TW201410350A - 管件的製法及其液壓成型模具 - Google Patents

Abstract

一種管件的製法及其液壓成型模具，液壓成型模具包括一下模座、一下模、一對上模、一背壓模、一上模座以及一對軸向進給推桿組件。下模設置於下模座的一槽座內，下模頂部開設有一容置一胚管的下模穴。兩上模分別模合於下模頂部，並可沿下模頂部移動，每一上模的底部分別有一上模穴與一內縮斜面。背壓模設置於兩上模之間，其具有一架體與二相對於架體移動的抵壓部，二抵壓部的底面抵靠於胚管表面。軸向進給推桿組件分別封接於胚管端部與兩上模，且其具有一流道以引入流體至胚管內，並軸向推動兩上模相互靠近。

Description

管件的製法及其液壓成型模具

本發明係關於一種管件的製法及其液壓成型模具，其特別是關於一種上模具在液壓成型時可移動的液壓成型模具，以及利用此液壓成型模具完成管件的製法。

管件液壓成型已大量應用到汽機車零件產品的加工製造，其目的為減輕重量，並增加其剛性強度。但對於排氣管、消音器等具有大膨脹率之管件皆以旋壓方式或焊接方式生產，惟其生產速度慢且強度亦較弱。

先前技術中使用固定式成型模具液壓成型的斜面大鼓脹管件，其因金屬胚管與固定式成型模具的上模之間會有較大的摩擦產生，導致金屬胚管難以平滑地延伸，可能造成斜面大鼓脹管件之管壁厚度分布不均勻、產生挫曲、皺摺以及因膨脹區的管壁厚度過薄而破裂的現象。

由於先前技術中使用固定式成型模具液壓成型的斜面大鼓脹管件，其因金屬胚管與固定式成型模具的上模之間會有較大的摩擦產生，導致金屬胚管難以平滑地延伸與鼓脹，造成斜面大鼓脹管件具有下列的問題：管壁厚度分布不均勻、產生挫曲、皺摺以及因膨脹區的管壁厚度過薄而破裂。故以設計一種具有斜面大鼓脹之管件的液壓成型模具，其上模與胚管之間的摩擦可被減少，以達到解決管件 的管壁厚度分布不均勻、產生挫曲、皺摺以及破裂問題的目的。

為了搭配上述可解決先前技術中斜面大鼓脹管件挫曲、皺摺以及破裂問題的模具，更需要一種應用於該模具的斜面大鼓脹管件的製作方法。

本發明提供一種管件的液壓成型模具，包括：一下模座、一下模、一對上模、一背壓模、一上模座以及一對軸向進給推桿組件。

該下模座具有一槽座。該槽座包含一底部平面與鄰接該底部平面的二槽座立面。該下模適於設置於該底部平面，該下模頂部開設有一適於容置一胚管的下模穴。該對上模適於分別模合於該下模頂部，並可沿該下模頂部移動，該每一上模的底部分別有一上模穴，每一上模穴相對於另一上模的一側形成一內縮斜面。

該背壓模適於設置於該兩上模之間，其具有一架體與二抵壓部，該架體具有一平行於該胚管軸向的導桿，該每一抵壓部具有一導孔，該導孔適於套入該導桿以供該二抵壓部相對於該架體移動，該二抵壓部的底面適於抵靠於該胚管表面。

該上模座適於蓋合於該下模座上，以限制該對上模向該下模的反方向移動，該上模座相對應於該背壓模的位置設有一窗口，以形成該背壓模向該下模的反方向移動的空間。

該對軸向進給推桿組件，適於分別封接於該胚管端部與該對上模，該對軸向進給推桿組件具有一流道以引入流 體至該胚管內，並軸向推動該對上模相互靠近。

本發明提供一種管件的製法，該製法的步驟包括：提供上述之具有斜面大鼓脹之管件的液壓成型模具，並將一胚管放置於該下模穴與該上模穴中。將流體經由該流道填滿該胚管。對該流體施以一第一定值壓力。該對軸向進給推桿組件以一推移速度軸向移動該對上模並軸向壓迫該胚管，同時保持該流體為該第一定值壓力，該胚管鼓脹且推昇該背壓模。該對軸向進給推桿組件移動一衝程後停止繼續推移，同時提供該流體一第二定值壓力，該第一定值壓力小於該第二定值壓力。形成該管件。

使用上述管件的液壓成型模具，並搭配上述管件的製法，另藉由可移動之上模與背壓模的設計，能在液壓成型的過程中，順利地將該胚管均勻地推入膨脹區。如此一來，管件的厚度就能保持均勻分布。二來因均勻鼓脹而能克服該胚管膨脹過程中所產生的挫曲、皺摺及破裂。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，予以詳細說明。

首先，本實施例為一種液壓成形模具2，適用於形成一具有斜面大鼓脹之管件4。

請參考圖1，其為具有斜面大鼓脹之管件4的立體圖。亦為本實施例之液壓成型模具所產出的具有斜面大鼓脹之管件4。

圖2為本實施例之具有斜面大鼓脹之管件4的液壓成 型模具2之立體圖。在本實施例中，液壓成型模具2包括：一下模座21、一下模23、一對上模24、一背壓模25、一上模座22以及一對軸向進給推桿組件26。

下模座21具有槽座211，在本實施例中，槽座211的開口向上。槽座211包含一底部平面2111與鄰接底部平面2111的二槽座立面2112。

下模23設置於底部平面2111。一用於液壓成形為具有斜面大鼓脹之管件4的胚管3，其設置於下模23內。其中，胚管3使用一種適用管件液壓成型技術的材料，其須具備優良的可延伸性，並以冷壓成型加工的材料為主，例如：金屬材料。目前主要以碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金等為主。

兩上模24分別模合於下模23頂部兩端，並可沿下模23頂部移動。

背壓模25設置於兩上模24之間，其具有一架體251與二抵壓部252。架體251具有一平行於胚管3軸向的導桿2511。每一抵壓部252具有一導孔2521，導孔2521套入導桿2511以使二抵壓部252相對於架體251移動，二抵壓部252的底面抵靠於胚管3的上表面。導桿2511進一步可為一圓桿。

上模座22蓋合於下模座21上，以限制兩上模24朝向下模23的反方向移動，在本實施例中為限制兩上模24向上移動，上模座22相對應於背壓模25的位置設有一窗口221，以形成背壓模25朝向下模23的反方向移動的空間，在本實施例中為形成背壓模25向上移動的空間。

本實施例中下模座21與上模座22、下模23與上模24等之”上”與”下”僅用以表示彼此間之對應關係，並非用以限制空間位置。在另一實施例中，下模座21與下模23亦可設置於上模座22與上模24之上方。

圖3為具有斜面大鼓脹之管件4在液壓成型前，液壓成型模具2沿A-A割面線之剖面圖。從圖3中可看出，下模23頂部開設有一容置胚管3的下模穴231。而每一上模24的底部分別有一上模穴241，每一上模穴241相對於另一上模24的一側形成一內縮斜面2411。架體251更包含一鞍部2512，鞍部2512設置於架體251底面，且抵靠於胚管3的上表面。鞍部2512與二抵壓部252的底面之間具有空隙。

背壓模25更包括二彈性元件253，二彈性元件253對稱地套設於架體251兩側的導桿2511，且分別介於架體251與二抵壓部252之間，意即二抵壓部252的底面之間具有空隙。此二彈性元件253可為彈簧、彈片、橡膠等…。更進一步說明，此每一彈性元件253可為一壓縮彈簧。

此對軸向進給推桿組件26封接於胚管3兩端以及兩上模24，且此對軸向進給推桿組件26具有一流道261以引入流體至胚管3內。當胚管3進行液壓成型時，此對軸向進給推桿組件26同時推動兩上模24與胚管3的兩端，軸向擠壓胚管3。

圖4是具有斜面大鼓脹之管件4在液壓成型前，液壓成型模具2沿B-B割面線之剖面圖。因此從圖4中可知，液壓成型模具2更包括二板件27，其分別設置於下模23 兩外側與二槽座立面2112之間，二板件27的相對的一面形成兩上模24與二抵壓部252移動時的二引導面271。同時參考圖3與圖4，上模座22固定二板件27，以限制兩上模24朝向下模23的反方向移動，在本實施例中為限制兩上模24向上移動。

二板件27用於固定兩上模24與下模23，若管件4的半徑改變時，則只需修改兩上模24、下模23、背壓模25與二板件27即可，不必連上模座22與下模座21都需要修改，故可節省模具成本。此外，若將兩上模24與下模23的寬度設計為與下模座21的槽座211等寬時，則二板件27可被直接取代。

圖5是具有斜面大鼓脹之管件4在液壓成型後，液壓成型模具2沿A-A割面線之剖面圖。同時比較圖3與圖5，即可得知二抵壓部252在胚管3液壓成型時，此對軸向進給推桿組件26同時將兩上模24以及胚管3往架體251推擠，而二抵壓部252分別受到兩上模24的推擠而向架體251移動。

對稱地套設於架體251兩側導桿2511的二彈性元件253具有相同的彈力，當二抵壓部252往架體251移動時，二彈性元件253使架體251保持在背壓模25的中央。

圖6是具有斜面大鼓脹之管件4在液壓成型後，液壓成型模具2沿B-B割面線之剖面圖。同時比較圖4與圖6，即可得知背壓模25在胚管3液壓成型時，背壓模25因胚管3的鼓脹而被向上推升。

本實施例亦提供一種管件的製法，適用於形成一具有 斜面大鼓脹之管件4。

圖7是具有斜面大鼓脹管件4製法的流程圖。此製法的步驟包括：提供上述之液壓成型模具2，並將一胚管3放置於下模穴231與上模穴241中，並依據上述之液壓成型模具2的連結關係進行模具組裝，使液壓成型模具2成為可進行液壓成型的狀態(S10)。

使用一流體加壓設備，將流體經由此對軸向進給推桿組件26的流道261填滿胚管3，並將原先胚管3內部的空氣排出(S11)。

利用流體加壓設備對胚管3內部的流體施以一第一定值壓力(S12)，且第一定值壓力大於胚管3所需之最小鼓脹應力，使胚管3開始往背壓模25的方向進行鼓脹。

此對軸向進給推桿組件26以一推移速度v_p軸向移動兩上模24並軸向壓迫胚管3，同時利用流體加壓設備保持流體為第一定值壓力，胚管3受到液壓而持續鼓脹且推昇背壓模25，此時利用兩上模24的內縮斜面2411，將胚管3的向上鼓脹部位往架體251推移，使胚管3的向上鼓脹部位滑順地形成斜面大鼓脹，並保持均勻的管壁厚度(S13)。

此對軸向進給推桿組件26移動一衝程L後停止繼續推移，此時兩上模24、二抵壓部252以及架體251的鞍部2512彼此緊靠而形成一斜面大鼓脹模穴，同時提供流體一第二定值壓力，其壓力值為P_y=(σ_y×t)/r，r如圖8所示，且第一定值壓力小於第二定值壓力，第二定值壓力可使胚管3 鼓脹至與斜面大鼓脹模穴中的彎折部貼齊(S14)。

形成具有斜面大鼓脹之管件4，流體加壓設備停止對胚管3內的液體施壓，並將液體排出胚管3(S15)。

此外，在形成具有斜面大鼓脹之管件(S15)的步驟之後，執行一脫模步驟。此脫模步驟包括：取出此對軸向進給推桿組件26，開模上模座22與下模座21，取出背壓模25與兩上模24後，即可將具有斜面大鼓脹之管件4自液壓成型模具2中取出。

當此對軸向進給推桿組件26移動兩上模24時，兩上模24的內側端面抵觸二抵壓部252的外側端面，故兩上模24軸向推動二抵壓部252沿導桿2511移動，且二抵壓部252同時受到胚管3表面向上鼓脹的推力而上升，使二抵壓部252形成斜上的移動軌跡。

其中背壓模252更包括二彈性元件253，套設於架體251兩側的導桿2511，且分別介於架體251與二抵壓部252之間，當二彈性元件253於二抵壓部252形成斜上的移動軌跡時，二彈性元件253產生的彈力，可使二抵壓部252持續抵靠兩上模24。

圖8為本實施例之斜面大鼓脹管件4的尺寸符號定義圖。根據成型前後體積不變的關係，可利用欲成型的成品管件4之尺寸推算出原始胚管3的長度。

補料體積與入模角α有關，入模角α的角度值變化會使成品管件4的體積有所變化，入模角α的角度大則成品管件4的體積也大。根據成型前後體積不變的關係，當成品管件4的體積變化大時，此對軸向進給推桿組件26所需推送 之胚管3就越多。背壓模25的移動量則是依據成品管件4的鼓脹高度來決定，例如胚管3的半徑為R₀，其膨脹後的高度為R₀+h，背壓模25的衝程(移動量)為h。

請參考圖8中，管件4的各部位所代表的符號，即可計算出液壓成型後，管件4上半部左邊的體積V_f為：V_f=f(α，L₁，L₂，R₀，h，st，t)=V_f1+V_f2+V_f3+V_f4+V_f5，其中V_f1=π×0.5×[R₀+(R₀-t)]×(L₀/2-st-L₁/2-L₂/2)×t，V_f2=0.5×L₂×R₀×t，V_f3=0.5×0.5×[R₀+(R₀-t)]×π×L₂×t÷cosα，V_f4=0.5×π×0.5×[h+(h-t)]×L₁×t，V_f5=L₁×R₀×t

V_f1為管件4上半部左邊第一部份體積，V_f2為管件4上半部左邊第二部份體積，V_f3為管件4上半部左邊第三部份體積，V_f4為管件4上半部左邊第四部份體積，V_f5為管件4上半部左邊第五部份體積。

液壓成型前，胚管3上半部左邊的體積V₀為：V₀=f(R₀，L₀，t)=0.5×π×0.5×[R₀+(R₀-t)]×t×L₀，其中t為胚管3的厚度，R₀為胚管3的半徑，st為此對軸向進給推桿組件26的一衝程，L₀胚管3的初始長度，L₁為管件4的斜面大鼓脹的頂端長度，L₂為管件4的梯形下底大鼓脹長度，h為背壓模25的衝程。根據體積不變，使V_f=V₀。

由於二抵壓部252之間有二彈性元件253，意即二抵壓部252之間具有空隙，此時進行液壓成型時，除了要配合體積不變所需的此對軸向進給推桿組件26的進給量以 外，灌入胚管3內的壓力大小也要配合。若壓力太大時，在液壓成型的過程中，胚管3會往空隙方向膨脹而被二抵壓部252夾住，而產生摺料。

藉由薄壁理論可知，當此對軸向進給推桿組件26無進給時，胚管3所需之最小鼓脹應力為P_min=(σ_y×t)/R₀，其中σ_y為胚管3的材料降伏應力，R₀為胚管3的半徑，t為胚管3的厚度。

由於體積不變的關係，使V_f=V₀，算出衝程st約為43.3mm，由於因為速度等於距離/時間，又軸向進給推桿跟背壓模同時進行，從開始到成形完所需時間相同，所以得到速度比v_p：v_cp=st：h。

v_p為此對軸向進給推桿組件26的推移速度，v_cp為背壓模25的起始推升速度。當L₁=80mm、L₂=80mm、t=1.2mm、α=22.16度以及h=R₀=12.7mm時，根據以上數據得到此對軸向進給推桿組件26的衝程為43.3mm，背壓模25的衝程為12.7mm。則速度比為v_p：v_cp=st：h=43.3：12.7。若此對軸向進給推桿組件26的推移速度為0.5mm/s，則管件4成型所需時間為86.6秒。

使用上述之具有斜面大鼓脹之管件4的液壓成型模具2，並搭配上述之具有斜面大鼓脹之管件4的製法，另藉由可移動的兩上模24與背壓模25的設計，即可讓液壓成型的過程中，順利把胚管3均勻地推入膨脹區。如此一來，具有斜面大鼓脹之管件4的厚度就能保持均勻分布。二來因均勻鼓脹而能克服胚管3膨脹過程中所產生的挫曲、皺摺及破裂。

雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。

2‧‧‧液壓成型模具

21‧‧‧下模座

211‧‧‧槽座

2111‧‧‧底部平面

2112‧‧‧槽座立面

22‧‧‧上模座

221‧‧‧窗口

23‧‧‧下模

231‧‧‧下模穴

24‧‧‧上模

241‧‧‧上模穴

2411‧‧‧內縮斜面

25‧‧‧背壓模

251‧‧‧架體

2511‧‧‧導桿

2512‧‧‧鞍部

252‧‧‧抵壓部

2521‧‧‧導孔

253‧‧‧彈性元件

26‧‧‧軸向進給推桿組件

261‧‧‧流道

27‧‧‧板件

271‧‧‧引導面

3‧‧‧胚管

4‧‧‧管件

S10~S15‧‧‧步驟S10~S15

α‧‧‧入模角

R₀‧‧‧胚管的半徑

h‧‧‧背壓模的移動量

st‧‧‧軸向進給推桿組件的衝程

L₀‧‧‧胚管的初始長度

L₁‧‧‧管件的斜面大鼓脹的頂端長度

L₂‧‧‧管件的梯形下底大鼓脹長度

v_p‧‧‧軸向進給推桿組件的推移速度

v_cp‧‧‧背壓模的起始推升速度

t‧‧‧胚管的厚度

r‧‧‧管件彎折處的內角半徑

P_min‧‧‧胚管膨脹時所需之最小壓力

P_max‧‧‧欲胚管鼓脹至與斜面大鼓脹模穴中的彎折部貼齊時所需之最大壓力

V_f1‧‧‧管件上半部左邊第一部份體積

V_f2‧‧‧管件上半部左邊第二部份體積

V_f3‧‧‧管件上半部左邊第三部份體積

V_f4‧‧‧管件上半部左邊第四部份體積

V_f5‧‧‧管件上半部左邊第五部份體積

圖1 係具有斜面大鼓脹之管件的立體圖；圖2 係本實施例之具有斜面大鼓脹之管件的液壓成型模具之立體圖；圖3 係本實施例之具有斜面大鼓脹之管件在液壓成型前，其模具沿A-A割面線之剖面圖；圖4 係本實施例之具有斜面大鼓脹之管件在液壓成型前，其模具沿B-B割面線之剖面圖；圖5 係本實施例之具有斜面大鼓脹之管件在液壓成型後，其模具沿A-A割面線之剖面圖；圖6 係本實施例之具有斜面大鼓脹之管件在液壓成型後，其模具沿B-B割面線之剖面圖；圖7 係本實施例之具有斜面大鼓脹管件製法的流程圖；以及圖8 係本實施例之斜面大鼓脹管件的尺寸符號定義圖。

2‧‧‧液壓成型模具

21‧‧‧下模座

22‧‧‧上模座

221‧‧‧窗口

23‧‧‧下模

231‧‧‧下模穴

24‧‧‧上模

241‧‧‧上模穴

2411‧‧‧內縮斜面

25‧‧‧背壓模

251‧‧‧架體

2511‧‧‧導桿

2512‧‧‧鞍部

252‧‧‧抵壓部

253‧‧‧彈性元件

26‧‧‧軸向進給推桿組件

261‧‧‧流道

27‧‧‧板件

3‧‧‧胚管

Claims (17)

1. 一種液壓成型模具，包括：一下模座，其具有一槽座，該槽座包含一底部平面與鄰接該底部平面的二槽座立面；一下模，適於設置於該底部平面，該下模頂部開設有一適於容置一胚管的下模穴；一對上模，適於分別模合於該下模頂部，並可沿該下模頂部移動，該每一上模的底部分別具有一上模穴，每一上模穴相對於另一上模的一側形成一內縮斜面；一背壓模，適於設置於該兩上模之間，其具有一架體與二抵壓部，該架體具有一平行於該胚管軸向的導桿，該每一抵壓部具有一導孔，該導孔適於套入該導桿以供該二抵壓部相對於該架體移動，該二抵壓部的底面適於抵靠於該胚管表面；一上模座，適於蓋合於該下模座，以限制該對上模向該下模的反方向移動，該上模座相對應於該背壓模的位置設有一窗口，以形成該背壓模向該下模的反方向移動的空間；以及一對軸向進給推桿組件，適於分別封接於該胚管端部與該對上模，該對軸向進給推桿組件具有一流道以引入流體至該胚管內，並軸向推動該對上模相互靠近。
2. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該液壓成型模具更包括二板件，適於設置於該下模兩外 側與該二槽座立面之間，該二板件的相對的一面形成該對上模與該二抵壓部移動時的二引導面，且該上模座固定該二板件，以限制該對上模向該下模的反方向移動。
3. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該背壓模更包括二彈性元件，套設於該架體兩側的該導桿，且分別介於該架體與該二抵壓部之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之液壓成型模具，其中該每一彈性元件是一壓縮彈簧。
5. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該二抵壓部之間有二彈性元件，且該二抵壓部的底面之間具有空隙。
6. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該架體更包含一鞍部，該鞍部設置於該架體底面，且適於抵靠於該胚管表面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之液壓成型模具，其中該鞍部與該二抵壓部的底面之間具有空隙。
8. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該導桿是一圓桿。
9. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該槽座的開口向上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之液壓成型模具，其中該上模座限制該對上模向該下模的反方向移動，為該上模座限制該對上模向上移動；該窗口形成該背壓模向該下模的反方向移動的空間，為該窗口形成該背壓模 向上移動的空間。
11. 一種管件的製法，該製法的步驟包括：提供如申請專利範圍第1項之液壓成型模具，並將一胚管放置於該下模穴與該上模穴中；將流體經由該流道填滿該胚管；對該流體施以一第一定值壓力；該對軸向進給推桿組件以一推移速度軸向移動該對上模並軸向壓迫該胚管，同時保持該流體為該第一定值壓力，該胚管鼓脹且推昇該背壓模；該對軸向進給推桿組件移動一衝程後停止繼續推移，同時提供該流體一第二定值壓力，該第一定值壓力小於該第二定值壓力；以及形成該管件。
12. 如申請專利範圍第11項所述之管件的製法，其中該形成該管件的步驟之後，執行一脫模步驟，將該管件從該液壓成型模具中取出。
13. 如申請專利範圍第11項所述之管件的製法，其中當該對軸向進給推桿組件移動該對上模時，該對上模的內側端面抵觸該二抵壓部的外側端面，故該對上模軸向推動該二抵壓部沿該導桿移動，且該二抵壓部同時受到該胚管表面向上鼓脹的推力而上升，使該二抵壓部形成斜上的移動軌跡。
14. 如申請專利範圍第13項所述之管件的製法，其中該背壓模更包括二彈性元件，套設於該架體兩側的該導桿，且分別介於該架體與該二抵壓部之間，當該二彈 性元件於該二抵壓部形成斜上的移動軌跡時，可使該二抵壓部持續抵靠該對上模。
15. 如申請專利範圍第11項所述之管件的製法，其中該胚管是一金屬材料。
16. 如申請專利範圍第11項所述之管件的製法，其中該對軸向進給推桿組件無進給時，該胚管所需之最小鼓脹應力為P_min=(σ_y×t)/R₀，其中σ_y為該胚管之降伏應力，t為該胚管的厚度，R₀為該胚管之半徑。
17. 如申請專利範圍第11項所述之管件的製法，其中，該胚管液壓成型時，該對軸向進給推桿組件的推移速度與該背壓模的推升速度之關係式為：v_p：v_cp=st：h；v_p為該對軸向進給推桿組件的推移速度；v_cp為該背壓模的起始推升速度；st為該對軸向進給推桿組件的衝程；以及h為該背壓模的移動量。