CN111390007B - 一种充液侧向挤压成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种充液侧向挤压成形装置及方法，涉及金属管材成形技术领域，包括底板、模具、模具驱动组件、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动部件，模具包括左模和右模，左模和右模滑动连接于底板上，左模和右模位置相对应且结构相匹配，利用侧向挤压的成形方式取代上下合模的成形方式，解决了成形中管坯轴心下移的问题，从而降低了密封的难度，并且减少过渡段长度，节省材料。模具驱动组件包括多个左侧驱动部件和多个右侧驱动部件，利用一系列水平驱动部件驱动模具运动，避免了大吨位液压机的使用，降低了生产成本，同时，消除了液压机台面大小对成形管件尺寸的限制，可成形出大尺寸、长轴线的异形空心件。

Description

一种充液侧向挤压成形装置及方法

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侧向挤压成形装置及方法。

背景技术

近年来我国在航空航天领域迅速发展，其所用构件技术要求不断提高，构件尽量在保证性能的基础上减轻质量并控制成本，而轻量化结构尤其是异形空心整体结构既可以有效减少制造材料消耗和成本，同时又可以减少燃料消耗，是现代先进制造技术发展的理想结构，在航空航天构件的设计中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。

航天航空所用异形空心整体构件多由钛合金、高温合金、不锈钢等高强度材料和铝合金等低塑性轻质材料制成，具有截面尺寸大、零件轴线长等特点。传统制造工艺是采用分体模压成形后进行拼焊的工艺路线，焊接之后变形难以控制，形状尺寸精度差，无法制造复杂截面，焊缝质量难以保证，航空飞行中存在焊缝热熔穿等隐患。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。

内高压成形正是在这样的背景下发展起来的一种制造轻量化空心整体构件的先进技术。其基本过程是在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。内高压成形的突出特点是把管材圆形截面变形异型截面，可以一次整体成形沿构件轴线截面形状有变化的整体空心构件，有效地降低零件重量、减少模具数量、提高生产效率。但对于大截面异形管件来说，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升高，同时，合模压力机的合模力也大幅度提高，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成本。

为解决上述问题，项目团队提出了管材充液压制成形新方法，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。但是目前的管材充液压制方法本身仍存在一些问题：由于产品截面尺寸变化，在合模过程中会造成管坯的轴心下移，而密封冲头多数只能沿轴线方向移动，这就会使管坯发生弯曲变形而导致密封失效。现有的解决方法主要包括两种途径，一种是为了避免密封失效，不得不在管件上增加过渡段以保证和冲头接触的密封段不发生下移，造成不必要的管坯浪费，增加成本；另一种是采用浮动式冲头结构，设计特殊的冲头装置，使得冲头既可以沿轴向运动，又可以沿上下浮动，轴向运动保证冲头的补料和密封，上下浮动保证冲头在管坯轴心下移时仍然和管坯端部紧密接触，但该结构复杂，控制要求高。此外，对于大截面异型管件来说，具有截面尺寸大、零件轴线长等特点，在采用传统液压机实现充液压制成形动作时，则所需液压机工作平台尺寸可达数十米，需要超大型液压机，存在制造困难，成本高昂等难题，而航空航天用构件需求数量小但种类繁多，建立超大型液压机用于成形成本投资大，造成极大的浪费。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种充液侧向挤压成形装置及方法，解决了目前充液压制过程中在管坯轴心下移、所需设备成本高昂和难以成形大截面异形空心件的问题。

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侧向挤压成形装置，包括底板、模具、模具驱动组件、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动部件，所述模具包括左模和右模，所述模具驱动组件包括多个左侧驱动部件和多个右侧驱动部件，所述左模和所述右模滑动连接于所述底板上，所述左模和所述右模位置相对应且结构相匹配，多个所述左侧驱动部件设置于所述左模的左侧且固定于所述底板上，多个所述左侧驱动部件均与所述左模连接，多个所述右侧驱动部件设置于所述右模的右侧且固定于所述底板上，多个所述右侧驱动部件均与所述右模连接，两个所述密封驱动部件分别设置于所述模具的前端和后端，所述密封驱动部件固定于所述底板上，各所述密封驱动部件靠近所述模具的一侧安装有一个所述密封冲头，多个所述左侧驱动部件、多个右侧驱动部件和两个所述密封驱动部件均与所述控制器连接。

优选地，所述底板包括工作平台和两个安装平台，两个所述安装平台分别连接于所述工作平台前后两侧，所述工作平台与所述安装平台为一体式结构，所述工作平台的上表面高于所述安装平台的上表面，所述左模、所述右模、多个所述左侧驱动部件和多个所述右侧驱动部件均安装于所述工作平台上，两个所述密封驱动部件分别安装于两个所述安装平台上。

优选地，还包括两个定位块，两个所述定位块分别固定于两个所述安装平台上，所述定位块设置于靠近所述模具的一侧，两个所述定位块分别用于对管坯的两端进行支撑定位，所述定位块与所述管坯两端结构相匹配。

优选地，所述工作平台上设置有多个滑轨，所述滑轨的长度方向与所述左模和所述右模的运动方向一致，所述左模和所述右模底端分别设置有多个与所述滑轨结构相匹配的滑柱。

优选地，所述左模包括左竖直板，多个所述左侧驱动部件均与所述左竖直板的左侧连接，所述右模包括右竖直板和固定于所述右竖直板上端一侧的水平板，所述水平板设置于靠近所述左竖直板的一侧，多个所述右侧驱动部件均与所述右竖直板的右侧连接。

优选地，还包括导向组件，所述导向组件包括两个导套和两个导柱，所述左竖直板上部的两端各固定有一个所述导套，所述右竖直板靠近所述左竖直板一侧的两端各固定有一个所述导柱，所述导柱和所述导套一一对应且结构相匹配，所述导柱上固定套设有一个限位块。

优选地，所述左侧驱动部件为左侧驱动油缸，所述右侧驱动部件为右侧驱动油缸，所述密封驱动部件为密封驱动油缸，所述左侧驱动油缸、所述右侧驱动油缸和所述密封驱动油缸均与所述控制器连接。

本发明还提供一种基于充液侧向挤压成形装置的充液侧向挤压成形方法，包括以下步骤：

步骤一、按设计要求将所述左模、所述右模、多个所述左侧驱动部件、多个所述右侧驱动部件和两个所述密封驱动部件装配于所述底板上，所述左模和所述右模分开设定距离，留出空间用于放置管坯；

步骤二、将所述管坯放置到所述左模和所述右模之间的所述底板上；

步骤三、控制器控制所述密封驱动部件，使得两个所述密封冲头分别在两个所述密封驱动部件的推动作用下朝向所述管坯运动，对所述管坯进行密封；

步骤四、从一个所述密封冲头的充液孔向所述管坯内注入加压液体；

步骤五、控制器通过控制所述左侧驱动部件和所述右侧驱动部件来推动所述左模和所述右模相向运动至限定位置，所述管坯在所述模具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；

步骤六、卸压，所述控制器控制两个所述密封冲头后撤，且使得所述左模和所述右模复位，得到所需成形件。

优选地，在步骤四中，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：

本发明提供的充液侧向挤压成形装置及方法，包括底板、模具、模具驱动组件、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动部件，模具包括左模和右模，利用侧向挤压的成形方式取代上下合模的成形方式，解决了成形中管坯轴心下移的问题，从而降低了密封的难度，并且减少过渡段长度，节省材料。模具驱动组件包括多个左侧驱动部件和多个右侧驱动部件，利用一系列水平驱动部件驱动模具运动，避免了大吨位液压机的使用，降低了生产成本，同时，消除了液压机台面大小对成形管件尺寸的限制，可成形出大尺寸、长轴线的异形空心件。

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为本发明中充液侧向挤压成形装置在初始阶段的结构示意图；

图2为本发明中充液侧向挤压成形装置在初始阶段的侧视图；

图3为本发明中充液侧向挤压成形装置在初始阶段的俯视图；

图4为图3沿A-A线的剖面图；

图5为图3沿B-B线的剖面图；

图6为本发明中充液侧向挤压成形装置在初始阶段的主视图；

图7为本发明中充液侧向挤压成形装置的合模后结构示意图；

图8为本发明中充液侧向挤压成形装置的合模后结构俯视图；

图9为图8沿C-C线的剖面图；

图10为图8沿D-D线的剖面图；

图11为本发明中管坯的结构示意图；

图12为本发明中成形件的结构示意图。

附图标记说明：1、工作平台；2、安装平台；3、左模；4、右模；5、左侧驱动部件；6、右侧驱动部件；7、密封驱动部件；8、密封冲头；9、管坯；10、定位块；11、导套；12、导柱；13、限位块；14、滑轨；15、滑柱；16、加压液体；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侧向挤压成形装置及方法，解决了目前充液压制过程中在管坯轴心下移、所需设备成本高昂和难以成形大截面异形空心件的问题。

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1-10所示，本实施例提供一种充液侧向挤压成形装置，包括底板、模具、模具驱动组件、控制器、两个密封冲头8和两个密封驱动部件7，模具包括左模3和右模4，模具驱动组件包括多个左侧驱动部件5和多个右侧驱动部件6，左模3和右模4滑动连接于底板上，左模3和右模4位置相对应且结构相匹配，多个左侧驱动部件5设置于左模3的左侧且固定于底板上，多个左侧驱动部件5均与左模3连接，用于驱动左模3移动；多个右侧驱动部件6设置于右模4的右侧且固定于底板上，多个右侧驱动部件6均与右模4连接，用于驱动右模4移动；两个密封驱动部件7分别设置于模具的前端和后端，密封驱动部件7固定于底板上，各密封驱动部件7靠近模具的一侧安装有一个密封冲头8，密封驱动部件7用于驱动密封冲头8对管坯9进行密封，多个左侧驱动部件5、多个右侧驱动部件6和两个密封驱动部件7均与控制器连接。

为了防止管坯9两端与底板发生干涉，底板包括工作平台1和两个安装平台2，两个安装平台2分别连接于工作平台1前后两侧，工作平台1与安装平台2为一体式结构，工作平台1的上表面高于安装平台2的上表面，左模3、右模4、多个左侧驱动部件5和多个右侧驱动部件6均安装于工作平台1上，两个密封驱动部件7分别安装于两个安装平台2上。

本实施例中还包括两个定位块10，两个定位块10分别固定于两个安装平台2上，定位块10设置于靠近模具的一侧，两个定位块10分别用于对管坯9的两端进行支撑定位，定位块10与管坯9两端结构相匹配。于本具体实施例中，定位块10的内腔形状为与管坯9两端直径相同的半圆形。

工作平台1上设置有多个滑轨14，滑轨14的长度方向与左模3和右模4的运动方向一致，左模3和右模4底端分别设置有多个与滑轨14结构相匹配的滑柱15，进而保证左模3和右模4结构稳定并实现与工作平台1定向滑动连接。

如图5和10所示，所述滑轨14包括贯穿工作平台1上表面的左侧滑槽和右侧滑槽，还包括用于连通左侧滑槽和右侧滑槽的中部通道，中部通道设置于工作平台1内部，即中部通道不贯穿工作平台1上表面，左模3底端的滑柱15能够在左滑槽和中部通道中往复运动，右模4底端的滑柱15能够在右滑槽和中部通道中往复运动，中部通道的上表面能够支撑管坯9。

左模3包括左竖直板，多个左侧驱动部件5均与左竖直板的左侧连接，左竖直板底端设置有多个与其相互垂直的滑柱15，右模4包括右竖直板和固定于右竖直板上端一侧的水平板，水平板设置于靠近左竖直板的一侧，多个右侧驱动部件6均与右竖直板的右侧连接，右竖直板底端设置有多个与其相互垂直的滑柱15。具体地，右模4用于成形管坯9的顶面和右侧面，左模3用于成形管坯9的左侧面，工作平台1用于成形管坯9的底面。需要说明的是，左模3和右模4的形状可以根据所需成形的部件的形状进行选择。

本实施例中还包括导向组件，导向组件包括两个导套11和两个导柱12，左竖直板上部的两端各固定有一个导套11，右竖直板靠近左竖直板一侧的两端各固定有一个导柱12，导柱12和导套11一一对应且结构相匹配，一个导柱12能够滑动套设于一个导套11内部，导柱12上固定套设有一个限位块13，限位块13用于限制左模3和右模4的相对位置。

于本具体实施例中，左侧驱动部件5为左侧驱动油缸，右侧驱动部件6为右侧驱动油缸，密封驱动部件7为密封驱动油缸，左侧驱动油缸、右侧驱动油缸和密封驱动油缸均与控制器连接。

于本具体实施例中，左侧驱动油缸和右侧驱动油缸均设置为六个。需要说明的是，左侧驱动油缸和右侧驱动油缸的数量根据成形管材长度及成形压力大小进行配置，使其满足成形要求。

本实施例还提供一种基于充液侧向挤压成形装置的充液侧向挤压成形方法，包括以下步骤：

步骤一、按设计要求将左模3、右模4、多个左侧驱动部件5、多个右侧驱动部件6和两个密封驱动部件7装配于底板上，左模3和右模4分开设定距离，留出空间用于放置管坯9；

步骤二、将管坯9放置到左模3和右模4之间的底板上，管坯9两端置于定位块10的凹槽中；

步骤三、控制器控制密封驱动部件7，使得两个密封冲头8分别在两个密封驱动部件7的推动作用下朝向管坯9运动，对管坯9进行密封；

步骤四、从一个密封冲头8的充液孔向管坯9内注入加压液体16；

步骤五、控制器通过控制左侧驱动部件5和右侧驱动部件6来推动左模3和右模4相向运动至限定位置，管坯9在模具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；

步骤六、卸压，控制器控制两个密封冲头8后撤，且使得左模3和右模4复位，得到所需成形件17。本实施例中管坯9的形状如图11所示，成形件17的形状如图12所示。

在步骤四中，管坯9中加压液体16的内压小于管坯9的屈服强度。

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11所示，两端为圆截面，外径为654mm，长度为1000mm，中间截面为椭圆截面，椭圆长轴为742mm，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2054.8mm，壁厚为3mm，总长度为12000mm，材料屈服强度σ_s＝450MPa，σ_b＝780MPa，侧向挤压后所得管件其具体形状如图12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5％)，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，若采用充液压制成形，则所需液压机工作台面长度超过10米，合模力达5300吨，这种规格的液压机研发难度很大，设备投资巨大，不适用于实际生产。而采用本实施中提出的充液侧向挤压成形装置及方法，成形中不需使用液压机，仅需建立作业平台和模具，通过6组油缸驱动模具运动，实现成形过程。

结合图1-图12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、按设计要求将左模3、右模4、多个左侧驱动油缸、多个右侧驱动油缸和两个密封驱动油缸装配于底板上，左模3和右模4分开1800mm距离，留出空间用于放置DP780高强钢管；

步骤二、将DP780高强钢管放置到左模3和右模411之间的底板上，DP780高强钢管两端置于定位块10的凹槽中；

步骤三、控制器控制密封驱动油缸，使得两个密封冲头8分别在两个密封驱动油缸的推动作用下朝向DP780高强钢管运动，对DP780高强钢管进行密封；

步骤四、从一个密封冲头8的充液孔向DP780高强钢管内注入加压液体16，压力设置为7MPa；

步骤五、左侧驱动油缸和右侧驱动油缸向前运动，推动左模3和右模4相向运动，各前进650mm至限定位置，DP780高强钢管在模具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；

步骤六、卸压，控制器控制两个密封冲头8后撤，且控制左模3和右模4复位，得到所需成形件17。

可见，本实施例中通过利用侧向挤压的成形方式取代上下合模的成形方式，解决了成形中管坯轴心下移的问题，从而降低了密封的难度，并且减少过渡段长度，节省材料。同时，利用一系列水平驱动部件驱动模具运动，避免了大吨位液压机的使用，降低了生产成本，同时，消除了液压机台面大小对成形管件尺寸的限制，可成形出大尺寸、长轴线的异形空心件。

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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种充液侧向挤压成形装置，其特征在于，包括底板、模具、模具驱动组件、控制器、两个密封冲头和两个密封驱动部件，所述模具包括左模和右模，所述模具驱动组件包括多个左侧驱动部件和多个右侧驱动部件，所述左模和所述右模滑动连接于所述底板上，所述左模和所述右模位置相对应且结构相匹配，多个所述左侧驱动部件设置于所述左模的左侧且固定于所述底板上，多个所述左侧驱动部件均与所述左模连接，多个所述右侧驱动部件设置于所述右模的右侧且固定于所述底板上，多个所述右侧驱动部件均与所述右模连接，两个所述密封驱动部件分别设置于所述模具的前端和后端，所述密封驱动部件固定于所述底板上，各所述密封驱动部件靠近所述模具的一侧安装有一个所述密封冲头，多个所述左侧驱动部件、多个右侧驱动部件和两个所述密封驱动部件均与所述控制器连接；所述左模包括左竖直板，多个所述左侧驱动部件均与所述左竖直板的左侧连接，所述右模包括右竖直板和固定于所述右竖直板上端一侧的水平板，所述水平板设置于靠近所述左竖直板的一侧，多个所述右侧驱动部件均与所述右竖直板的右侧连接。

2.根据权利要求1所述的充液侧向挤压成形装置，其特征在于，所述底板包括工作平台和两个安装平台，两个所述安装平台分别连接于所述工作平台前后两侧，所述工作平台与所述安装平台为一体式结构，所述工作平台的上表面高于所述安装平台的上表面，所述左模、所述右模、多个所述左侧驱动部件和多个所述右侧驱动部件均安装于所述工作平台上，两个所述密封驱动部件分别安装于两个所述安装平台上。

3.根据权利要求2所述的充液侧向挤压成形装置，其特征在于，还包括两个定位块，两个所述定位块分别固定于两个所述安装平台上，所述定位块设置于靠近所述模具的一侧，两个所述定位块分别用于对管坯的两端进行支撑定位，所述定位块与所述管坯两端结构相匹配。

4.根据权利要求2所述的充液侧向挤压成形装置，其特征在于，所述工作平台上设置有多个滑轨，所述滑轨的长度方向与所述左模和所述右模的运动方向一致，所述左模和所述右模底端分别设置有多个与所述滑轨结构相匹配的滑柱。

5.根据权利要求1所述的充液侧向挤压成形装置，其特征在于，还包括导向组件，所述导向组件包括两个导套和两个导柱，所述左竖直板上部的两端各固定有一个所述导套，所述右竖直板靠近所述左竖直板一侧的两端各固定有一个所述导柱，所述导柱和所述导套一一对应且结构相匹配，所述导柱上固定套设有一个限位块。

6.根据权利要求1所述的充液侧向挤压成形装置，其特征在于，所述左侧驱动部件为左侧驱动油缸，所述右侧驱动部件为右侧驱动油缸，所述密封驱动部件为密封驱动油缸，所述左侧驱动油缸、所述右侧驱动油缸和所述密封驱动油缸均与所述控制器连接。

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

步骤一、按设计要求将所述左模、所述右模、多个所述左侧驱动部件、多个所述右侧驱动部件和两个所述密封驱动部件装配于所述底板上，所述左模和所述右模分开设定距离，留出空间用于放置管坯；

步骤二、将所述管坯放置到所述左模和所述右模之间的所述底板上；

步骤三、控制器控制所述密封驱动部件，使得两个所述密封冲头分别在两个所述密封驱动部件的推动作用下朝向所述管坯运动，对所述管坯进行密封；

步骤四、从一个所述密封冲头的充液孔向所述管坯内注入加压液体；

步骤五、控制器通过控制所述左侧驱动部件和所述右侧驱动部件来推动所述左模和所述右模相向运动至限定位置，所述管坯在所述模具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；

步骤六、卸压，所述控制器控制两个所述密封冲头后撤，且使得所述左模和所述右模复位，得到所需成形件。

8.根据权利要求7所述的充液侧向挤压成形方法，其特征在于，在步骤四中，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。

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