具有椭圆形横截面的管状毛坯的液压成形及液压成形设备

摘要

本发明涉及由管状金属毛坯形成管状金属部件的方法和设备。此方法包括:i)将具有通常为椭圆形横截面的管状金属毛坯放入模腔中并使管状金属毛坯定位成通常为椭圆形横截面的相对大的横截面尺寸在模腔相对大的横截面尺寸方向中延伸,并且使得通常为椭圆形横截面的相对小的横截面尺寸在模腔相对小的横截面尺寸方向中延伸;ii)配合和密封管状金属毛坯的相对端部;iii)将在压力作用下的流体注入管状金属毛坯中,以膨胀管状金属毛坯与限定模腔的表面一致并将膨胀管状金属毛坯变为膨胀管状金属部件。

说明书

本发明涉及液压成形方法以及模组件，更具体地说是涉及用于液压成形一管状金属毛坯的液压成形方法及模组件，使得可以避免为了将毛坯插入模腔中需要一预挤压操作。

液压成形方法通常是将具有圆柱形横截面的管状金属毛坯形成为具有一预定所需结构的管状零件的手段。具体地，一种典型的液压成形操作涉及将一具有圆形横截面的管状金属毛坯放入一液压成形组件的模腔中并对毛坯内部提供高压流体，以使毛坯向外膨胀与限定模腔的表面一致。更具体地，管状金属毛坯的相对纵端由液压压头封闭，并且通过一形成在一个压头中的口提供高压液压成形流体，以膨胀管状金属毛坯。

通常，具有圆形横截面的管状金属毛坯由板状金属滚压成型成为其初始形状。滚压成型的管状金属毛坯则必须放入通常具有盒形、矩形或不规则横截面的液压成形模腔中。由于可以轻松放入模腔中的圆形管状金属毛坯的周长大大小于限定模腔的表面的周边或横截面周长，必须显著膨胀毛坯以使毛坯与模腔一致。这种显著膨胀会显著变薄管状金属毛坯的壁厚，这样就需要毛坯初始的壁厚很大。因此，如果需要这样显著的膨胀，就更难使毛坯在模腔中在角落中都与其一致。为了减少所需的膨胀量并提供在开始就具有更接近模腔横截面周长的周边的管状金属毛坯，常规方法是提供具有大于模腔宽度的圆形横截面直径的管状金属毛坯并在一预挤压站中在直径方向挤压管件，使管件可以在开始放入相对狭窄的模腔中。但预挤压站由于需要指定的机器因此成本很高，而且很费时间。因此，本发明的一个目的是避免需要相对贵的预挤压操作，同时使用更符合模腔轮廓的管状金属毛坯。根据本发明的原理此目的可以由这样一种方法取得，即形成一具有一横截面结构的细长管状金属毛坯，使得它包括一第一横截面尺寸，大于垂直于第一横截面尺寸的一第二横截面尺寸。此方法利用具有第一和第二模结构的一模组件，第一和第二模结构具有表面，能共同限定一模腔，模腔具有一第一横截面尺寸，大于垂直于第一横截面尺寸的一第二横截面尺寸。此方法包括：i)滚压成型板状金属以形成具有一椭圆横截面的管状金属毛坯，椭圆横截面包括沿其较大直径的一长轴和沿其较小直径的一短轴，长轴和短轴通常互相垂直；ii)将管状金属毛坯放入第二模结构中，第二模结构构造和设置成可以容接具有椭圆横截面的管状金属毛坯而不会使管状金属毛坯的椭圆横截面扭曲，将管状金属毛坯放入第二模结构中使得当第一模结构和第二模结构共同形成模腔时其椭圆横截面的长轴在通常与第一横截面尺寸相同的方向中延伸，并且使得当第一和第二模结构共同形成模腔时其椭圆横截面的短轴在通常与第二短横截面尺寸相同的方向中延伸；iii)使管状金属毛坯的相对端部与管端配合结构配合，以基本密封管状金属毛坯的相对端部；iv)将在压力作用下的流体注入管状金属毛坯中，以膨胀管状金属毛坯与限定模腔的表面一致。

根据本发明的原理此目的可以由这样一种用于将管状金属毛坯形成为一具有沿其长度为基本盒形横截面的细长管状金属部件的设备而取得。此设备包括一具有一限定一模腔的内模表面的模组件，模腔具有一基本为盒形的表面结构并构造和设置成可以容接具有通常为椭圆横截面的管状金属毛坯。夹紧结构位于模腔的相对端上并构造和设置成可以固定夹紧管状金属毛坯的间隔开的部分。夹紧结构具有限定通常与管状金属毛坯的通常为椭圆形的外表面相一致的通常为椭圆形表面结构的夹紧表面。设备还包括构造和设置成可以配合和基本密封管状金属毛坯的相对端的管端配合结构，管端配合结构具有与管状金属毛坯的通常为椭圆形的内周表面相一致的通常为椭圆形的外表面结构。

根据本发明的原理此目的还可以由这样一种方法取得，即形成一细长管状金属部件，细长管状金属部件在一模腔中形成，模腔具有构造和设置成可以向模腔提供通常相当于细长管状金属部件形状的形状表面。细长管状金属部件以及模腔的横截面具有垂直于其相对小的尺寸的相对大的尺寸。此方法包括：i)将具有通常为椭圆形横截面的管状金属毛坯放入模腔中并使管状金属毛坯定位成通常为椭圆形横截面的相对大的横截面尺寸在模腔相对大的横截面尺寸方向中延伸，并且使得通常为椭圆形横截面的相对小的横截面尺寸在模腔相对小的横截面尺寸方向中延伸；ii)配合和密封管状金属毛坯的相对端部；iii)将在压力作用下的流体注入管状金属毛坯中，以膨胀管状金属毛坯与限定模腔的表面一致并将膨胀管状金属毛坯转变为膨胀管状金属部件。

图1是一分解立体图，示出根据本发明原理的一液压成形模组件的上、下模结构；

图2是一侧视图，示出在抬起或打开位置中带有一位于下模结构和上模结构中的椭圆管状毛坯的本发明的一液压成形模组件的纵端；

图3是与图2相似的一视图，示出在降下或关闭位置中带有一位于下模结构和上模结构中的椭圆管状毛坯的本发明的一液压成形模组件；

图4是通过模组件中部的一剖视图，而且在抬起或打开位置中一椭圆管状毛坯位于下模结构和上模结构中；

图5A是本发明液压成形模组件的一纵向剖视图，示出处于完全抬起位置中的上模结构，其中一椭圆管状毛坯位于下模结构中，而液压成形缸密封插入椭圆管状毛坯的相对端中；

图5B是本发明液压成形模组件的一纵向剖视图，示出处于完全降下位置中的上模结构，其中一椭圆管状毛坯位于由上、下模结构和固定模结构限定的模腔中，而液体注入椭圆管状毛坯的内腔中；

图6是一剖视图，示出本发明液压成形步骤的下一步，其中上模结构位于完全降下位置而椭圆形管状毛坯位于下模结构中；

图7是一剖视图，示出本发明液压成形步骤的下一步，其中上模结构位于完全降下位置而要液压成形的椭圆形管状毛坯由模腔的相对运动略微变形或挤压；

图8是一剖视图，示出本发明液压成形步骤的下一步，其中压力作用下的液体膨胀管状毛坯与模腔一致。

图1所示是通常以10表示的本发明的一液压成形模组件。液压成形模组件10包括第一和第二模结构。更具体地，第一模结构包括一可动上模结构12，而第二模结构包括一可动下模结构14和一固定模结构16。模组件还包括一固定基底18，固定模结构16安装在其上。多个气动或氮弹簧柱20安装在下模结构上用于在固定基底18上移动。上模结构12、下模结构14以及固定模结构16共同在其之间限定一纵向模腔，模腔具有一基本为盒形的横截面，这将在下面描述。最好，上模结构12、下模结构14以及固定模结构16和固定基底18都由适当的钢材如P-20钢制成。

如图1所示，上模结构12在其相对的纵端限定一对支架区22。支架区22的形状和位置设置成可以在上模结构的相对纵端接受和容装上夹紧结构26。具体是夹紧结构26由多个允许在夹紧结构26和上模结构12之间有相对竖直运动的气动弹簧柱24在各个支架区22连接在上模结构12上。

下模结构14在其相对纵端具有相似的支架区30，支架区30构造和设置成可以以相似的方式容装下夹紧结构。如图所示，以15表示的形成下模结构14支架区30的纵端具有一通常为U形的结构。

下夹紧结构28都具有一弧形的通常为抛物线形的向上的表面34。更具体地，每个表面34具有限定一半椭圆的横截面。表面34构造和设置成可以配合和支撑具有一椭圆横截面并放在下模结构中的管状毛坯的下侧(见图2)。当下夹紧结构28的每个弧形表面34逐渐过渡进入一基本为矩形U形的表面结构35中时，下夹紧结构28的每个弧形表面34向液压成形模组件10的中部向内纵向延伸。

两个上夹紧结构26基本与下夹紧结构28相同但相对其倒置。更具体地，每个上夹紧结构26具有过渡进入一倒置的盒形表面结构37中的一弧形的通常为抛物线形的向下的表面36。弧形表面36都具有限定另一半椭圆的横截面结构。如图2所示，当上模结构12开始降下时，每一个夹紧结构26的弧形表面36与各个下夹紧结构28的弧形表面34一起形成一个夹紧并密封配合椭圆管状毛坯40相对端的椭圆夹紧面。

从图4和5A中可以理解，上模结构12限定一具有为倒置的U形横截面的纵槽38。槽38由一面向下的通常水平纵向延伸的表面44和一对间隔开的纵向延伸的竖直侧表面43限定，竖直侧表面43从表面44的相对侧彼此平行延伸。

下模结构14具有在U形纵端15之间通过其竖直延伸的一中心开口42。下模结构14中的内部竖直表面41限定上述中心开口42。更具体地，一对纵向延伸的侧表面41限定开口42的侧端。这些表面彼此平行面对竖直设置。下模结构14的U形端部限定开口42的纵端并具有彼此平行面对竖直设置的内表面(未示出)。

固定基底18是基本为矩形的金属厚板。固定模结构16连接在固定基底18的一上表面46上。固定模结构16是一细长结构，沿固定基底18的上表面46长度的主要部分通常沿固定基底18的竖直中心延伸。固定模结构16从固定基底18向上伸出并在其相对的纵侧具有基本垂直的侧表面48。固定模结构16构造和设置成可以在下模结构14中在开口42中延伸，在固定模结构的通常竖直的表面48和下模结构14的竖直表面41之间间隙最小。同样，在下模结构14的端部15的内竖直侧表面和固定模结构16的竖直端面49之间间隙最小。固定模结构16还包括一面向上的通常为弧形的水平纵向延伸的模表面50，模表面50构造和设置成可以以与上模结构12的纵向延伸的模表面44间隔面向的关系延伸。

从图6中可以看出，上述侧表面41，面向上的表面50，侧表面43以及面向下的表面44共同提供一模腔52，具有一基本贯穿其纵向长度通常为矩形的横截面。此模腔形成具有一基本封闭的盒形横截面结构的液压成形部。封闭的盒形横截面结构最好是一多边形，例如一通常为矩形的结构，但可以是其他平面和/或弧形表面的封闭连续的组合。

图4示出相对于下模结构14和固定基底18处于打开或抬起位置的上模结构12。在此位置液压成形模组件10使椭圆形管状毛坯40可以放入下模结构14中。从图5可以看出，要液压成形的椭圆形管状毛坯40由下夹紧结构28悬置在其相对端，以当管状毛坯开始放入液压成形模组件10中时略微在固定模结构16的上表面50之上延伸。

当管状毛坯放在下模结构14中时，管状毛坯40的相对端在下模结构14的相对端位于下夹紧结构28的各个表面34上。最好，表面34构造和设置成可以与管状毛坯40的各个相对端的下部形成过盈配合。

随后，降低上模结构12以便开始时由图2所示的气动柱保持在伸展位置中的上夹紧结构26如图3所示降下，这样表面36与管状毛坯40的各个相对端的上部形成过盈配合。此后，在上模结构12降至其关闭位置之前，管状毛坯的两端都夹紧在夹具26和28之间。

根据本发明的方法和设备，管状毛坯40通过常规滚压成型操作设有一椭圆横截面结构。更具体地，滚压金属板直到金属板的纵边相接提供一椭圆结构。然后焊接相接的边以完成管状毛坯。与常规的圆形横截面相比，提供具有椭圆形横截面的管状毛坯是有利的，因为这样提供了更符合通常为矩形(而不是正方形)横截面的模腔52的最终横截面周长的周边。这样，当膨胀管状毛坯与形成模腔的表面一致时得到较小的管状毛坯40的膨胀。

本领域专业技术人员可以理解，管状毛坯40和模腔表面越接近，管状毛坯就越容易膨胀至模腔的角落，而其中由于在管状毛坯膨胀过程中在管状毛坯的外表面和模腔表面之间摩擦面配合增大，使得膨胀最困难。在常规实践中，可以通过提供比模腔52的宽度大的一圆形横截面的直径并在一预挤压站横向挤压管状毛坯使管状毛坯配合在下模结构中，从而可以提供具有更接近模腔横截面周长的一横截面周长的圆形横截面管状毛坯。但是，预挤压操作由于需要指定的机器因此成本较高，而且很费时间。使用椭圆管状毛坯可以使管状毛坯配合在下模组件中，同时在模腔中提供充足的金属量而不需要一预挤压操作。

滚压成型的管状金属毛坯40要液压成形成为一细长管状金属件(参见图8的标号76)，具有一种横截面结构，包括一第一横截面尺寸(例如图8中部件76的水平壁之间的距离)，它大于沿其一预定的纵向垂直于第一横截面尺寸的一第二横截面尺寸(例如图8中部件76的竖直壁之间的距离)。这是由于第一模结构12和第二模结构14，16具有能共同限定具有第一横截面尺寸(例如表面44和50之间的一长度的一竖直尺寸)的模腔52，它大于通常垂直于第一横截面尺寸的一第二横截面尺寸(例如表面41或表面43之间的一相对短的长度的水平尺寸)。

由于椭圆本身特有的性质，椭圆横截面的管状金属毛坯包括一沿其较长直径的长轴和一沿其较小直径的短轴，长轴和短轴通常彼此互相垂直。如图4所示，管状金属毛坯40放在第二模结构14，16中。而且如图所示，第二模结构14，16构造和设置成可以容装管状金属毛坯40而不会使管状金属毛坯的横截面扭曲。如图6所示，管状金属毛坯40放入第二模结构14，16中，使得当第一模结构12和第二模结构14，16共同形成模腔52时其椭圆横截面的长轴在通常与第一长横截面尺寸相同的方向中延伸(例如在表面44和50之间延伸)，并且使得当第一和第二模结构共同形成模腔时其椭圆横截面的短轴在通常与第二短横截面尺寸相同的方向中延伸(例如在相反的表面41之间延伸)。

下面参见图5A，椭圆管状毛坯40基本刚性地保持到位，以使管端配合结构例如液压成形缸或压头R可以伸缩和密封地插入管件40的两端。压头R最好具有与毛坯40的内周表面相一致的椭圆形外表面结构。在上模结构12连续降下之前或同时，液压成形缸最好用液压流体(最好是水)如标记F所示预充注、但不会在很大程度上加压椭圆毛坯40。尽管预充注操作可以减少循环时间，并且可以取得更光滑的成型部件，但对某些应用场合可以在向椭圆毛坯40内提供任何流体之前完全降下上模结构12。

如图4所示，上模结构12最好包括一对从上模腔38的相对侧边向下伸出并沿上模结构12的长度方向延伸的横向间隔开的平行凸起72。当上模结构12降下时，凸起72在开口42的相对侧边上与下模结构14的上模表面74配合，以如图6所示关闭和密封模腔52。凸起72形成一强有力的密封，可以承受超过10,000大气压的高模腔压力。

从图6和7中可以理解，在凸起72与模表面74开始配合时，上模结构12连续的向下运动使下模结构14被迫抵抗气动弹簧柱20的作用力与其一起向下。椭圆毛坯40同样与模腔52一起向下运动。在上模结构12和下模结构14连续向下的运动过程中，上模结构12的模表面44向固定模结构16的模表面50移动，以减小模腔52的尺寸同时保持模腔中的基本为周边的密封。这种在模腔52的尺寸被减小之前关闭和密封模腔以将管件挤压进模具中的布置可以防止管件的收缩，这在专利申请No.08/915,910中可以理解。但本发明没有在上模结构12与下模结构14配合之前管件可以产生某些挤压的现象。

当椭圆管件的下部与模表面50配合时，模结构12和14连续向下的运动使椭圆毛坯40变形。更具体地，当下模表面50和上模表面44与椭圆毛坯40的上、下弧形表面配合时，模结构12和14连续向下的运动使模表面50和44彼此相对向内移动。这使得椭圆毛坯40的弧形端部变平和向内弯曲，使得椭圆毛坯40略受挤压。椭圆毛坯40的略受挤压使得可以提供一个更加符合盒形模腔52的最终横截面周长的周边。毛坯沿如图5B所示的其纵向预成型。椭圆毛坯40由于最好在此挤压之前用液压流体预充注，通常可以避免由于挤压造成的皱折，并可以形成轮廓光滑的液压成形部件。

如图8所示，当上和下模结构12、14位于完全降下位置中时，略微挤压的椭圆毛坯40内的液压流体由液压系统通过椭圆毛坯40的一端加压。在椭圆毛坯40液压成形膨胀的过程中，对流体F施加足够的压力，使得径向向外膨胀椭圆毛坯40以与限定通常为盒形的模腔52的横截面的模表面一致。最好，使用在2000至3500大气压之间的流体压力，并且膨胀毛坯以提供具有约为或大于原始椭圆毛坯40的10％的横截面面积的一液压成形部件。另外，最好当管件膨胀时管件的纵端彼此相对被向内挤压以补充壁厚。

可以理解通过使用滚压成型的椭圆形管状毛坯而不是滚压成型的圆柱形管状毛坯，由于避免了预挤压步骤可以大大降低生产成本，而且在液压成形步骤中可以不间断地使用椭圆毛坯。这样由于避免了预挤压步骤，则减少了循环时间，同时在模腔中提供足够的金属量以将毛坯形成所需最终的结构。

应该理解本发明具有变化的实施例，其中在模腔封闭之前模腔可以关闭。否则，在上模结构与下模结构配合之前模组件中的模腔可以通过具有由邻接表面定界的横截面而形成。在这样一种实施例中，例如上模结构可以设有一纵向凸台而不是槽38。另外，纵槽形成在管状金属毛坯可以更深地位于其中的下模结构14中可以使纵向凸台进入槽中并从而关闭模腔而不会使纵向凸台配合管状金属毛坯。此后可以或者在上模结构配合下模结构之前或者在其之后使纵向凸台有选择地配合毛坯。也可以使下模结构包括一整体的固定模结构，而不是如图所示一可动和固定模结构的组合。

可以理解上述优选实施例的描述和附图只是示意性的，而且本发明包括落入所述实施例和权利要求范围内的所有其他的实施例。