CN114700388A - 一种用于薄壁多通复合管件的成形方法 - Google Patents

一种用于薄壁多通复合管件的成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及管道制造技术领域，特别是涉及一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，包括以下步骤：S1：设计板坯轮廓形状尺寸，得到曲线轮廓双层板坯；S2：将双层板坯卷曲成横截面非封闭的双层开式筒坯；S3：将双层开式筒坯充液预成形，实现非搭接区域内外层表面的一次复合，得到双层预制筒坯；S4：沿直线去除双层开式筒坯的余料并焊接，得到截面封闭的双层预制管坯；S5：内压整形，完成内外层表面的二次复合，获得最终的薄壁多通复合管件。本发明可以达到制造出大径厚比、壁厚分布均匀、支管高度较大、成形精度高的薄壁多通复合管件的目的。

Description

一种用于薄壁多通复合管件的成形方法
技术领域
本发明涉及管道制造技术领域，特别是涉及一种用于薄壁多通复合管件的成形方法。
背景技术
复合管是通过内外两层或多层材料通过变形和连接实现结合的方式所构成的管材。与单层管相比，复合管件可以在减少贵重金属使用量的前提下最大程度上发挥各材料的特性，实现节省材料、节约成本的同时还具有较高的承载能力和耐腐蚀性等其他很多优良性能，具备单层管无法实现的综合特性。
多通管件是管道系统中的重要构件，用于改变流体流动方向，广泛应用在航天航空、船舶、石油、化工及各种机械行业中。多通管按结构形式分为T型三通管、Y型三通管、四通管和六通管等。内高压成形是制造薄壁多通复合管件的一种重要的整体化成形技术，其原理是通过管材内部的高压液体介质的局部胀形与管件两端左右冲头和中间冲头压力的协同作用，实现多通管件的成形与复合，具有减轻管件质量、降低模具费用、提高构件强度和刚度、材料利用率高、成形尺寸精度高等优点。
目前，国内外已开展了铜/铝、不锈钢/碳钢、铜/黄铜以及钛/铝等多通复合管件内高压成形研究。其中，成形件支管高度是多通管内高压成形的一项重要指标。常温下，对于径厚比(外径与厚度之比)≤50的单层多通管件内高压成形，T型三通管的支管高度可以达到1倍原始管径，Y型三通管的支管高度可以达到0.75倍原始管径。然而，出于轻量化的考虑，要求多通管具有更小的壁厚和更大的径厚比，导致了成形工艺窗口越来越窄，通过增加轴向补料、内外压复合加载等方式使支管高度增加的难度大幅提升。尤其对于复合管成形，在内外层管材表面间的摩擦作用下，支管部分壁厚减薄率增加，更容易产生开裂，成形支管高度相比于单层管要有所降低，并且复合管的材料流动比单层管困难，故更易出现失稳起皱缺陷，成形难度进一步增大。
较高的成形温度可以显著提高管材的塑性，从而提高管材成形极限。然而高温下管材与模具间摩擦系数增大、硬化指数降低，导致变形均匀性较差，同时还存在组织性能控制和表面质量等问题，此外，在高温环境下对压力的控制、密封等要求都极为苛刻，提高制造成本。而在超低温条件下，铝合金和纯铜等材料的塑性显著提升，但是钛合金等材料的塑性提高却极为有限，且材料强度增加，将导致成形压力升高，对成形设备和模具的要求更高。同时，超低温条件下材料的弹性模量显著提升，回弹增大，影响管件成形精度。
综上所述，随着当前技术发展对多通复合管件提出了更高的需求，现有成形技术已难以成形大径厚比、壁厚分布均匀、支管高度大、成形精度高的薄壁多通复合管件，因此亟需一种用于薄壁多通复合管件的成形方法来解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，以解决上述问题，达到制造出大径厚比、壁厚分布均匀、支管高度较大、成形精度高的薄壁多通复合管件的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，包括以下步骤：
S1制备板坯：设计板坯轮廓形状尺寸，得到曲线轮廓双层板坯；
S2板坯卷曲：将所述曲线轮廓双层板坯卷曲成带有搭接区域、横截面非封闭的双层开式筒坯；
S3预成形复合：对所述双层开式筒坯进行充液预成形，实现非搭接区域内外层表面的一次复合，得到形状和尺寸接近目标管件的双层预制筒坯；
S4切割焊接：沿直线去除所述双层预制筒坯的余料并焊接，得到截面封闭的双层预制管坯；
S5整形复合：将所述双层预制管坯在内压作用下整形，完成内外层表面整体的二次复合，获得最终的薄壁多通复合管件。
优选的，所述S1中获得所述曲线轮廓双层板坯的方法为：提取目标管件各截面周长变化曲线并增加适宜的余量，得到与周长变化曲线趋势相一致的轴对称板坯轮廓形状，按轮廓曲线将双层板坯进行线切割，得到所述曲线轮廓双层板坯。
优选的，在所述S3中，对所述双层开式筒坯内置入具有高弹性的自密封变形体，向所述自密封变形体内通入高压液体介质，所述自密封变形体将内压传递给所述双层开式筒坯，使所述双层开式筒坯能够沿环向展开并沿径向膨胀，并通过内压实现非搭接区域内外层表面的一次复合，得到形状和尺寸与目标管件基本一致的所述双层预制筒坯。
优选的，在所述S4中，对所述双层预制筒坯上的搭接区域沿轴向直线切割，并去除内外层余料，得到切口对齐的双层筒坯；对齐切口并将所述双层筒坯内外层切口固接，得到所述双层预制管坯。
优选的，在所述S5中，将所述双层预制管坯至于成形模具下模型腔内，闭合上模并施加合模力；左冲头和右冲头进给实现密封，向所述双层预制管坯内通入高压液体介质；增加内压后所述双层预制管坯全部贴合模具型腔，继续升高内压至设定值，完成内外表面的二次复合；保持内压恒定保持一段时间后卸压，打开模具后将成形管件从模具内取出，得到最终的薄壁多通复合管件。
优选的，所述S1中的曲线轮廓双层板坯由金属材料组成。
优选的，所述自密封变形体由弹性材料制成。
优选的，将所述双层筒坯的内外层切口通过焊接的方法固定连接，通过焊后热处理消除焊缝位置的残余应力。
优选的，待卷曲的曲线轮廓双层板坯增加的余量应为各横截面周长的0.1～0.5倍。
本发明具有如下技术效果：本发明的薄壁多通复合管件的成形方法，具有提高成形能力、改善变形均匀性、提高成形件尺寸精度的优势，亦可适用于塑性较低的难变形材料在室温下的薄壁多通复合管件成形。该方法可成形大径厚比、壁厚分布均匀、支管高度大、成形精度高的薄壁多通复合管件，面向航空航天、交通运输和高端装备等领域的重大需求。具体有益效果体现在以下几个方面：
1)大径厚比管件的内高压成形过程中，在轴向载荷的作用下极易发生起皱失稳，难以通过轴向补料的方式提高成形极限、增加多通管件的极限支管高度。本发明基于材料沿环向柔性展开的方式提高成形极限，使成形的支管极限高度增加，实现截面周长变化较大的大径厚比多通复合管件的成形。
2)不同于现有的多通复合管件成形技术采用双层管坯进行成形与复合，本发明采用双层板坯实现多通管的成形。此外，分别在预成形和整形过程中完成两次复合。其中，在预成形步骤中进行非搭接区的复合，在整形步骤中进行其余区域的复合。两次复合步骤之间增加一个分层焊接工序，分别实现内层预制筒坯和外层预制筒坯截面的封闭。采用分层焊接解决了一次性复合后可焊性差的难题。
3)本发明与高温成形方法相比，成形过程中变形均匀，组织性能基本保持一致，成形管件的壁厚分布均匀，表面质量高。与超低温成形方法相比，由于材料强度和所需的成形压力低，对模具施加的合模力较低，从而减小了成形设备的吨位和能耗；同时材料在常温下的弹性模量比在深冷条件下低，成形后管件的回弹小，成形尺寸精度高，且该方法适用的材料范围较广，除了铝和铝合金、铜和铜合金、以及碳钢、不锈钢等材料，还适用于难变形材料，如钛和钛合金、高强钢等。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明用于薄壁多通复合管件成形方法的流程图；
图2是本发明薄壁多通复合管件液压成形系统的结构示意图；
图3是双层开式筒坯预成形复合初始阶段模具和筒坯位置关系示意图；
图4是双层开式筒坯预成形复合充液阶段示意图；
图5是双层开式筒坯预成形复合终了阶段示意图；
图6是双层预制管坯整形复合初始阶段示意图；
图7是双层预制管坯整形复合终了阶段示意图；
图8是本发明所提供的双层板坯；
图9是本发明所提供的待卷曲的曲线轮廓双层板坯；
图10是本发明所提供的横截面非封闭的双层开式筒坯；
图11是本发明所提供的双层预制筒坯；
图12是本发明所提供的双层预制管坯；
图13是本发明所提供的薄壁多通复合管件；
图14是本发明方法成形的薄壁多通复合管件沿轴向的壁厚分布结果。
其中，1、下模；2、上模；3、下模板；4、上模板；5、左冲头；6、右冲头；7、左油缸；8、右油缸；9、自密封变形体；10、左挡块；11、右挡块；12、高压源；13、高压液体介质通道；14、驱动装置；15、数控系统；16、液压系统；17、水压系统；18、双层板坯；19、曲线轮廓双层板坯；20、双层开式筒坯；21、双层预制筒坯；22、双层预制管坯；23、薄壁多通复合管件。
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。
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。
参照图1-14，本实施例提供一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，包括以下步骤：
S1：制备板坯：提取目标管件各截面周长变化曲线并增加适宜的余量，得到与周长变化曲线趋势相一致的轴对称板坯轮廓形状，按轮廓曲线将双层板坯18进行线切割，得到曲线轮廓双层板坯19；
具体地，双层板坯18由双层金属材料组成，材料种类包括铝和铝合金、铜和铜合金、钛和钛合金、以及碳钢、不锈钢、高强钢等。
具体地，待卷曲的曲线轮廓双层板坯19增加的余量应为各横截面周长的0.1～0.5倍。
S2：板坯卷曲：将曲线轮廓双层板坯19通过卷曲方法得到带有搭接区域、环向非封闭的双层开式筒坯20；
S3：预成形复合：对双层开式筒坯20内置入具有高弹性的自密封变形体9，向自密封变形体9内通入高压液体介质，自密封变形体9将内压传递给双层开式筒坯20，使双层开式筒坯20能够沿环向展开并沿径向膨胀，并通过内压实现非搭接区域内外层表面的一次复合，得到形状和尺寸与目标管件基本一致的双层预制筒坯21；
具体地，预成形复合的具体过程为：
1)将双层开式筒坯20放置于液压成形模具下模1型腔内；
2)在双层开式筒坯20内部置入与高压液体介质通道13相连的具有高弹性的自密封变形体9；
具体地，具有高弹性的自密封变形体9，优选的高弹性材料为天然橡胶、丁基胶或聚氨酯材料。
3)向自密封变形体9注入液体介质，在液体介质即将充满自密封变形体9时减慢注入液体的速度直至注满自密封变形体9的内腔，以排尽自密封变形体9中的空气；
4)施加适宜的合模力，然后向自密封变形体9内通入高压液体介质，自密封变形体9将内压传递给双层开式筒坯20；
5)通过进给左挡块10和右挡块11，固定自密封变形体9在双层开式筒坯20内沿轴向的位置，进而使自密封变形体9只能沿径向发生膨胀；当自密封变形体9内的压力值大于双层开式筒坯20发生变形的临界内压时，双层开式筒坯20能够沿环向展开并沿径向膨胀；
6)持续稳定增加自密封变形体9的内压，直至双层开式筒坯20完全贴合下模1和上模2的型腔，并通过内压实现双层开式筒坯20非搭接区域内外层表面的一次复合，得到形状和尺寸与目标管件基本一致的双层预制筒坯21；
7)卸去自密封变形体9内的压力，抬起上模2并卸载合模力，控制左油缸7和右油缸8，以使左挡块10和右挡块11后退，将双层预制筒坯21从液压成形模具下模1型腔内取出；
8)取出的双层预制筒坯21内部的自密封变形体9，预成形复合工序完成。
S4：切割焊接：对双层预制筒坯21上的搭接区域沿轴向直线切割，并去除内外层余料，得到切口对齐的双层筒坯。对齐切口并在筒坯将内外层切口焊合，通过焊后热处理消除焊缝位置的残余应力，得到截面封闭的双层预制管坯22；
S5：整形复合：将双层预制管坯至于成形模具下模型腔内，通过数控系统15通过驱动装置14控制上模2下行，使得下模1和上模2闭合，继续下行上模2，并由数控系统15控制施加适宜的合模力。高压液体介质通道13与左冲头5连接，通过数控系统15控制左油缸7和右油缸8使左冲头5和右冲头6轴向进给，实现双层预制管坯22的密封。向双层预制管坯22内通入高压液体介质，通过数控系统15控制高压源12升高液室压力，直至双层预制管坯22全部贴合下模1和上模2型腔。继续升高内压至设定值，完成内外表面的二次复合。保持内压恒定保持一段时间后卸压，通过数控系统15控制左油缸7和右油缸8使左冲头5和右冲头6沿轴向后退，并通过驱动装置14控制上模2卸去合模力后上行，打开模具后将成形后的薄壁多通复合管件23从模具内取出，完成薄壁多通复合管件成形工序。
具体地，利用公式
Figure BDA0003620753440000101
来确定的内压设定值。其中，σs1与σs2分别为内层和外层管坯材料的屈服强度；E1为内层管坯材料的弹性模量；a为内外层管坯的间隙，D1与D2分别为内层和外层管坯的外径；d1与d2分别为内层和外层管坯的内径。
结合图8-14对本实施例进行说明。以铜/铝薄壁多通复合管件成形为例。T2铜板坯初始厚度为0.5mm，屈服强度200MPa，抗拉强度235MPa，断裂前最大延伸率为30.2％。1060铝板坯初始厚度为1mm，屈服强度95MPa，抗拉强度110MPa，断裂前最大延伸率为15.9％。将铜/铝双层板坯18通过线切割得到轴向长度为240mm、中间位置最大宽度为340mm的曲线轮廓双层板坯19，并将其卷曲成外径为70mm的双层开式筒坯20。将聚氨酯材料的高弹性自密封变形体9作为预成形复合的密封装置，置于双层开式筒坯20内。按照具体实施方式中的步骤S3进行操作，其中施加合模力为100kN，成形内压为18.6MPa，双层开式筒坯20完全贴合模具型腔并完成第一次复合，得到双层预制筒坯21。按照具体实施方式中的步骤S4进行切割焊接，得到截面封闭的双层预制管坯22。按照具体实施方式中的步骤S5，施加合模力为200kN，最大内压按照步骤S5计算公式的结果为30.4MPa，并保持该内压20s，完成薄壁多通复合管件23的整形和内外层管的二次复合。获得了支管高度为的30mm的铜/铝薄壁多通复合管件23。成形件沿轴向剖切后在截面上每隔10mm，等距地选取25个点测量壁厚，再选取初始壁厚为1.5mm，长度为240mm，外径为70mm的1060铝管直接进行该目标件的内高压成形。比较本专利方法和传统内高压成形方法下成形的轴向壁厚分布结果，采用管材直接液压胀形的方法所得管件的最大壁厚减薄率为32.6％，采用本发明方法所得的复合管件最大壁厚减薄率为6.0％，与管材直接液压胀形的方法相比，本专利方法最大壁厚减薄率减小了81.6％。因此，采用本发明方法成形薄壁多通复合管件，可显著降低壁厚减薄，提高壁厚分布均匀性。此外，测量薄壁多通复合管件23在中间截面铜/铝结合层的剪切强度，稳定在32～36MPa之间，说明采用本发明方法成形的复合管件具有一定的结合层强度，成形管件具有较高的可靠性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，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 (9)

1.一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1制备板坯：设计板坯轮廓形状尺寸，得到曲线轮廓双层板坯(19)；
S2板坯卷曲：将所述曲线轮廓双层板坯(19)卷曲成带有搭接区域、横截面非封闭的双层开式筒坯(20)；
S3预成形复合：对所述双层开式筒坯(20)进行充液预成形，实现非搭接区域内外层表面的一次复合，得到形状和尺寸接近目标管件的双层预制筒坯(21)；
S4切割焊接：沿直线去除所述双层预制筒坯(21)的余料并焊接，得到截面封闭的双层预制管坯(22)；
S5整形复合：将所述双层预制管坯(22)在内压作用下整形，完成内外层表面整体的二次复合，获得最终的薄壁多通复合管件。
2.根据权利要求1所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：所述S1中获得所述曲线轮廓双层板坯(19)的方法为：提取目标管件各截面周长变化曲线并增加适宜的余量，得到与周长变化曲线趋势相一致的轴对称板坯轮廓形状，按轮廓曲线将双层板坯(18)进行线切割，得到所述曲线轮廓双层板坯(19)。
3.根据权利要求1所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：在所述S3中，对所述双层开式筒坯(20)内置入具有高弹性的自密封变形体(9)，向所述自密封变形体(9)内通入高压液体介质，所述自密封变形体(9)将内压传递给所述双层开式筒坯(20)，使所述双层开式筒坯(20)能够沿环向展开并沿径向膨胀，并通过内压实现非搭接区域内外层表面的一次复合，得到形状和尺寸与目标管件基本一致的所述双层预制筒坯(21)。
4.根据权利要求1所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：在所述S4中，对所述双层预制筒坯(21)上的搭接区域沿轴向直线切割，并去除内外层余料，得到切口对齐的双层筒坯；对齐切口并将所述双层筒坯内外层切口固接，得到所述双层预制管坯(22)。
5.根据权利要求1所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：在所述S5中，将所述双层预制管坯(22)至于成形模具下模型腔内，闭合上模(2)并施加合模力；左冲头(5)和右冲头(6)进给实现密封，向所述双层预制管坯(22)内通入高压液体介质；增加内压后所述双层预制管坯(22)全部贴合模具型腔，继续升高内压至设定值，完成内外表面的二次复合；保持内压恒定保持一段时间后卸压，打开模具后将成形管件从模具内取出，得到最终的薄壁多通复合管件。
6.根据权利要求1所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：所述S1中的曲线轮廓双层板坯(18)由金属材料组成。
7.根据权利要求3所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：所述自密封变形体(9)由弹性材料制成。
8.根据权利要求4所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：将所述双层筒坯的内外层切口通过焊接的方法固定连接，通过焊后热处理消除焊缝位置的残余应力。
9.根据权利要求4所述一种用于薄壁多通复合管件的成形方法，其特征在于：待卷曲的曲线轮廓双层板坯(19)增加的余量应为各横截面周长的0.1～0.5倍。
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