一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法，包括以下步骤，S1：在管坯内充填固体颗粒介质；S2：将管坯放入成形模具中并进行密封；S3：对管坯施加电流，待管坯温度达到实验所需温度条件后停止通电；S4：驱动管坯的右端部沿轴向向内运动，驱动管坯左侧沿切向运动，管坯发生剪切弯曲变形，驱动管坯的左端部沿轴向向内运动；S5:管坯成形尺寸达到设定值时，停止进给，获得成形管件；S6：冲头复位，打开成形模具，取出成形管件，清空管坯内固体颗粒介质，得到小弯曲半径管件。本发明可解决常温下现有管材弯曲成形技术中成形极限低的难题，获得的成形管件具有弯曲半径小，成形精度高，整形性能优良等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及管材弯曲成形技术领域，特别是涉及一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法及装置。

背景技术

近年来，小弯曲半径管以能够有效节省空间、实现结构减重等特点，在航空、航天领域获得了日益广泛的应用。尤其是钛合金材料的小弯曲半径管，具有密度小、比强度高、抗蚀性能好、耐热性高、焊接性能好以及无磁等优点，应用于小型航天发动机管路系统和无人机管路系统中。

目前，传统的管材弯曲工艺如推弯、折弯、充液压弯、数控绕弯等，只能成形相对弯曲半径R_b≥1.0(R_b为管件弯曲中性层的半径r与管材直径D之比)的管件，当弯曲半径过小时，可能会产生破裂，起皱甚至截面形状畸变等缺陷，因此不能成形相对弯曲半径R_b≤0.5的管件。采用半管冲压后焊接工艺制造的极小弯曲半径管，由于焊缝的存在，影响结构的整体可靠性。

传统管材弯曲成形中缺陷的产生是由其拉压变形机制所决定的，因此国内外研究学者提出以剪切变形机制为主的剪切弯曲成形方法，以用于制造相对弯曲半径R_b≤0.5的极小弯曲半径管。最早的剪切弯曲成形工艺是常温下的芯轴剪切弯曲成形，用来成形纯铝等材料的管件。采用芯轴剪切弯曲成形得到的小弯曲半径管圆角贴模效果很好，但是管件在发生剪切变形的直壁区没有内部支撑，因此不能贴合成形模具，成形件尺寸精度较低。为解决这一问题提出了充液剪切弯曲成形工艺，通过管件内部的液体介质提供支撑压力，直壁区材料能顺利贴合成形模具，成形件尺寸精度很高，因此被广泛应用于铝合金等材料的小弯曲半径管成形。

对于钛合金等难变形材料，在常温下硬化指数较小，变形抗力大，成形性能较差，管材易于发生过度减薄甚至破裂以及起皱缺陷，常温下采用上述成形工艺难以成形出变形量较大的小弯曲半径管件，无法用于空间较大的管路系统中，极大地制约了其应用范围。为了克服常温下材料本身成形能力的局限，国内学者提出了芯轴差温剪切弯曲成形方法：通过放置在成形模具中加热棒的加热作用实现成形模具和管坯温度的提升，使用芯轴提供管内支撑力，通过成形模具的相对运动对管材施加剪切力，管材发生剪切弯曲变形。但与常温下芯轴剪切弯曲成形相同的是，该方法在成形过程中管材直壁区无内压支撑，成形管件存在截面畸变大，难以贴合成形模具等问题。此外，成形模具和管件的整体加热的效率较低，同时也会导致成形模具型腔尺寸的变化，成形件的尺寸精度难以控制。

综上所述，现有技术中存在以下问题：由于钛合金等难变形材料管材很难成形出尺寸精度高、变形程度大的小弯曲半径管件。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，使获得的成形管件具有弯曲半径小，成形精度高，整形性能优良等特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法，包括以下步骤，

S1：充填阶段

在管坯内部充填固体颗粒介质；

S2：安装和密封阶段

将充填后的管坯放入由固定模块和活动模块构成的成形模具型腔中，使用铜电极夹持管坯，在轨道上安装挡板，挡板推动第二水平冲头动作，使得第一水平冲头和第二水平冲头分别与管坯内充填的固体颗粒介质的两端接触，对管坯进行密封；

S3：加热阶段

通过铜电极对管坯施加电流进行加热，通过调整电流工艺参数控制管坯温度，待管坯温度达到实验所需温度条件后停止通电；

S4：成形阶段

通过第一水平冲头驱动管坯的右端部沿管坯轴向向内运动，通过垂直冲头驱动活动模块推动管坯沿垂直于管坯的方向运动，同时第二水平冲头随着活动模块一同沿垂直于管坯的方向运动，此时管坯发生剪切弯曲变形；通过挡板带动第二水平冲头沿管坯的轴向运动，使得管坯的左端部沿管坯轴向向内运动；

S5：管坯的圆角半径R和直壁区成形高度h达到设定值时，停止垂直冲头、第一水平冲头和第二水平冲头的进给，获得成形管件；

S6：成形结束阶段

垂直冲头、第一水平冲头和第二水平冲头复位，打开成形模具，取出成形管件，清空成形管件内部的固体颗粒介质，得到小弯曲半径管件。

优选地，步骤S1中的管坯的截面形状为圆形或椭圆形或不同长宽比的矩形。

优选地，步骤S1中的固体颗粒介质为小直径钢球介质或聚氨酯颗粒介质或沙粒介质。

优选地，步骤S2中，管坯成形前，在铜电极与固定模块和活动模块接触的部分以及成形模具型腔内部涂覆绝缘涂料，涂覆绝缘涂料的表面必须清洁、干燥、无污染物且具有25-40μm的粗糙度，在涂覆过程中需保证工作环境温度在10-60℃之间，空气相对湿度不大于70％。

优选地，步骤S2中的管材密封方式为刚性密封。

优选地，步骤S3中的铜电极的夹持部的形状与管坯的形状相匹配。

优选地，步骤S3中的管坯加热方式为自阻加热，铜电极通过高频加热电源提供电流，通过高频加热电源控制管坯的电流密度，从而调节管坯的表面温度。

优选地，步骤S5中，若管坯的圆角半径R和直壁区成形高度h未达到设定值，重复步骤S3和步骤S4，直至管坯的圆角半径R和直壁区成形高度h达到设定值。

本发明还提供了一种用于小弯曲半径管的弯曲成形装置，包括由固定模块和活动模块组成的成形模具，所述活动模块的上侧设有一垂直冲头，所述固定模块和所述活动模块内分别设有一铜电极，两根所述铜电极的一端分别夹持在设置于所述成形模具型腔内的管坯的两侧，两根所述铜电极的另一端均与一高频加热电源电连接，所述管坯的一端设有一第一水平冲头，所述管坯的另一端设有一第二水平冲头，所述垂直冲头的一端和所述第一水平冲头的一端分别与一油缸连接，所述第二水平冲头的一端通过挡板与另一油缸连接，所述第一水平冲头的另一端和所述第二水平冲头的另一端分别设置于所述固定模块和所述活动模板内并与所述管坯同轴设置，所述挡板设置于一轨道内并能够在所述轨道内沿所述管坯轴向滑动。

优选地，所述垂直冲头、所述第一水平冲头和所述第二水平冲头均由控制系统进行控制，所述垂直冲头、所述第一水平冲头和所述第二水平冲头均由压力机提供动力。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、采用高频加热电源实现管坯的自阻加热，解决了常温下塑性较差的材料在进行管材剪切弯曲成形时成形极限低的问题，相对常温下成形管件在直壁区的成形极限有较大提升，可以获得满足更多应用场合下的小弯曲半径管件。

2、使用固体颗粒充当成形介质，其工作温度较高，可在管坯的最佳成形温度区间内进行成形，解决了管内液体介质不能适用于管材自阻加热的问题。

3、采用固体颗粒介质充填进行成形，固体颗粒介质可在较高温度的条件下保持较好的化学稳定性和机械性，具有良好的充填能力和流动性能，并可循环利用，绿色环保，克服了一般液体介质在高温条件下密封困难、加载不易、油液污染场地等问题。

4、对管坯采用刚性密封，既满足了密封固体颗粒介质的要求，又能够实现冲头的进给，提高管坯内固体颗粒介质的致密度，增加管坯内部的支撑压力，使得管坯可以贴合成形模具，减小截面畸变，从而解决了现有热剪切弯曲成形方法成形尺寸精度较低的难题。

5、通过绝缘涂层的作用保证管坯能够迅速升高，而成形模具温度仍然为常温温度，既提高了加热效率和能源的利用率，又避免了成形模具发生热变形导致型腔尺寸发生变化，从而提高了管件成形精度。

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为本发明小弯曲半径管的弯曲成形初始状态示意图；

图2为本发明小弯曲半径管的弯曲成形通电状态示意图；

图3为本发明小弯曲半径管的弯曲成形状态示意图；

图4为本发明成形后得到的小弯曲半径管的结构示意图；

图5为本发明小弯曲半径管的弯曲成形的原理图；

图6为本发明电源提供电流和活动模块进给量之间的工艺参数示意图；

图7为本发明小弯曲半径管的弯曲成形方法的流程图；

图8为本发明以钛合金管作为管坯成形后得到的小弯曲半径管的结构示意图；

图9为图8中A-A截面处的结构示意图；

图10为图8中B-B截面处的结构示意图；

图11为图8中C-C截面处的结构示意图；

图12为图8中D-D截面处的结构示意图；

图13为图8中E-E截面处的结构示意图；

其中：1-固定模块，2-活动模块，3-垂直冲头，4-第一水平冲头，5-第二水平冲头，6-油缸，7-轨道，8-挡板，9-铜电极，10-高频加热电源，11-管坯，12-固体颗粒介质，13-绝缘涂料，14-控制系统，15-小弯曲成形管件。

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付出创造性劳动的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。

在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”和“右”指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法及装置，以解决现有技术存在的问题，使获得的成形管件具有弯曲半径小，成形精度高，整形性能优良等特点。

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。

如图1-图7所示：本实施例提供了一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法，包括以下步骤，

S1：充填阶段

在管坯11内部充填固体颗粒介质12。使用固体颗粒充当成形介质，其工作温度较高，可在管坯11的最佳成形温度区间内进行成形，解决了管内液体介质不能适用于管材自阻加热的问题。此外，采用固体颗粒介质12充填进行成形，固体颗粒介质12可在较高温度的条件下保持较好的化学稳定性和机械性，具有良好的充填能力和流动性能，并可循环利用，绿色环保，克服了一般液体介质在高温条件下密封困难、加载不易、油液污染场地等问题。

S2：安装和密封阶段

将充填后的管坯11放入由固定模块1和活动模块2组成的成形模具型腔中，使用与管坯11形状相匹配的铜电极9夹持管坯11，在轨道7上安装挡板8，在油缸6的作用下，挡板8推动第二水平冲头5动作，通过第一水平冲头4和第二水平冲头5与管坯11内充填的固体颗粒介质的两端分别接触，实现管坯11的刚性密封。管坯11的密封形式为水平冲头的刚性密封，采用刚性密封在固体颗粒介质12充填成形中密封性较好，既满足了密封固体颗粒介质的要求，又能够实现冲头的进给，通过控制系统14控制第一水平冲头4和第二水平冲头5的位移改变管坯11内固体颗粒介质12的致密度，从而调整管坯11内部的支撑压力，使管坯11既可以贴合成形模具型腔，提高尺寸精度，又抑制了过度减薄、开裂等缺陷。

S3：加热阶段

使用高频加热电源10通过铜电极9对管坯11施加电流，通过调整电流工艺参数控制管坯11温度，待管坯11温度达到实验所需温度条件后停止通电。在充填钢球、两端密封的管坯11的外表面焊接热电偶测量管坯温度，实现温度的实时测量和监控，保证成形温度在成形过程中始终位于最佳成形温度区间内。控制高频加热电源10输出的电流大小以及通电时间，可调节管坯11的温度大小及温度分布，从而可调节管坯11各部位的力学性能，调节变形过程中管坯11变形区的成形能力。采用高频加热电源10实现管坯11的自阻加热，解决了常温下塑性较差的材料在进行管材剪切弯曲成形时成形极限低的问题，相对常温下成形管件在直壁区的成形极限有较大提升，可以获得满足更多应用场合下的小弯曲半径管件。

S4：成形阶段

通过控制系统14驱动第一水平冲头4驱动管坯11的右端部沿管坯11轴向向内运动，通过垂直冲头3驱动活动模块2推动管坯11在活动模块2的推动作用下沿垂直于管坯11的方向运动，同时第二水平冲头5随着活动模块2一同沿垂直于管坯11的方向运动，此时管坯11发生剪切弯曲变形；控制系统14控制油缸6通过挡板8带动第二水平冲头5沿管坯11的轴向运动，使得管坯11的左端部沿管坯11轴向向内运动。

S5：管坯11的圆角半径R和直壁区成形高度h达到设定值时，停止垂直冲头3、第一水平冲头4和第二水平冲头5的进给。若此时管坯11的变形量未达到设定值，重复步骤S3和步骤S4，使管坯11的温度达到成形温度，直至管坯11的圆角半径R和直壁区成形高度h达到预期目标获得成形管件。具体地，直壁区成形高度h＝成形管件的两水平段的轴线之间的距离-2R。采用分阶段成形方式，可保证管材成形温度在成形过程中始终处于最佳温度区间范围内。

S6：成形结束阶段

通过控制系统14控制垂直冲头3、第一水平冲头4和第二水平冲头5复位，打开成形模具，取出成形管件，清空成形管件内部的固体颗粒介质12，得到小弯曲半径管件15。

具体地，步骤S1中的管坯11的截面形状为圆形或椭圆形或不同长宽比的矩形。步骤S1中的固体颗粒介质12优选为小直径钢球介质或聚氨酯可立介质或沙粒介质，固体颗粒介质12根据管坯11的材质和几何尺寸选定颗粒种类和粒径。

步骤S2中，管坯11成形前，在铜电极9与固定模块1和活动模块2接触的部分以及成形模具型腔内部涂覆绝缘涂料13，涂覆绝缘涂料13的表面必须清洁、干燥、无污染物且具有25-40μm的粗糙度，在涂覆过程中需保证工作环境温度在10-60℃之间，空气相对湿度不大于70％。通过绝缘涂层的作用保证管坯11的温度能够迅速升高，而成形模具温度仍然为常温温度，既提高了加热效率和能源的利用率，又避免了成形模具发生热变形导致型腔尺寸发生变化，从而提高了管件成形精度。

步骤S3中的管坯11的加热方式为自阻加热，铜电极9通过高频加热电源10提供电流，通过高频加热电源10控制管坯11的电流密度，从而调节管坯11的表面温度。

本实施例还提供了一种用于小弯曲半径管的弯曲成形方法的装置，包括由固定模块1和活动模块2组成的成形模具，活动模块2的上侧设有一垂直冲头3，固定模块1和活动模块2内分别设有一铜电极9，两根铜电极9的一端分别夹持在设置于成形模具型腔内的管坯11的两侧，两根铜电极9的另一端均与一高频加热电源10电连接，管坯11的一端设有一第一水平冲头4，管坯11的另一端设有一第二水平冲头5，垂直冲头3的一端和第一水平冲头4的一端分别与一油缸6连接，第二水平冲头5的一端通过挡板8与另一油缸6连接，第一水平冲头4的另一端和第二水平冲头5的另一端分别设置于固定模块1和活动模板2内并与管坯11同轴设置，挡板8设置于一轨道7内并能够在轨道7内沿所述管坯轴向滑动。具体地，垂直冲头3、第一水平冲头4和第二水平冲头5均由控制系统14进行控制，并由压力机提供动力。此外，控制系统14可精确控制垂直冲头3、第一水平冲头4和第二水平冲头5的进给量，实现预先设定的加载路径。

以钛合金管(钛合金成分为Ti-3Al-2.5V)作为管坯11进行加工为例，钛合金管外径优选为30mm，壁厚优选为1.5mm。固体颗粒介质12使用直径优选为1.25mm的钢球。钛合金管在常温下的屈服强度为603.2MPa，抗拉强度为726.1MPa，断裂前最大延伸率为23.8％；在180℃条件下屈服强度为531.4MPa，抗拉强度为612.4MPa，断裂前最大延伸率为28.1％。固定模块1和活动模块2的圆角半径R优选为5mm。钛合金管与固定模块1的摩擦系数为0.05-0.2。钛合金管在常温下经过两步成形，直壁区成形高度h仅为17.4mm。采用本实施例中的用于小弯曲半径管的成形方法，按照具体实施方式中的步骤进行操作，并使电流最大为800A，第一阶段通电时间为80s，后续各阶段通电时间为70s，最后得到圆角半径R为15mm，相对弯曲半径R_b等于0.5、直壁区成形高度h为29.1mm的小弯曲半径管件，相对于常温条件下成形极限高度提高了67.2％。此外，对成形管件的典型区域进行剖切，得到成形管件五个截面的尺寸，如图8-图13所示。其中A-A截面的直径D1为30mm，B-B截面在水平和垂直方向的直径D2和D3分别为29.82mm和37.94mm，直壁区C-C截面在水平和垂直方向的直径D4和D5分别为29.26mm和30mm，成形模具型腔直径为30mm，D-D截面在水平和垂直方向的直径D6和D7分别为29.80mm和37.90mm，E-E截面的直径为30mm，成形管件在直壁区基本贴合成形模具，说明成形管件的成形精度较高。

本实施例中的方法可解决常温下现有管材弯曲成形技术中成形极限低的难题，尤其针对常温下成形能力较差的金属材料，成形管件具有弯曲半径小，成形精度高，整形性能优良等特点，可加工各种常温下成形能力较差的导电材料，如钛合金、镁合金、高强钢等，根据材料的高温力学性能，设计其最佳成形温度区间，改善不同材料的剪切弯曲成形性能，提高成形能力。

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。