细长厚壁变截面内孔液力挤压装置及方法

摘要

一种金属成形技术领域的厚壁细长变截面内孔液力挤压装置及方法，该装置包括：由上而下依次设置于充满液态介质的压力容器内的柱塞、定位套、锥形凹模以及背压顶杆；压力容器的内部依次设有用于设置柱塞和定位套的内孔和用于设置锥形凹模的内台阶孔，其中：内台阶孔的内径大于内孔的内径；柱塞侧面与压力容器的内孔为动配合；定位套外壁与压力容器的内孔为静配合；锥形凹模外壁与压力容器的内台阶孔为静配合。本发明通过采用高压液体挤压空心毛坯，能够实现机械加工方法无法达到的细长内孔变截面结构。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种金属成形技术领域的装置及方法，具体是一种厚壁细长变截面内孔 液力挤压装置及方法。

背景技术

在机械制造中，许多关键重要零件需要有厚壁又细又长变截面内孔，如锥形和其他形状 孔径。具有长锥孔或小直径孔平滑过渡到大直径孔件。类似零件广泛应用在高压液压系统和燃 料燃烧装置中，这样零件用切削加工方法难以完成，对小于1mm细长孔则根本无法实现。

经过对现有技术检索发现：中国专利文献号CN1698991，公开日2005‐11‐23，公开了 一种曲线母线孔挤压成形方法，该技术采用开式冷挤压成形工艺，坯料外廓形状与工件内孔母 线的鏡相线近似；设计模具，使模具刃口直径D_M与坯料最大直径D₀之间满足 D₀‐D_M＝(0.14‐0.18)D_M；然后在模具中挤压坯料。该技术实质上是把坯料外径上突出部位的坯料 挤到内径上。该挤压过程是刚塑性变形，金属变形能力远不如液体挤压；坯料表面形状需根据 内孔形状仿形铣出，不适合批量生产，成本当然很高；内孔处于自由变形状态，因此内孔精度、 表面粗糙度都难以控制。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种厚壁细长变截面内孔液力挤压装置及方 法，用高压液体挤压空心毛坯，能够实现机械加工方法无法达到的细长内孔变截面结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种厚壁细长变截面内孔液力挤压装置，包括：由上而下依次设置于充满液 态介质的压力容器内的柱塞、定位套、锥形凹模和背压顶杆。

所述的压力容器的内部依次设有用于设置柱塞和定位套的内孔和用于设置锥形凹模的 内台阶孔，其中：内台阶孔的内径大于内孔的内径。

所述的柱塞为回转体结构，其上端面通过法兰与压机上滑块的底平面固定连接并随压机 上滑块同步运动，其侧面与压力容器的内孔为滑配合，即动配合(内孔的实际尺寸大于柱塞的实 际尺寸所组成的配合)，当柱塞向下运动时，对压力容器中液体施压。

所述的柱塞端部设有密封圈以防止高压油从柱塞和压力容器之间泄露。

所述的定位套为空心圆柱体结构，其外壁与压力容器的内孔为静配合(定位套的外壁的 实际尺寸大于压力容器的内孔的实际尺寸所组成的配合)，可容许坯料在内孔滑动。

所述的锥形凹模由YG3硬质合金制成，其外壁与压力容器的内台阶孔为静配合。

所述的锥形凹模的上端面沿外圆设有密封圈。

所述的锥形凹模的凹模锥角2α及凹模内径取决于工件变形壁厚比值ΔS/S和变形程度 ε，凹模锥角2α范围优选为20°～45°。

所述的液态介质优选为抗磨液压油YB32‐68。

所述的压机的输出力优选为4000kN。

本发明涉及上述内孔液力挤压装置的厚壁变截面内孔液力挤压方法，通过将空心毛坯安 放在带有定位套的压力容器内的锥形凹模上，通过定位套实现中心定位；然后向压力容器中注 入液态介质，并通过柱塞下压以增加介质压力；在变形过程中，高压液体作用到上述内孔液力 挤压装置的定位套、锥形凹模以及毛坯上，促使对毛坯壁建立均匀压力。

所述的下压采用入口角2α＝20～45°的模具进行挤压，具体由以下两个阶段组成：

1)在2α＝45°凹模挤压时，第一阶段压力p₁＝760MPa，历时30秒；第二阶段压力 p₂＝920MPa，历时30秒；

2)在2α＝20°凹模挤压时，第一阶段压力p₁＝700MPa，历时30秒；第二阶段压力 p₂＝820MPa，历时30秒。

所述的下压优选在完成后将半成品的前端切除，或在其末端钻成孔，制成不同用途零件， 如高压油管，燃气喷嘴等。

技术效果

与现有技术相比，本发明所制成的厚壁细长孔填补了该领域技术的空白，制备得到的零 件孔有精确几何形状，与毛坯表面一样有光洁内表面，没有折叠和显微裂纹。

附图说明

图1为毛坯的形状和尺寸示意图；

图中：a毛坯、b变形后的零件。

图2为在液压装置上液体挤压毛坯装置示意图；

图中：a为整体结构示意图；b为图a局部放大示意图；S为压力、1柱塞、2容器、3 左侧未挤压毛坯、4定位套、5锥形凹模、6右侧挤压后半成品、7背压顶杆。

图3为实施例工艺过程示意图；

图中：a毛坯、b变形后半成品、c切去底部形成新零件、d钻孔后形成的新零件。

图4为液体压力与变形程度关系示意图；

图中：1为2α＝20°、2为2α＝45°。

图5为相对壁厚与变形程度的关系示意图；

图中：1为2α＝45°、2为2α＝20°。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例是在5MN装有专用装置的双动液压挤压机上进行的，液力挤压装置如图2所 示。

本实施例采用50钢制空心毛坯(如图3中a所示)，该空心毛坯由轧材经机械加工后的 尺寸(mm)为：D₁＝32，d＝10；D₂＝36，l＝45,L＝55，其中：D₁,D₂,d,L,l,s₁,s₂,F₁和F₂分别对应毛坯 的第一和第二圆柱体段的外径、毛坯长度、孔的长度、壁厚和毛坯第一段及第二段横截面积。

毛坯变形前退火规范：加热到850℃，保温1.5h，随后空冷；去除氧化皮后磷化处理， 表面涂以蜂蜡基润滑材料和MoS₂。在有规定变形程度的毛坯液压挤压时，零件的外径由锥形凹 模口工作带内径确定，内孔径取决于变形条件下的壁厚值。相对壁厚值Δs/s取决于毛坯材料变 形程度ε及锥形凹模口锥角2α。

如图2所示，本实施例涉及的挤压装置包括：由上而下依次设置于充满液态介质的压力 容器2内的柱塞1、定位套4、锥形凹模5以及背压顶杆7。通过将空心毛坯3a安放在压力容 器2内锥形凹模5上，并借助于定位套4定中心。然后向容器中注入计算好的液体量，柱塞1 压向液体并使容器内液体压力增加。在压力达到必须值p₁时毛坯下半段被挤入凹模内开始变 形，压力继续升高到p₂，位于上半段的毛坯开始变形，形成半成品6。实施结果数据分别列于 表1和表2。

表1在液压装置中，50钢坯挤压结果

在获得这些数据的基础上，建立了毛坯在液压装置上进行液体挤压必须液体压力p与材料的变 形程度关系曲线图(图4，坐标系p—lnλ；表2)。由表2可见，当变形程度ε＝40％时，液体压 力超过50钢的流动极限，且压缩液体作用如变形模具，保证了厚壁的强度。

表2所必需的液体压力与变形程度关系

实施经验指出，液体挤压具有改变外形轮廓且沿长度具有单一孔径，毛坯第一部分圆柱 体的变形过程在压力p₁条件下实现；毛坯锥形段(即第二段圆柱体)变形则在压力p₂条件下 实现。

在毛坯液体挤压条件下，毛坯具有变化外形和恒定孔径时，获得变形后零件(半成品)具 有恒定的外径和沿长度变化内径。如果所获得的半成品在液体挤压装置上再次经受液体挤压， 则所得的零件具有恒定的外径尺寸和沿着长度变化的更小内径尺寸。

50钢毛坯液体挤压时变形程度范围在ε＝40～60％，相应的压力p/σ_b＝1.0～1.3(σ_b——材 料拉伸时的强度极限)。

如图3所示，为所述的空心毛坯图3a、半成品图3b以及零件6(图3c、d)的参数标注， 其中：D₁、D₂、d、L、l、s₁、s₂、F₁和F₂分别对应空心毛坯图3a的第一和第二圆柱体段的外、 内径、毛坯长度、孔的长度、对应D₁、D₂段壁厚和毛坯第一段及第二段横截面积；此处F₁对 应D₁，F₂对应D₂处横截面积；D₃，d₁，d₂，L₁，l₁，s₃，s₄，F₃和F₄则为半成品以及零件6的 对应参数依次为：(参见图3)挤压后的半成品外径、内孔大锥直径、内孔小锥直径，半成品长 度、内孔长度，半成品锥孔部分壁厚、半成品直孔部分壁厚，半成品锥孔部分横截面积、半成 品直孔部分横截面积。

在液压装置中的锥形空心结构毛坯在挤压时变形程度ε和伸长系数λ确定了每一段毛坯 变形特点：对于如图3a中的第一段(对应D₁)毛坯ε₁＝(F₁—F₃)/F₁；λ₁＝F₁/F₃；

先采用入口角2α＝45°的模具，获得零件的尺寸为(mm)：D₃＝26、d₁＝6.8、d₂＝5.2、l＝77、 L＝92；

再采用入口角2α＝20°的模具，获得零件的尺寸为(mm)：D₃＝26、d₁＝6.2、d₂＝3.6、l＝76、 L＝91。

通过上述实施，成功制出图3b半成品；在图3c示出的由图3b半成品切去前端面一段 获得的零件，类似零件可以用于喷油管；图3d示出的由图3b半成品前端部钻成d₃孔后获得 的零件；类似的零件可以用于高压管。

实施例2

毛坯由轧材经机械加工后的尺寸(mm)为D₁＝32，d＝8；D₂＝36，l＝45,L＝55；模具的入口 角2α＝45°和2α＝20°。

在模具的入口角2α＝45°时，获得零件的尺寸为(mm)：D₃＝26,d₁＝5.0,d₂＝3.8,l＝78,L＝93； 而在模具的入口角2α＝20°时获得零件的尺寸为(mm)：D₃＝26,d₁＝4,d₂＝2.2,l＝77,L＝92。

重复上述步骤进一步挤压后得到的半成品液体挤压变形的条件下的零件尺寸(mm)： D₃＝26、d₁＝4、d₂＝2.2、l＝77、L＝92、2α＝20°和锥形凹模工作带口径22mm时所获得零件的尺 寸为(mm):D₄＝22、d₁＝2、d₂＝0.6、l₁＝106、L₁＝126。材料的变形程度ε＝27％，液体压力p＝780MPa。

由以上实施例可见，要获得变截面细长内孔，在其他条件相同时，只要改变模口角度2α、 模口工作带内径和液体压力即可实现。

实施例比较

分析以上的实验数据及图表得出：要获得零件变截面细长内孔，在其他条件相同时，只 要改变模口角度2α(20°～45°)、模口工作带内径D₃＝22～26mm和液体压力，50钢毛坯液体挤 压时变形程度范围在ε＝40～60％，相应的压力p₁＝660～760MPa，p₂＝840～920MPa。