CN114682668B - 一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置及方法，以解决现有管材难以在真空环境下实现可靠密封的技术难题。其中，密封装置包括锁紧推头、楔形密封环、内冲头和外冲头。锁紧推头用于抱紧管材端部第一长度段的外壁。楔形密封环用于抱紧管材端部第二长度段的外壁。内冲头用于在管材端部受抱紧力作用而收缩时，支撑管材的端部内壁并与管材的端部内壁密封接触，内冲头具有用于向管材内部通气的第一通道。外冲头具有内孔和与内孔连通的第二通道。第二通道用于向管材内部通气，第二通道与第一通道连通。相比于现有技术，本发明能够实现管材在真空环境下内高压成形时的端部密封，其密封效果好，结构简单，互换性强，工况适用性强。

Description

一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置及方法

技术领域

本发明涉及热流体高压成形技术领域，特别是涉及一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置及方法。

背景技术

热流体高压成形是利用气体作为传力介质在高温下使管件成形的方法，是以适应航空、航天和汽车等领域对结构轻量化的迫切需求而发展起来的先进塑性成形技术，是在传统内高压成形基础上发展起来的。热流体高压成形的基本工艺过程为，将管坯置于已加热的模具型腔内，管端密封后，向其内部通入高压气/液介质，管坯在胀形贴模后获得目标构件。成形模具可置于加热炉内，也可采用加热元件对模具或管坯加热，成形过程通常在大气环境中进行，加热方式主要包括电阻加热、感应加热、电流加热等。由于传统热流体高压成形处于大气环境、成形时间短、密封要求低，密封形式可采用常见的锥形扩口密封和O型密封圈密封。但是，这些传统的密封形式极易发生气/液泄漏失效，已无法满足先进材料更高的成形要求，如高真空度环境、高可靠性密封、超长保温时间等。因此，迫切需要研发新的密封装置以适应多样化的成形工艺需求。

公开号为CN101209471A的专利提出了管材内高压端口密封方式，该方式是在冲头侧壁开两个凹槽，凹槽内添加橡胶密封圈，并且在冲头与管坯接触的端部接触面加工出刃状凸起。在低压情况下，利用橡胶圈进行密封。在高压情况下，刃状凸起插入至管坯中形成刚性密封。其优点是原理简单，具有两级密封装置；缺点是刃状突起在管材卸模时容易造成磨损与变形，冲头的使用寿命低，密封可靠性差。公开号为CN106853473A的专利提出了锯齿形冲头密封方式，该方式是将冲头密封部位设计成N级锯齿状，密封时圆凸台在推力的作用下咬紧管端锥面，使管端锥面发生塑性变形，形成多个刚性密封圈。其优点是在多个止推台的作用下可产生均匀的轴向推力，使补料更加均匀；缺点是由于锯齿状的密封台会给管端锥面处施加剪应力，高温轴向进给时会造成管材密封处发生剪断，使密封的可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置及方法，用于实现管材在真空环境下内高压成形时的端部密封。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置，包括：

锁紧推头，用于抱紧管材端部第一长度段的外壁；

楔形密封环，用于抱紧所述管材端部第二长度段的外壁，所述第二长度段与所述第一长度段互不重叠，所述楔形密封环的外表面包括第一锥面，所述第一锥面的尖端远离所述锁紧推头；

内冲头，用于在所述管材端部受抱紧力作用而收缩时，支撑所述管材的端部内壁并与所述管材的端部内壁密封接触；所述内冲头具有用于伸入所述管材的第一部分和用于伸出所述管材的第二部分，所述内冲头具有用于向所述管材内部通气的第一通道；

外冲头，具有内孔和与所述内孔连通的第二通道；所述内孔由孔口至孔底包括依次设置的第一孔段、第二孔段、第三孔段和第四孔段；所述第一孔段套设在所述锁紧推头外侧，所述第二孔段套设在所述楔形密封环外侧，所述第三孔段用于套设在所述管材的外侧，所述第四孔段套设在所述第二部分的外侧；所述第二孔段具有和所述第一锥面接触的第一压紧部，所述第一压紧部在所述锁紧推头沿轴向挤压所述楔形密封环时，使所述楔形密封环抱紧所述管材的端部外壁；所述第三孔段对所述管材轴向限位；所述第四孔段对所述第二部分轴向限位，并与所述第二部分接触密封；所述第二通道用于向所述管材内部通气，所述第二通道与所述第一通道连通。

优选地，还包括将所述锁紧推头压向所述外冲头的弹性结构。

优选地，所述锁紧推头具有外法兰，所述弹性结构包括杆体、限位块和弹簧，所述杆体沿轴向穿过所述外法兰，所述杆体的第一端与所述外冲头固定相连，所述限位块固定于所述杆体的第二端，所述弹簧套设于所述杆体的外侧，所述弹簧的两端分别与所述限位块和所述外法兰相抵。

优选地，所述锁紧推头的外表面包括第二锥面，所述第二锥面的尖端朝向所述外冲头；所述第一孔段具有和所述第二锥面接触的第二压紧部，所述第二压紧部在所述锁紧推头沿轴向挤压所述外冲头时，使所述锁紧推头抱紧所述管材的端部外壁。

优选地，还包括套设于所述外冲头外侧的加固环，所述加固环与所述外冲头固定相连，所述加固环的轴线与所述内孔的轴线平行。

优选地，所述第二部分的端面具有第一环形槽，所述第一环形槽内设有第一密封圈；所述第二部分的侧面具有第二环形槽，所述第二环形槽内设有第二密封圈。

优选地，所述第一压紧部为与所述第一锥面锥度相同的第三锥面，所述第三锥面与所述第一锥面贴合。

优选地，所述第二压紧部为与所述第二锥面锥度相同的第四锥面，所述第四锥面与所述第二锥面贴合。

优选地，还包括与所述外冲头相连的移动装置，所述移动装置能够沿所述内孔的轴线以及垂直于所述内孔轴线移动所述外冲头。

本发明还公开了一种真空环境下管材热流体高压成形密封方法，使用上述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，包括如下步骤：

在所述管材的端部外侧依次套入所述锁紧推头与所述楔形密封环；

将所述内冲头安装于所述外冲头的内孔中，使所述第二部分与所述第四孔段轴向限位并接触密封；

将所述外冲头与所述管材相互靠近，使所述管材进入所述第三孔段；

将所述锁紧推头与所述外冲头相互靠近，所述楔形密封环在所述锁紧推头的推动下与所述第一压紧部接触，使所述锁紧推头和所述楔形密封环同时抱紧所述管材的端部外壁，所述内冲头与所述管材的端部内壁密封接触。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

在锁紧推头的抱紧力作用下，内冲头上与第一长度段轴向重叠的部分与管材端部内壁之间紧密接触，形成第一重密封。在楔形密封环的抱紧力作用下，内冲头上与第二长度段轴向重叠的部分与管材端部内壁之间紧密接触，形成第二重密封。通过采用双重密封结构，能够降低管材内部高压气体外泄的风险。另外，该密封装置结构简单、互换性强，可在管端变形很小的情况下实现可靠密封，尤其适用于高温高压工况下管端密封。根据工况需求的不同，该密封装置在使用时可先将管材端部密封再对管材中部合模，也可以先对管材中部合模再将管材端部密封，工况适用性强。

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为本实施例真空环境下管材热流体高压成形密封装置在管材端部为圆管时的示意图；

图2为本实施例真空环境下管材热流体高压成形密封装置在管材端部为尖端远离外冲头的锥形管时的示意图；

图3为本实施例真空环境下管材热流体高压成形密封装置在管材端部为尖端朝向外冲头的锥形管时的示意图；

图4为图1省略内冲头后的示意图；

图5为内冲头的示意图；

附图标记说明：1-锁紧推头；2-楔形密封环；3-内冲头；4-外冲头；5-加固环；6-螺钉；7-第一密封圈；8-第二密封圈；9-管材；10-第一长度段；11-第二长度段；12-第一通道；13-第二通道；14-第一孔段；15-第二孔段；16-第三孔段；17-第四孔段；18-第一压紧部；19-第二压紧部。

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真空环境下管材热流体高压成形密封装置及方法，用于实现管材在真空环境下内高压成形时的端部密封。

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。本实施例中，固定可以是可拆卸式固定，例如通过螺钉等紧固件固定；也可以是不可拆卸式固定，例如通过焊接固定。

参照图1～图5，本实施例提供一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置，包括锁紧推头1、楔形密封环2、内冲头3和外冲头4。

其中，锁紧推头1用于抱紧管材9端部第一长度段10的外壁，楔形密封环2用于抱紧管材9端部第二长度段11的外壁，第一长度段10与第二长度段11互不重叠。楔形密封环2的外表面包括第一锥面，第一锥面的尖端远离锁紧推头1。锥面指具有锥度的表面，尖端指锥面的直径最小端。内冲头3用于在管材9端部受抱紧力作用而收缩时，对管材9端部内壁进行支撑并与管材9的端部内壁密封接触。内冲头3具有用于伸入管材9的第一部分和用于伸出管材9的第二部分，内冲头3具有用于向管材9内部通气的第一通道12。外冲头4具有内孔和与内孔连通的第二通道13。内孔由孔口至孔底包括依次设置的第一孔段14、第二孔段15、第三孔段16和第四孔段17。第一孔段14套设在锁紧推头1外侧，第二孔段15套设在楔形密封环2外侧，第三孔段16用于套设在管材9的外侧，第四孔段17套设在第二部分的外侧。第二孔段15具有和第一锥面接触的第一压紧部18，第一压紧部18在锁紧推头1沿轴向挤压楔形密封环2时，使楔形密封环2抱紧管材9的端部外壁。第三孔段16对管材9轴向限位。第四孔段17对第二部分轴向限位，并与第二部分接触密封。第二通道13用于向管材9内部通气，第二通道13与第一通道12连通。

本实施例的真空环境下管材热流体高压成形密封装置(以下简称为密封装置)的工作原理如下：在锁紧推头1的抱紧力作用下，内冲头3上与第一长度段10轴向重叠的部分与管材9端部内壁之间紧密接触，形成第一重密封。在楔形密封环2的抱紧力作用下，内冲头3上与第二长度段11轴向重叠的部分与管材9端部内壁之间紧密接触，形成第二重密封。本实施例的密封装置通过采用双重密封结构，能够降低管材9内部高压气体外泄的风险。另外，该密封装置结构简单、互换性强，可在管端变形很小的情况下实现可靠密封，尤其适用于高温高压工况下管端密封。根据工况需求的不同，使用时可先将管材9端部密封再对管材9中部合模，也可以先对管材9中部合模再将管材9端部密封，工况适用性强。

使锁紧推头1沿轴向挤压楔形密封环2的方式有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

例如，对管材9中部合模的模具包括上模具和下模具，可以使锁紧推头1远离外冲头4的一端与下模具相抵，然后将外冲头4推向下模具。管材9无补料胀形成形时，可采用这种挤压方式。

又例如，该密封装置还包括将锁紧推头1压向外冲头4的弹性结构。作为一种可能的实施方式，弹性结构可以是拉簧，拉簧的两端分别连接锁紧推头1和外冲头4，拉簧将锁紧推头1拉向外冲头4。作为又一种可能的实施方式，锁紧推头1具有外法兰，弹性结构包括杆体、限位块和弹簧。杆体沿轴向穿过外法兰，杆体的第一端与外冲头4固定相连，限位块固定于杆体的第二端。弹簧套设于杆体的外侧，弹簧的两端分别与限位块和外法兰相抵，弹簧将锁紧推头1压向外冲头4，限位块可以是与杆体螺纹连接的螺母。当管材9轴向补料成形时，锁紧推头1朝向模具运动，可采用这种挤压方式。

使锁紧推头1抱紧第一长度段10的方式有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

例如，参照图2，当管材9端部为锥形管，且锥形管的尖端朝向远离外冲头4的一侧时，锁紧推头1沿靠近外冲头4的方向运动即可抱紧第一长度段10，不需要第一长度段10对锁紧推头1施加抱紧力。

又例如，参照图1、图3，当管材9端部为圆管时，或管材9端部为锥形管，且锥形管的尖端朝向靠近外冲头4的一侧时，需要第一长度段10对锁紧推头1施加抱紧力。作为一种可能的实施方式，锁紧推头1的外表面包括第二锥面，第二锥面的尖端朝向外冲头4。第一孔段14具有和第二锥面接触的第二压紧部19，第二压紧部19在锁紧推头1沿轴向挤压外冲头4时，使锁紧推头1抱紧管材9的端部外壁。

参照图1～图3，为了避免外冲头4胀裂，还包括套设于外冲头4外侧的加固环5，加固环5与外冲头4固定相连，加固环5的轴线与内孔的轴线平行。加固环5可起到箍紧外冲头4的作用，避免外冲头4胀裂，延长外冲头4的使用寿命。

第四孔段17与第二部分的接触密封方式有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。参照图1～图3，本实施例中，第二部分的端面具有第一环形槽，第一环形槽内设有第一密封圈7。第二部分的侧面具有第二环形槽，第二环形槽内设有第二密封圈8。通过第一密封圈7和第二密封圈8实现双重密封，避免通过第二通道13和第一通道12向管材9内部充入高压气体时，高压气体从内冲头3与外冲头4之间的缝隙处泄漏至管材9外。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可选择其它数量的密封圈。

参照图1～图3，本实施例中，第一压紧部18为与第一锥面锥度相同的第三锥面，第三锥面与第一锥面贴合。第二压紧部19为与第二锥面锥度相同的第四锥面，第四锥面与第二锥面贴合。然而，实际实施方式不限于此，只要第一压紧部18能够对第一锥面施加压力，第二压紧部19能够对第二锥面施加压力即可。例如，第一压紧部18和第二压紧部19可以是与内孔同轴的环形凸缘。

需要说明的是，本实施例中，第一锥面的锥度大于第二锥面的锥度，楔形密封环2与管材9的接触面积小于锁紧推头1与管材9的接触面积，以使楔形密封环2对管材9施加压力的压强大于锁紧推头1对管材9施加压力的压强。

在完成管材9端部的密封后的管材9成形过程中，有时需要模具与该密封装置有一定的轴向相对位移和径向相对位移(轴向和径向以内孔为基准)。例如，当管材9轴向补料成形时，模具与该密封装置有一定的轴向相对位移；管材9压弯成形时，模具与该密封装置有一定的径向相对位移。为了便于实现这种位置关系的变化，本实施例的密封装置还包括与外冲头4相连的移动装置，移动装置能够沿内孔的轴线以及垂直于内孔轴线移动外冲头4。

本实施例还提供一种真空环境下管材热流体高压成形密封方法，使用上述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，包括如下步骤：

在管材9的端部外侧依次套入锁紧推头1与楔形密封环2。

将内冲头3安装于外冲头4的内孔中，使第二部分与第四孔段17轴向限位并接触密封。

将外冲头4与管材9相互靠近，使管材9进入第三孔段16。

将锁紧推头1与外冲头4相互靠近，楔形密封环2在锁紧推头1的推动下与第一压紧部18接触，使锁紧推头1和楔形密封环2同时抱紧管材9的端部外壁，内冲头3与管材9的端部内壁密封接触。至此，实现管材9端部的密封。之后，可以进行后续的管材成形工艺过程。由于管材9在真空环境下内高压成形的工艺过程为本领域的公知常识，故此处不再赘述。

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 (9)

1.一种真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，包括：

锁紧推头，用于抱紧管材端部第一长度段的外壁；

楔形密封环，用于抱紧所述管材端部第二长度段的外壁，所述第二长度段与所述第一长度段互不重叠，所述楔形密封环的外表面包括第一锥面，所述第一锥面的尖端远离所述锁紧推头；

内冲头，用于在所述管材端部受抱紧力作用而收缩时，支撑所述管材的端部内壁并与所述管材的端部内壁密封接触；所述内冲头具有用于伸入所述管材的第一部分和用于伸出所述管材的第二部分，所述内冲头具有用于向所述管材内部通气的第一通道；

外冲头，具有内孔和与所述内孔连通的第二通道；所述内孔由孔口至孔底包括依次设置的第一孔段、第二孔段、第三孔段和第四孔段；所述第一孔段套设在所述锁紧推头外侧，所述第二孔段套设在所述楔形密封环外侧，所述第三孔段用于套设在所述管材的外侧，所述第四孔段套设在所述第二部分的外侧；所述第二孔段具有和所述第一锥面接触的第一压紧部，所述第一压紧部在所述锁紧推头沿轴向挤压所述楔形密封环时，使所述楔形密封环抱紧所述管材的端部外壁；所述第三孔段对所述管材轴向限位；所述第四孔段对所述第二部分轴向限位，并与所述第二部分接触密封；所述第二通道用于向所述管材内部通气，所述第二通道与所述第一通道连通；

所述第二部分的端面具有第一环形槽，所述第一环形槽内设有第一密封圈；所述第二部分的侧面具有第二环形槽，所述第二环形槽内设有第二密封圈。

2.根据权利要求1所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，还包括将所述锁紧推头压向所述外冲头的弹性结构。

3.根据权利要求2所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，所述锁紧推头具有外法兰，所述弹性结构包括杆体、限位块和弹簧，所述杆体沿轴向穿过所述外法兰，所述杆体的第一端与所述外冲头固定相连，所述限位块固定于所述杆体的第二端，所述弹簧套设于所述杆体的外侧，所述弹簧的两端分别与所述限位块和所述外法兰相抵。

4.根据权利要求1所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，所述锁紧推头的外表面包括第二锥面，所述第二锥面的尖端朝向所述外冲头；所述第一孔段具有和所述第二锥面接触的第二压紧部，所述第二压紧部在所述锁紧推头沿轴向挤压所述外冲头时，使所述锁紧推头抱紧所述管材的端部外壁。

5.根据权利要求1所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，还包括套设于所述外冲头外侧的加固环，所述加固环与所述外冲头固定相连，所述加固环的轴线与所述内孔的轴线平行。

6.根据权利要求1所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，所述第一压紧部为与所述第一锥面锥度相同的第三锥面，所述第三锥面与所述第一锥面贴合。

7.根据权利要求4所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，所述第二压紧部为与所述第二锥面锥度相同的第四锥面，所述第四锥面与所述第二锥面贴合。

8.根据权利要求1所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，还包括与所述外冲头相连的移动装置，所述移动装置能够沿所述内孔的轴线以及垂直于所述内孔轴线移动所述外冲头。

9.一种真空环境下管材热流体高压成形密封方法，使用如权利要求1-7任意一项所述的真空环境下管材热流体高压成形密封装置，其特征在于，包括如下步骤：

在所述管材的端部外侧依次套入所述锁紧推头与所述楔形密封环；

将所述内冲头安装于所述外冲头的内孔中，使所述第二部分与所述第四孔段轴向限位并接触密封；

将所述外冲头与所述管材相互靠近，使所述管材进入所述第三孔段；

将所述锁紧推头与所述外冲头相互靠近，所述楔形密封环在所述锁紧推头的推动下与所述第一压紧部接触，使所述锁紧推头和所述楔形密封环同时抱紧所述管材的端部外壁，所述内冲头与所述管材的端部内壁密封接触。

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