所述轧辊组件装配于所述液压滑块上，所述控制器控制所述液压滑块上行设定距离，留出空间用于放置管坯；

步骤二、将所述管坯放置到所述下模的型腔内，两侧的所述密封冲头在所述密封驱动装置的推动作用下朝向所述管坯运动，对所述管坯进行密封；

步骤三、从所述密封冲头的充液孔向所述管坯内注入液体，所述增压器将加压液体的压力控制在设定值；

步骤四、所述控制器控制所述液压滑块带动所述轧辊组件下压设定距离，所述平台驱动装置驱动所述工作平台移动设定距离，所述管坯在所述轧辊组件的机械压力和管内液压的共同作用产生变形，成形为所需形状；

步骤五、泄压，所述控制器通过控制所述密封驱动装置带动所述密封冲头后撤，且控制所述液压滑块复位，使得所述轧辊组件脱离所述管坯，得到所需成形件。

8.根据权利要求7所述的充液轧制成形方法，其特征在于，在步骤三中，所述管坯中所述加压液体的内压小于所述管坯的屈服强度。

Images