CN111957804A - 用于薄壁管材充液弯曲成形的装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其包括半模、端盖、管坯、型腔、内圈和绳缆。上半模和下半模的中间分别设有与管坯相同的半型腔，型腔包括弯曲段型腔和直线段型腔，型腔由两半完全相同的半型腔组成；前端盖的第一端和管坯的第一端连接，前端盖的第二端设有绳缆孔。内圈的中心设有内圈孔，前端盖的绳缆孔和绳缆的第一端连接，绳缆的第二端穿过内圈的内圈孔伸出弯曲段型腔，内圈均匀分布在弯曲段型腔的内部，位于前端盖第二端的一侧，后端盖的第一端和管坯的第二端连接，后端盖的第二端设有充液入口。本发明采用模内成形工艺，可以有效的解决薄壁管弯曲部分发生的内侧起皱与外侧凹陷产生的截面畸变、尺寸精度低等问题。

Description

用于薄壁管材充液弯曲成形的装置及其成形方法

技术领域

本发明涉及薄壁管材弯曲加工方法领域，特别涉及一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置及其成形方法。

背景技术

管材的弯曲加工，在金属结构、机械、锅炉、石油化工、管道工程、航空航天等工业部门应用十分广泛。在圆形截面管材弯曲加工过程，由于受弯曲力矩的作用，弯曲横截面外侧受弯曲拉力的作用而不断减薄，内侧则受弯曲压力的作用而不断增厚，当壁厚变化程度超过一定限度时，外侧便会产生拉裂，内侧则因失稳而在某些位置产生褶皱，在弯曲的同时拉力与压力的合力均指向弯管中性层，从而会使横截面产生压缩变形，从而导致圆形截面趋于椭圆产生长轴及短轴，即产生截面椭圆畸变缺陷。特别是对薄壁管材，其外径D与原始壁厚t之比D/t>50，非常容易出现起皱、拉裂、截面畸变，因而，成形难度非常大。因此，目前国内外弯曲段椭圆度，即弯管弯曲部分同一截面上最大外径与最小外径之差与公称外径之比通常在5-10％。对于航空航天等行业，弯管产品精度要求越来越高，特别对弯管的尺寸、成形质量，特别是减轻失稳起皱、防止减薄破裂、控制弯曲回弹、减轻截面畸变等方面，提出了更高的要求。目前，在该研究领域，径厚比较大的薄壁大直径弯管利用传统的拉弯、压弯等工艺很难获得。

在管材弯曲加工中，由于管材的空心结构特点、其弯曲部分的横断面易于变扁和起皱，例如，圆形截面管材弯曲，其截面变成椭圆形状，尤其是薄壁管弯曲，这种畸变现象更为严重。为了保证弯管质量，弯曲前需在管坯内装入填充料或芯棒。对于薄壁管弯曲成形时，通常在管材内安装芯棒或充填沙子或松香、低熔点合金等以提供内部支撑。但充填料取出困难，芯棒抽出时会损伤内壁。管子内部无论是充填芯棒或充填沙子或松香、低熔点合金等，都是为了在管子内部产生支撑力，减少截面畸变，但由于其支撑力为被动力，不能保证管材弯曲时不产生椭圆形状的截面畸变。

管材弯曲成形方式主要有压弯、推弯、绕弯和滚弯。无论采用上述何种弯曲成形，都无法抑制截面畸变和起皱等缺陷，特别对于圆形截面的管材会产生截面变扁，对薄壁管材更是如此。因此，传统弯管工艺生产的弯管成形精度受到限制，无法完全避免截面畸变，无法满足使用精度要求较高的场合。如何生产出无截面畸变、尺寸精度近似于零误差的弯管，一直是困扰本领域的难题。基于此，发明人思考设计一种新的弯曲工艺及模具。该工艺在实现过程中，管材四周利用模具限制、内部通有高压液体、将管坯的两端用端盖密封，内部通高压液体，两端施加一定拉力或推力使之向模具弯曲端匀速运动。可以消除弯曲成形时出现的起皱、截面畸变、弯曲精度不高等现象。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，主要是为了防止薄壁弯管在弯曲变形过程中产生起皱和截面畸变等问题，获得稳定弯曲精度、无截面椭圆畸变的管材，使得弯曲段椭圆度为0％，从而提高管材的合格率。

本发明提供了一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其包括半模、端盖、型腔、管坯、内圈和绳缆。所述半模，其包括上半模和下半模，所述上半模和所述下半模的中间分别设有型腔，所述型腔包括弯曲段型腔和直线段型腔，所述型腔由两半完全相同的半型腔组成，所述弯曲段型腔的第一端和所述直线段型腔的第一端无缝连接；所述端盖，其包括前端盖和后端盖，所述前端盖的第一端和所述管坯的第一端连接，所述前端盖的第二端设有绳缆孔，所述内圈和所述绳缆位于所述弯曲段型腔的内部。所述内圈的中心设有内圈孔，所述内圈的外圆表面和所述弯曲段型腔相接触，所述前端盖的绳缆孔和所述绳缆的第一端连接，所述绳缆的第二端穿过所述内圈的内圈孔伸出所述弯曲段型腔，所述内圈均匀分布在所述弯曲段型腔的内部，位于所述前端盖第二端的一侧；所述后端盖的第一端和所述管坯的第二端连接，所述后端盖的第二端设有充液入口，所述充液入口和液压泵站连接，所述上半模和所述下半模的外表面均匀分布螺栓槽，所述螺栓位于所述螺栓槽内，将所述上半模和所述下半模结合起来。

所述液压泵站通过所述管坯第二端的充液入口向管坏内施加的液体压力按下述表达式来确定：

其中，

p为所述管坯内液体的压力，单位为MPa，

D为所述管坯的直径，单位为mm，

t为所述管坯的壁厚，单位为mm，

σ_s为所述管坯材料的屈服应力，单位为MPa。

可优选的是，所述半模型腔的中心、所述端盖、所述管坯和所述内圈的中心轴线在同一中心线上。

可优选的是，所述前端盖的外径、所述半模的型腔的直径等于或大于所述管坯的外径，所述内圈的内圈孔的直径大于所述绳缆的直径，所述上半模的型腔和所述下半模的型腔合起来的直径和所述欲成形管件的直径相同。

可优选的是，所述上半模和所述下半模可以通过压机合模或者通过螺栓预紧合模，所述管坯的第一端和第二端分别通过焊接或其他连接方法与所述前端盖和所述后端盖连接及密封。

可优选的是，施加在前端盖和后端盖的力可有多种组合的方法，拉力-拉力组合、拉力-压力组合或者仅在前端盖端施加拉力。

可优选的是，所述管坯和所述型腔的截面可以是圆形、方形、椭圆形或者其他形状的管材。

可优选的是，所述管坯的弯曲角度可以大于90°也可以小于90°。

本发明的另一方面，提供一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置的成形方法，其包括如下步骤：

S1、将要弯曲成形的管件装配体放置在所述下半模的直线段腔段内，并将上半模和下半模通过压机或者螺栓合模；

S2、利用高压泵通过与所述管坯相连的后端盖，向所述管坯内部通入高压液体，然后通过与所述前端盖的绳缆孔相连绳缆施加适当拉力；

S3、根据成形要求，在与所述管坯相连的后端盖施加拉力或推力，所述管坯由直线段型腔逐渐向弯曲段型腔前进，高压液体压力根据成形过程中的需要通过液压控制系统随时进行调节；

S4、所述管坯弯曲结束后，卸掉所述管坯内部液体压力以及与所述前端盖的绳缆孔相连绳缆拉力，同时，将上半模和下半模分离开；

S5、取出成形的管件，将弯曲完成后的管坯中，与前端盖和后端盖连接的部分切除，得到成形产品。

本发明与现有弯管技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用模内成形工艺，管坯成形过程均在模具内腔中进行，相对于一般弯管成形工艺具有无截面畸变、成形精度高、质量好的优点。

2.本发明为传统模具成形与液压胀形工艺相结合，采用管坯装配体内腔采用密封且通入高压液体的方法，且高压液体压力根据成形过程中的需要通过液压控制系统随时进行调节。管坯弯曲过程中，可根据实际情况，调整液体的压力，进而给管坯的内壁及端盖施加压力，进而对管坯产生轴向拉力，避免管坯弯曲内侧产生褶皱。

3.本发明工艺实施过程中，施加在模内管坯装配体两端的力可有多种组合方法，即：拉力-拉力组合、拉力-压力组合或仅在一端施加拉力的方法，可根据材料的塑性不同在成形过程中根据需要进行调整，操作容易，成形质量好。

附图说明

图1为本发明用于圆截面薄壁管材充液弯曲成形的装置以压机合模结构的俯视图示意图；

图2为本发明用于圆截面薄壁管材充液弯曲成形的装置以压机合模结构的主视图示意图；

图3为本发明用于圆截面薄壁管材充液弯曲成形的装置以螺栓连接结构的俯视示意图；

图4为本发明用于圆截面薄壁管材充液弯曲成形的装置以螺栓连接结构主视示意图；

图5a为本发明用于矩形截面薄壁管材充液弯曲成形的装置以压机合模结构俯视示意图；

图5b为本发明用于矩形截面薄壁管材充液弯曲成形的装置以压机合模结构剖视示意图；

图6为本发明用于圆形截面薄壁管材充液弯曲成形的有限元模拟过程中绳缆7施加的拉力载荷曲线；

图7为本发明用于圆形截面薄壁管材充液弯曲成形的有限元模拟过程中后端盖3施加的压力载荷曲线；以及

图8为本发明用于圆形截面薄壁管材充液弯曲成形的有限元模拟得到的弯曲件壁厚分布曲线。

主要附图标记：

上半模1，下半模2，后端盖3，管坯4，前端盖5，内圈6，绳缆7，内圈孔8，型腔9，螺栓10，螺栓槽11。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于薄壁圆形管材充液弯曲成形的装置，如图1至图5所示，其包括半模、端盖、管坯4、型腔9、内圈6和绳缆7。

半模，如图1和图3所示，其包括上半模1和下半模2，如图2所示，上半模1和下半模2的中间分别设有型腔9，型腔9包括弯曲段型腔和直线段型腔，弯曲段型腔用于管坯4的弯曲，直线段型腔用于放置初始管坯4，型腔9由两半完全相同的半型腔组成，弯曲段型腔的第一端和直线段型腔的第一端无缝连接。

端盖包括前端盖5和后端盖3，前端盖5的第一端和管坯4的第一端连接，前端盖5的第二端设有绳缆孔。内圈6位于弯曲段型腔的内部。

如图4所示，内圈6的中心设有内圈孔8，前端盖5的绳缆孔和绳缆7的第一端连接，绳缆7的第二端穿过内圈6的内圈孔8伸出弯曲段型腔，内圈6近似等距离均匀分布在弯曲段型腔的内部，位于前端盖5第二端的一侧，在半模弯曲段型腔内放置内圈6，内圈6具有导向作用，拉伸用的绳缆7穿过内圈6的圆孔连接于前端盖5，能够保证管坯4胀形拉伸时拉力方向与运动方向的夹角最小，从而使管坯4的轴向拉力受力均匀。

后端盖3的第一端和管坯4的第二端连接，后端盖3的第二端设有充液入口，充液入口和液压泵站连接，管坯4在弯曲过程中，可根据实际情况，向管坯4的装配体内部充入一定压力的液体，上半模1和下半模2的外表面均匀分布着螺栓槽11；螺栓10位于螺栓槽11内，将上半模1和下半模2结合起来。

进一步，本发明装置为了保证管坯4的成形效果，通过液压泵站向管坯第二端的充液入口内施加的液体压力按下述表达式选取：

其中，

p为管坯内液体的压力，单位为MPa，

D为管坯的直径，单位为mm，

t为管坯的壁厚，单位为mm，

σ_s为管坯材料的屈服应力，单位为MPa。

在本发明的一个优选实施方式中，管坯4弯曲内侧由于内部高压的存在，使得管坯4的管壁金属向轴向延展，从而避免褶皱的产生。

如图2所示，半模中心的型腔9、端盖和内圈6的中心轴线在同一中心上。

如图4所示，半模的型腔9的直径等于或略大于管坯4的外径，内圈6中心的内圈孔8的直径略大于绳缆7的直径，上半模1的型腔9和下半模2的型腔9合起来的直径和欲成形管件的直径相同。

本发明装置的合模有两种形式，具体而言，如图2所示，上半模1和下半模2通过压机合模；如图4所示，上半模1和下半模2通过螺栓10预紧合模，管坯4的第一端和第二端分别通过焊接或其他连接方法与前端盖5和后端盖3连接及密封。

进一步，为了保证薄壁管材成形的效果，本发明装置施加在前端盖5和后端盖3的力可有多种组合的方法，比如，拉力-拉力组合、拉力-压力组合或者仅在前端盖5端施加拉力，可根据材料的塑性不同和管坯4成形过程中的需要调整。

如图2所示，管坯4和型腔9的截面可以是圆形、方形、椭圆形或者其他形状的管材。

如图2和图4所示，管坯4的弯曲角度可以大于90°也可以小于90°。

用于薄壁管材充液弯曲成形的使用方法，其具体包括如下步骤：

S1、将要弯曲成形的管件装配体放置下半模2的直线段腔段内，并将上半模1和下半模2通过压机或者螺栓合模；

S2、利用高压泵通过与管坯4相连的后端盖3，向管坯4的内部通入高压液体，然后通过与前端盖5的绳缆孔相连绳缆7施加适当拉力；

S3、根据成形要求，在与管坯4相连的后端盖3施加拉力或推力，管坯4由直线段型腔逐渐向弯曲段型腔前进，高压液体压力根据成形过程中的需要通过液压控制系统随时进行调节；

S4、管坯4弯曲结束后，卸掉管坯4内部液体压力以及与前端盖5的绳缆孔相连绳缆7的拉力，同时，将上半模1和下半模2分离开；

S5、取出成形的管件，将弯曲完成后的管坯4中，与前端盖5和后端盖3连接的部分切除，得到成形产品。

本发明装置中，由于内部高压液体的存在，产生一个主动的内压，使得薄壁管坯4的外壁紧贴上下半模型腔的内壁，当运动到弯曲段型腔时，绳缆7对管坯4产生的轴向拉力及高压液体产生的内压所提供的轴向拉应力与径向应力的存在，使得管坯4中原来弯曲内侧金属材料堆积成的褶皱沿轴向延展，从而避免褶皱的产生；同时由于液体压力的存在，使得管坯4中一直存在径向应力，在径向应力的作用下，管坯4弯曲外侧发生的内凹可以得到支撑，从而使得管坯4外壁紧贴在上下半模型腔的内壁，成形后的弯曲件外精度与上下半模型腔精度一致，保证管坯4的截面不产生椭圆畸变、褶皱等缺陷，同时可有效抑制管坯4在弯曲过程中，管坯4弯曲部分小半径一侧的起皱问题。

以下结合实施例对本发明一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置及成形方法做进一步描述：

实施例一：

用于薄壁圆形截面管材充液弯曲成形的成形方法，其具体实施步骤如下：

S1、将要弯曲成形圆形截面的管坯4装配体放置下半模2的直线段腔段内，并将上半模1和下半模2通过螺栓合模；

S2、利用高压泵通过与圆形截面管坯4相连的后端盖3，向圆形截面管坯4的内部通入高压液体，然后通过与前端盖5的绳缆孔相连绳缆7施加适当拉力；

S3、根据成形要求，在与圆形截面管坯4相连的后端盖3施加拉力或推力，圆形截面管坯4由直线段型腔逐渐向弯曲段型腔前进，高压液体压力根据成形过程中的需要通过液压控制系统随时进行调节；

S4、圆形截面管坯4弯曲结束后，卸掉圆形截面管坯4内部液体压力以及与前端盖5的绳缆孔相连绳缆7的拉力，同时，将上半模1和下半模2分离开；

S5、取出成形的圆形截面管坯4，将弯曲完成后的圆形截面管坯4中，与前端盖5和后端盖3连接的部分切除，得到成形产品。

通过本发明装置，可以得到圆形截面管材弯曲成形有限元模拟结果。

该有限元模拟的相关参数设置为：圆形管坯4的外径为

厚度1mm，弯曲型腔内径设置为

圆形管坯4中心弯曲半径R165mm，圆形管坯4的材料：304不锈钢，弯曲角度90°。图6和图7分别为圆形截面薄壁管材充液弯曲成形的有限元模拟过程中绳缆7施加的拉力载荷曲线及施加于后端盖3压力载荷曲线。

在以上模拟条件下，管材成形后圆形管坯4直径

在管坯4经过弯曲型腔时，绳缆7对圆形管坯4产生的轴向拉力及液体产生的内压所提供的轴向拉应力与径向应力的存在使得原来弯曲内侧材料堆积成的褶皱沿轴向延展，弯曲件内侧光滑无褶皱。同时在径向应力的作用下，原来圆形管坯4弯曲外侧发生的内凹可以得到支撑，使圆形管坯4外侧得以贴模。保证了成形后的弯曲件外径精度与模具型腔精度一致，圆形管坯4截面仍为圆形。没有产生椭圆畸变。图8为有限元模拟得到的弯曲件内外壁厚分布曲线，壁厚与传统弯曲成形方法比较，壁厚均匀，显示出本发明装置工艺的优越性。

实施例二：

用于薄壁矩形截面管材充液弯曲成形的成形方法，其具体实施步骤如下：

S1、将上半模1和下半模2分别固定到压机滑块及下横梁工作台上，将要弯曲成形矩形截面的管坯4装配体放置下半模2的直线段腔段内，压机滑块下行，将上半模1和下半模2压紧合模，目的是为了保证嵌合后，圆形槽成形孔的完整性；

S2、利用高压泵通过与矩形截面管坯4相连的后端盖3，向矩形截面管坯4的内部通入高压液体，然后通过与前端盖5的绳缆孔相连绳缆7施加适当拉力；

S3、根据成形要求，在与矩形截面管坯4相连的后端盖3施加拉力或推力，矩形截面管坯4由直线段型腔逐渐向弯曲段型腔前进，高压液体压力根据成形过程中的需要通过液压控制系统随时进行调节；

S4、矩形截面管坯4弯曲结束后，卸掉矩形截面管坯4内部液体压力以及与前端盖5的绳缆孔相连绳缆7的拉力，同时，将上半模1和下半模2分离开；

S5、取出成形的矩形截面管坯4，将弯曲完成后的矩形截面管坯4中，与前端盖5和后端盖3连接的部分切除，得到成形产品。

本发明装置在弯曲加工剖面圆形的薄壁管材时，无需加入芯棒或填充材料，就能保证管材加工后剖面依旧能保持圆形。并且解决了薄壁管材弯曲中经常出现的弯曲精度不高和存在褶皱的问题。本发明装置中，由于管坯受到模具的限制以及高压液体的共同作用，有效解决了管坯在弯管过程中，弯曲部分的变形不均匀及精度低的问题，为企业减少不必要的损失，为企业创造更高的价值和利益。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其包括半模、端盖、型腔、管坯、内圈和绳缆，其特征在于，

所述半模，其包括上半模和下半模，所述上半模和所述下半模的中间分别设有型腔，所述型腔包括弯曲段型腔和直线段型腔，所述型腔由两半完全相同的半型腔组成，所述弯曲段型腔的第一端和所述直线段型腔的第一端无缝连接；所述端盖，其包括前端盖和后端盖，所述前端盖的第一端和所述管坯的第一端连接，所述前端盖的第二端设有绳缆孔，所述内圈和所述绳缆位于所述弯曲段型腔的内部；

所述内圈的中心设有内圈孔，所述内圈的外圆表面和所述弯曲段型腔相接触，所述前端盖的绳缆孔和所述绳缆的第一端连接，所述绳缆的第二端穿过所述内圈的内圈孔伸出所述弯曲段型腔，所述内圈均匀分布在所述弯曲段型腔的内部，位于所述前端盖第二端的一侧；所述后端盖的第一端和所述管坯的第二端连接，所述后端盖的第二端设有充液入口，所述充液入口和液压泵站连接，所述上半模和所述下半模的外表面均匀分布螺栓槽，所述螺栓位于所述螺栓槽内，将所述上半模和所述下半模结合起来；以及

所述液压泵站通过所述管坯第二端的充液入口向管坯内施加的液体压力按下述表达式确定：

其中，

p为所述管坯内液体的压力，单位为MPa，

D为所述管坯的直径，单位为mm，

t为所述管坯的壁厚，单位为mm，

σ_s为所述管坯材料的屈服应力，单位为MPa。

2.根据权利要求1所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其特征在于，所述半模型腔的中心、所述端盖、所述管坯和所述内圈的中心轴线在同一中心线上。

3.根据权利要求1或者2所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其特征在于，所述前端盖的外径、所述半模的型腔的直径等于或大于所述管坯的外径，所述内圈的内圈孔的直径大于所述绳缆的直径，所述上半模的型腔和所述下半模的型腔合起来的直径和成形管件的直径相同。

4.根据权利要求1所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其特征在于，所述上半模和所述下半模可以通过压机合模或者通过螺栓预紧合模，所述管坯的第一端和第二端分别通过焊接与所述前端盖和所述后端盖连接及密封。

5.根据权利要求1所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其特征在于，施加在前端盖和后端盖的力可有多种组合的方法，拉力-拉力组合、拉力-压力组合或者仅在前端盖端施加拉力。

6.根据权利要求1所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其特征在于，所述管坯和所述型腔的截面可以是圆形、方形、椭圆形或者其他形状的管材。

7.根据权利要求1所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置，其特征在于，所述管坯的弯曲角度可以大于90°也可以小于90°。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的用于薄壁管材充液弯曲成形的装置的成形方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、将要弯曲成形的管件装配体放置在所述下半模的直线段腔段内，并将上半模和下半模通过压机或者螺栓合模；

S2、利用高压泵通过与所述管坯相连的后端盖，向所述管坯内部通入高压液体，然后通过与所述前端盖的绳缆孔相连绳缆施加适当拉力；

S3、根据成形要求，在与所述管坯相连的后端盖施加拉力或推力，所述管坯由直线段型腔逐渐向弯曲段型腔前进，高压液体压力根据成形过程中的需要通过液压控制系统随时进行调节；

S4、所述管坯弯曲结束后，卸掉所述管坯内部液体压力以及与所述前端盖的绳缆孔相连绳缆拉力，同时，将上半模和下半模分离开；

S5、取出成形的管件，将弯曲完成后的管坯中，与前端盖和后端盖连接的部分切除，得到成形产品。

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