CN113732156B - 带自锁机构的大膨胀比变径薄壁管成形模具及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带自锁机构的大膨胀比变径薄壁管成形模具及其方法，自锁机构的锁杆安装在推块上，自锁机构的限位杆安装在固定快上，自锁机构的锁块安装在滑动块上锁杆与限位杆之间；成形开始之前，下模推块与滑动块之间保持间距L1，与锁块和锁杆凹槽部位的距离相同，滑动块与固定块之间保持间距L2，与推压成型部分的补料量相同，下模推块、滑动块、固定块滑动安装在下模架上，在自锁机构的限制下能够在下模架上按照预设的距离进行先后的动作；在模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别依次设置间距，自锁机构不仅可以保证模具成型的运动顺序，还可以为大膨胀比变径管的成型提供稳定的补料间隙，完成内压的提升并作为支撑。
Description
技术领域
本发明属于金属空心构件先进制造技术领域，特别涉及带自锁机构的大膨胀比变径薄壁管成形模具及其方法。
背景技术
大膨胀比变径薄壁管广泛应用于航空、航天和汽车等制造业领域。对于空心大膨胀比构件，传统制造工艺一般为先冲压成形两个半片再焊接成整体或管材缩径成形。内高压成形特点是可以一次整体成形出沿构件轴线截面有变化的空心构件。
目前用于大膨胀比变径管工艺有冲压成形两个半片再拼焊成整体，或用管材经过多次缩径后再进行局部旋压或者机械成形的方法。但以上传统成形技术在实际生产成形中均有以下问题：
(1)传统的封闭变截面管状零件,除了采用若干不同直径的管件焊接成形外,主要采用冲压的方法制造,首先将2片板材分别冲压成2个槽型半壳,然后通过焊接的方法焊接到一起,这种工艺需要很多工序,装配工艺复杂,生产周期长,不仅占用很多人力、物力资源,而且会导致零件的重量增加。为了减少焊接变形，一般采用点焊，因此得到的不是封闭的截面。由于焊点的存在，零件结构的疲劳性能低，材料利用率低，综合生产成本高等缺点。
(2)管形件缩径工艺是一种将管坯的口部直径缩小的成形方法。管形件的口部缩径成形机理是通过施加压力作用在需要缩径的口部部分，使其产生压缩变形，从而实现径向尺寸缩小，成形达到所需的零件外形尺寸的目的。根据工艺方法的不同，通常可以将管形件缩径工艺分为冲压、冲击、旋压等三类缩口方式，又根据加工时是否对管坯进行加热，分为常温和加热两种成形工艺。
上述三种缩径方式，在缩口成形中可以将管坯分为传力区、变形区。模具的作用力通过传力区进行传递，在成形过程中传力区主要受到轴向压应力的作用，轴向压应力过大容易引起失稳变形。且大膨胀比变径管通过缩径工艺，虽然能实现变径管成形，但是工艺局限性较大，且经过多次缩径后，构件壁厚增厚明显且应力集中表现明显，为了实现径差变化，还需要经过多次消应力退火工艺，生产周期长,不仅占用很多人力、物力资源,而且会导致零件的重量增加、构件表面质量差等缺点。
(3)为了达到汽车轻量化的目标,用内高压成形的方法使汽车零部件具有设计更加灵活,零部件强度提高,强重比(材料的强度和重量的比例)提高,弯曲刚度和扭转刚度提高,防撞性能更好等优点。同时内高压成形技术减少了工序,降低了设备费用,提高了零件整体性,在保证使用性能的基础上降低了零件的重量,降低了汽车自身重量,达到节能、减排、节省资源的目的。
所以对于大膨胀比变径管的成形，由于传统技术的局限性，特别对于截面周长差异巨大的变径管，及本发明中构件局部小圆角的凸台成形，传统加工办法已经无法获得合格的制件，大膨胀比变径薄壁管一模两件整体成形一直是困扰管材成形的一个难题。
发明内容
现有的大膨胀比变径管成形技术，无法满足复杂的大膨胀比变径薄壁管的一模两件整体成形的需要。本发明针对现有技术的弊端，提出了带自锁机构的大膨胀比变径薄壁管成形模具及其方法。针对飞机、航天器和汽车领域所需的具有大膨胀比变径薄壁管的零件，采用新的综合制造方法能够制造高质量的零件，有效地解决了实际应用中的大膨胀比变径薄壁管成形困难、成形质量不高的问题。
本发明的技术方案如下：
带自锁机构的大膨胀比变径薄壁管成形模具，包括上模和下模，上模包括推块(2)，滑动块(3)，固定块(4)和自锁机构(14)，各模块的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔(15)，成形开始之前，推块(2)与滑动块(3)之间保持间距L1，滑动块(3)与固定块(4)之间保持间距L2，推块(2)，滑动块(3)，固定块(4)滑动安装在上模架(1)上，能够在上模架(1)上滑动开合；下模同样包括推块(2)、滑动块(3)、固定块(4)，推块(2)、滑动块(3)、固定块(4)的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔(16)，自锁机构的锁杆(17)安装在推块(2)上，自锁机构的限位杆(19)安装在固定快(4)上，自锁机构的锁块(18)安装在滑动块(3)上锁杆与限位杆之间；成形开始之前，下模推块(2)与滑动块(3)之间保持间距L1，与锁块(18)和锁杆(17)凹槽部位的距离相同，滑动块(3)与固定块(4)之间保持间距L2，与推压成型部分的补料量相同，下模推块(2)、滑动块(3)、固定块(4)滑动安装在下模架(7)上，在自锁机构的限制下能够在下模架(7)上按照预设的距离进行先后的动作；在模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别依次设置间距；模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别设置在上模块和下模块上。
所述的成形模具，自锁机构(14)包括锁杆(17)、两个锁块(18)、限位杆(19)；锁杆(17)一端固定在推块(2)中，锁杆(17)的另一端设置凸台，该凸台由两个平行于锁杆主轴的平面形成，该两个平面之间的距离较锁杆(17)中部杆体较大，并在该凸台和锁杆(17)中部杆体之间形成凹槽(20)，锁杆(17)主体穿过滑动块(3)中设置的通孔，相应的该通孔的直径一端较大，用于容纳所述凸台在其中自由运动，两个锁块(18)为圆柱体结构，两个锁块(18)插入滑动块(3)中设置的两个竖直通孔内，锁块(18)一端与所述凸台的上表面抵触，另一端突出该竖直通孔后与限位杆(19)相抵触；限位杆(19)为截面呈U型的结构，U型底部固定在固定块(4)内，U型的两翼插入设置在滑动块(3)上的与该两翼形状相配合的沉孔中，U型的两翼能够在沉孔中自由活动；U型的两翼的末端内侧设置有与锁块(18)另一端相配合的凹陷部位，锁块(18)的另一端突出上述竖直通孔后与限位杆(19)的该凹陷部位相抵触，从而使得锁块(18)和限位杆(19)之间不发生相对运动，进而滑动块(3)和固定块(4)之间也不发生相对运动；当推块(2)向前滑动至与滑动块(3)之间间距为0，此时锁块(18)在限位杆(19)凹陷部位对其产生的向下分力作用下进入凹槽(20)中，锁块(18)与限位杆(19)之间的抵触干涉消失，锁块(18)和限位杆(19)之间发生相对运动，进而推块(2)和滑动块(3)一起向固定块(4)靠近，限位杆(19)的两翼插入滑动块(3)的沉孔中。
所述的成形模具，所述成形模具为一模两件整体成形模具，相应的所述推块(2)、滑动块(3)、固定块(4)和自锁机构(14)沿着模具型腔轴向对称的设置为两组。
所述的成形模具，还包括密封冲头(5)、增压冲头(9)、油缸(6)，密封冲头(5)和增压冲头(9)设置在模具的左右两端，密封冲头(5)和增压冲头(9)在油缸(6)推力作用下向前推进，密封冲头(5)和增压冲头(9)上的推盘与推块(2)接触后会继续推动上模和下模的左右两端的推块(2)向前滑动，在与滑动块(3)接触时，自锁机构(14)打开，推块(2)与滑动块(3)一起向前滑动，直到与固定块(4)贴合；密封冲头(5)和增压冲头(9)对管材两端进行密封，增压冲头(9)能够向管材内部填充乳化液实施增压。
所述的成形模具，模具在管件膨胀量稍大的地方设置了推块(2)与滑动块(3)的间距L1，之间用短拉杆(10)连接，并用氮气弹簧(11)支撑，在管坯膨胀量最大的地方，在滑动块(3)与固定块(4)之间设置间距L2，推块(2)、滑动块(3)与固定块(4)之间用自锁机构(14)连接，在滑动块(3)上安装有定位导柱(13)，使上下模的滑动块(3)在闭合后向前移动过程中保持一致，左侧密封冲头(5)和右侧增压冲头(9)分别安装在左右油缸(6)上。
根据所述成形模具的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将管坯放入模具型腔，上模下降与下模贴合，进行快速填充，填充结束后进行密封；
第二步，密封后，增压器开始增压，达到一定初始压力后，左右油缸进行进给，推动上模、下模水平方向滑动，完成第一段L1间隙的闭合，此过程L2间隙是保持不变的；
第三步，L1间隙闭合后，自锁结构打开，左右油缸继续进给，使L2间隙完全闭合，在有管内压的支撑下完成管件驼峰处的挤压成形。
第四步，卸压、将密封冲头和增压冲头后退至预设位置后开启模具，取出成形的零件。
本发明的有益效果：
(1)传统的内高压胀形主要是依靠轴向进给和内压力成形，仅仅依靠轴向进给和内压力使得大胀形比管件的成形能力具有局限性。在内高压成形过程加入滑动模具可以减小摩擦力对管坯材料流动的影响，可以直接推动管坯材料向胀形区中间流动，提高膨胀率管件的成形能力。
(2)滑动模具中的滑动模具减少了管坯与固定模具之间的直接接触面积，避免了补料区管坯与模具之间摩擦力的影响，同时可在管坯胀起一定高度后，由滑动模具直接推动管坯材料，提高管件成形过程中材料的流动性，有利于向成形区补料，有效避免了胀形区因过度减薄而破裂的缺陷。
(3)在具有合理加载路径的情况下，滑动模具位移的控制及内压力的匹配对管件成形也是至关重要的，当内压力过高时，管件成型区两端高度会高于成型区中间部位，会形成咬边缺陷；当内压力过低时，由于控制模对管壁的负载过大，成形区出现材料塌陷、屈曲等缺陷。
(4)本发明为大膨胀比变径薄壁管的成形提供了一种新的模具和成形方法；克服了此类空心制件无法整体成形的困难。尤其是驼峰形状位置的成型，在模块之间加入了自锁机构，在前端模具推动时可以使管内预先产生一定压力，管子在压力的作用下产生一定的膨胀，再用液压作为支撑，模具闭合推压成型。
(5)在大膨胀比变径管的成型模具中加入自锁机构，可以对大膨胀比变径管在成型过程中起到分段补料的作用。根据大膨胀比变径管的外形特征，需要在第一段成型补料时，第二段是不动的，只有当第一段补料完成第二段补料才开始，自锁机构的使用正好解决了这一难点。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明典型大膨胀比变径薄壁管内高压成形模具原理示意图；
图3为本发明典型大膨胀比变径薄壁管内高压成型模具上模结构示意图；
图4为本发明典型大膨胀比变径薄壁管内高压成型模具下模结构示意图；
图5为本发明典型大膨胀比变径薄壁管内高压成型模具自锁机构示意图；
图6为大膨胀比变径薄壁管一模两件示意图；
图7为经过切割加工后的大膨胀比变径薄壁管单件；
图8为驼峰形状推压成型过程；
1上模架，2推块，3滑动块，4固定块，5密封冲头，6油缸，7下模架，8管坯，9增压冲头，10短拉杆，11氮气弹簧，12长拉杆，13定位导柱，14自锁机构，15上模具型腔，16下模具型腔，17锁杆，18锁块，19限位杆，20凹槽；
具体实施方式
下面通过具体的实施例子，详细说明大膨胀比变径薄壁管构件综合制造工艺。
一种大膨胀比变径薄壁管的一模两件整体成形模具，包括上模和下模，上模包括推块2，滑动块3，固定块4和自锁机构，各模块的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔15，成形开始之前，推块2与滑动块3之间保持间距L1，滑动块3与固定块4之间保持间距L2，推块2，滑动块3，固定块4滑动安装在上模架1上，能够在上模架1上滑动开合；下模同样包括推块2、滑动块3、固定块4，推块2、滑动块3、固定块4的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔16，自锁机构的锁杆17安装在推块2上，自锁机构的限位杆19安装在固定快4上，自锁机构的锁块18安装在滑动块3上锁杆与限位杆之间。成形开始之前，下模推块2与滑动块3之间保持间距L1，与锁块18和锁杆17凹槽部位的距离相同，滑动块3与固定块4之间保持间距L2，与推压成型部分的补料量相同，下模推块2、滑动块3、固定块4滑动安装在下模架7上，在自锁机构的限制下能够在下模架7上按照预设的距离进行先后的动作；在模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别依次设置间距；模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别设置在上模块和下模块上。
所述的一种大膨胀比变径薄壁管的一模多件整体成形模具，还包括密封冲头5、增压冲头9、油缸6，密封冲头5和增压冲头9设置在模具的左右两端，密封冲头5和增压冲头9在油缸6推力作用下向前推进，密封冲头5和增压冲头9的前端分别为密封塞头和增压塞头，后端为推盘，密封塞头和增压塞头首先插入管坯中完成对管坯的密封，然后推盘与推块2接触，推盘继续推动上模和下模的左右两端的推块2向前滑动，在与滑动块3接触时，因预设的L1尺寸与锁块18距锁杆17凹槽部位20的距离相同，锁块18会在分力作用下滑到锁杆17的凹槽20内，锁块18不再与限位杆19干涉，自锁机构14打开，推块2与滑动块3一起向前滑动，直到与固定块4贴合；密封冲头5和增压冲头9对管材两端进行密封，增压冲头9能够向管材内部填充乳化液实施增压。
一模两件模具在管件膨胀量稍大的地方设置了推块2与滑动块3的间距L1，之间用短拉杆10连接，并用氮气弹簧11支撑，在管坯膨胀量最大的地方，在滑动块3与固定块4之间设置间距L2，推块2、滑动块3与固定块4之间用自锁机构14连接，在滑动块3上安装有定位导柱13，定位导柱13可以使上下模的滑动块3在闭合后向前移动过程中保持一致，左侧密封冲头5和右侧增压冲头9分别安装在左右油缸6上。
自锁机构14包括锁杆17、两个锁块18、限位杆19；锁杆17一端固定在推块2中，锁杆17的另一端设置凸台，该凸台由两个平行于锁杆主轴的平面形成，该两个平面之间的距离较锁杆17中部杆体较大，并在该凸台和锁杆17中部杆体之间形成凹槽20，锁杆17主体穿过滑动块3中设置的通孔，相应的该通孔的直径一端较大，用于容纳所述凸台在其中自由运动，两个锁块18为圆柱体结构，两个锁块18插入滑动块3中设置的两个竖直通孔内，锁块18一端与所述凸台的上表面抵触，另一端突出该竖直通孔后与限位杆19相抵触；限位杆19为截面呈U型的结构，U型底部固定在固定块4内，U型的两翼插入设置在滑动块3上的与该两翼形状相配合的沉孔中，U型的两翼能够在沉孔中自由活动；U型的两翼的末端内侧设置有与锁块18另一端相配合的凹陷部位，锁块18的另一端突出上述竖直通孔后与限位杆19的该凹陷部位相抵触，从而使得锁块18和限位杆19之间不发生相对运动，进而滑动块3和固定块4之间也不发生相对运动，如图5b所示。
当推块2向前滑动至与滑动块3之间间距为0，此时锁块18在限位杆19凹陷部位对其产生的向下分力作用下进入凹槽20中，锁块18与限位杆19之间的抵触干涉消失，锁块18和限位杆19之间发生相对运动，进而推块2和滑动块3一起向固定块4靠近，如图5b所示，限位杆19的两翼插入滑动块3的沉孔中。
左右油缸6推动模具左右两端推块2向前滑动，参考图5b，此时锁块18的另一端与限位杆19的凹陷部位相抵触，滑动块3与固定块4之间无相对运动，当推块2与滑动块接触时，自锁机构打开，推块与滑动块一起向模具中间滑动，滑动块与固定块贴合时，位移完成。参考图5c，在油缸6带动下左右两端推块2后退时，因为自锁机构的锁块18与锁杆17处于干涉状态，将推块2与滑动块3锁紧，所以推块2与滑动块3一起向外滑动，滑动块3与固定块4分离，到达设定尺寸后，自锁机构的锁块18会在向上分力的作用下将锁块18推到限位杆19的凹槽内，推块与滑动块打开，滑动块不动，推块继续向外滑动，直到初始位置停止。
实施例
第一步，将长1050mm、直径104mm、壁厚2mm的441铁素体不锈钢钢管置于下模具型腔中，上模下落，与下模合模，此时填充乳化液并向前移动密封冲头与增压冲头，直到与管材端口贴合达到密封效果；
第二步，管材密封后，增压器开始增压，达到一定初始压力后，左右油缸进行进给，推动推块前进直到与滑动块贴合，完成第一段位置的涨型补料，此时推块与滑动块间的距离L1为0；
第三步，左右油缸继续进给，自锁机构打开，推块与滑动块一起向前滑动，在推力的作用下与固定块贴合，内压支撑推压出驼峰形状，完成第二段位置的补料，此时滑动块与固定块间的距离L2为0，此时增压器开始增压，在管材内腔增压的作用下，使管坯贴合在模具型腔表面实现内高压成形；
第四步，卸压、将密封冲头和增压冲头后退至预设位置后打开上模，取出成形的管件，得到管材最大直径174mm、平均壁厚1.8mm左右的大膨胀比变径薄壁管件，经过后续工序的加工，可以获得最终产品零件；
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.带自锁机构的大膨胀比变径薄壁管成形模具，其特征在于，包括上模和下模，上模包括推块（2），滑动块（3），固定块（4）和自锁机构（14），各模块的内表面构成模具型腔的上半部分即上模具型腔（15），成形开始之前，推块（2）与滑动块（3）之间保持间距L1，滑动块（3）与固定块（4）之间保持间距L2，推块（2），滑动块（3），固定块（4）滑动安装在上模架（1）上，能够在上模架（1）上滑动开合；下模同样包括推块（2）、滑动块（3）、固定块（4），推块（2）、滑动块（3）、固定块（4）的内表面构成模具型腔的下半部分即下模具型腔（16），自锁机构的锁杆（17）安装在推块（2）上，自锁机构的限位杆（19）安装在固定块（4）上，自锁机构的锁块（18）安装在滑动块（3）上锁杆与限位杆之间；成形开始之前，下模推块（2）与滑动块（3）之间保持间距L1，与锁块（18）和锁杆（17）凹槽部位的距离相同，滑动块（3）与固定块（4）之间保持间距L2，与推压成型部分的补料量相同，下模推块（2）、滑动块（3）、固定块（4）滑动安装在下模架（7）上，在自锁机构的限制下能够在下模架（7）上按照预设的距离进行先后的动作；在模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别依次设置间距；模具型腔上对应大膨胀比变径管单件的最大膨胀量位置分别设置在上模块和下模块上；自锁机构（14）包括锁杆（17）、两个锁块（18）、限位杆（19）；锁杆（17）一端固定在推块（2）中，锁杆（17）的另一端设置凸台，该凸台由两个平行于锁杆主轴的平面形成，该两个平面之间的距离较锁杆（17）中部杆体较大，并在该凸台和锁杆（17）中部杆体之间形成凹槽（20），锁杆（17）主体穿过滑动块（3）中设置的通孔，相应的该通孔的直径一端较大，用于容纳所述凸台在其中自由运动，两个锁块（18）为圆柱体结构，两个锁块（18）插入滑动块（3）中设置的两个竖直通孔内，锁块（18）一端与所述凸台的上表面抵触，另一端突出该竖直通孔后与限位杆（19）相抵触；限位杆（19）为截面呈U型的结构，U型底部固定在固定块（4）内，U型的两翼插入设置在滑动块（3）上的与该两翼形状相配合的沉孔中，U型的两翼能够在沉孔中自由活动；U型的两翼的末端内侧设置有与锁块（18）另一端相配合的凹陷部位，锁块（18）的另一端突出上述竖直通孔后与限位杆（19）的该凹陷部位相抵触，从而使得锁块（18）和限位杆（19）之间不发生相对运动，进而滑动块（3）和固定块（4）之间也不发生相对运动；当推块（2）向前滑动至与滑动块（3）之间间距为0，此时锁块（18）在限位杆（19）凹陷部位对其产生的向下分力作用下进入凹槽（20）中，锁块（18）与限位杆（19）之间的抵触干涉消失，锁块（18）和限位杆（19）之间发生相对运动，进而推块（2）和滑动块（3）一起向固定块（4）靠近，限位杆（19）的两翼插入滑动块（3）的沉孔中。
2.根据权利要求1所述的成形模具，其特征在于，所述成形模具为一模两件整体成形模具，相应的所述推块（2）、滑动块（3）、固定块（4）和自锁机构（14）沿着模具型腔轴向对称的设置为两组。
3.根据权利要求2所述的成形模具，其特征在于，还包括密封冲头（5）、增压冲头（9）、油缸（6），密封冲头（5）和增压冲头（9）设置在模具的左右两端，密封冲头（5）和增压冲头（9）在油缸（6）推力作用下向前推进，密封冲头（5）和增压冲头（9）上的推盘与推块（2）接触后会继续推动上模和下模的左右两端的推块（2）向前滑动，在与滑动块（3）接触时，自锁机构（14）打开，推块（2）与滑动块（3）一起向前滑动，直到与固定块（4）贴合；密封冲头（5）和增压冲头（9）对管材两端进行密封，增压冲头（9）能够向管材内部填充乳化液实施增压。
4.根据权利要求1所述的成形模具，其特征在于，模具在管件膨胀量稍大的地方设置了推块（2）与滑动块（3）的间距L1，之间用短拉杆（10）连接，并用氮气弹簧（11）支撑，在管坯膨胀量最大的地方，在滑动块（3）与固定块（4）之间设置间距L2，推块（2）、滑动块（3）与固定块（4）之间用自锁机构（14）连接，在滑动块（3）上安装有定位导柱（13），使上下模的滑动块（3）在闭合后向前移动过程中保持一致，左侧密封冲头（5）和右侧增压冲头（9）分别安装在左右油缸（6）上。
5.根据权利要求1-4任一所述成形模具的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将管坯放入模具型腔，上模下降与下模贴合，进行快速填充，填充结束后进行密封；
第二步，密封后，增压器开始增压，达到一定初始压力后，左右油缸进行进给，推动上模、下模水平方向滑动，完成第一段L1间隙的闭合，此过程L2间隙是保持不变的；
第三步，L1间隙闭合后，自锁结构打开，左右油缸继续进给，使L2间隙完全闭合，在有管内压的支撑下完成管件驼峰处的挤压成形；
第四步，卸压、将密封冲头和增压冲头后退至预设位置后开启模具，取出成形的零件。
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