用于提高管材内压成形极限的装置及利用其的提高管材内压成形极限的方法

摘要

用于提高管材内压成形极限的装置及利用其的提高管材内压成形极限的方法，涉及用于提高管材内压成形极限的装置及方法。解决现有管材内压成形过程中出现的变形均匀性差、局部过度减薄而发生开裂，及室温成形极限低的问题。本发明装置在管材的外侧壁中部设置约束套或者在管材外部设置模具；本发明方法在管材的外侧壁中部设置约束套或者在管材外部设置模具，向模具与管材的空隙内添加填充物，再将管材固定在模架上，并密封两端，然后向管材内腔通内压，进行成形即可。本发明在管材外侧施加背压，使管材在变形最大截面部位的受力状态由双拉变为两拉一压，避免该部位因壁厚过度减薄而产生开裂缺陷的可能性，室温成形极限提高，膨胀率达30％～45％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提高管材内压成形极限的装置及方法。

背景技术

材料和结构轻量化已成为航空航天、汽车制造等领域的主要趋势及发展方向，同时， 也是实现节能减排的有效途径之一。在铝合金、镁合金及高强钢等轻质金属材料被广泛应 用的同时，空心变截面构件成为首选的理想结构形式。结构轻量化主要是在保证强度的基 础上，通过变截面合理的设计、形状构件的优化等，以充分、有效地发挥构件的功能。但 这种优化常导致结构的复杂化，用传统冲压等工艺难于一次成形，管件内压成形正是顺应 这种需求而发展起来的先进制造技术，并在近年来得到迅猛的发展。

管件内压成形过程中不同截面间周长变化较大时变形均匀性较差，且最大截面部位易 因出现局部过度减薄而发生开裂，特别对于铝合金、镁合金等轻质低塑性材料而言，其室 温成形极限较低。虽然通过严格地控制冲头补料和以一定波形(正弦波、T形波等)脉动地 增大内压进行匹配的加载路径，可提高管材内压成形的极限，但该种方法的实施过于依赖 专用设备的控制精度，且效率相对较低；采用整体或局部加热的方式，也能提高金属管材 内压成形的极限，但加热不仅增加了工序和成本，且使制品组织及性能也随之发生变化； 采用退火、预成形等中间工序虽然可在一定程度上提高管材内压成形极限，但显著地增加 了生产周期及成本。

由此可见，传统金属管材存在室温内压成形极限低等问题，常采用增加中间处理工序 或采用整体或局部加热方式及严格地控制加载路径等措施，但工序烦琐、成本增加且生产 效率低是制约其发展的瓶径问题。且由塑性力学理论可知，管材内压成形时周向变形量最 大截面部位处于双拉应力状态(此部位外侧的厚向应力为零)，因此，该部位为危险区，随 着内压的增加，极易因壁厚过度减薄而产生开裂倾向。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有管材内压成形过程中出现的变形均匀性差、局部过度减 薄而发生开裂，及室温成形极限低的问题，本发明提供了用于提高管材内压成形极限的装 置及利用其的提高管材内压成形极限的方法。

本发明的第一种用于提高管材内压成形极限的装置，包括第一密封装置、第一模架、 第二模架、第二密封装置和调压阀，第一模架和第二模架将管材固定，第一密封装置将管 材的一端密封，第二密封装置将管材的另一端密封，在第二密封装置的轴心线上设置通路， 调压阀的输出端通过管路与第二密封装置上的通路连接，通路将管材的内腔与调压阀的输 出端连通，其中，在管材的外侧壁的中部还设置有约束套，约束套的内径比管材的外径大 0.5mm～1.0mm，约束套的材料为低碳钢。

本发明的第一种用于提高管材内压成形极限的装置中约束套的材料优选为20号钢。约 束套的长度为管材的预成形长度的四分之一至三分之一为宜。

本发明的第二种用于提高管材内压成形极限的装置，包括第一密封装置、第一模架、 第二模架、第二密封装置、调压阀，第一模架和第二模架将管材固定，第一密封装置将管 材的一端密封，第二密封装置将管材的另一端密封，在第二密封装置的轴心线上设置通路， 调压阀的输出端通过管路与第二密封装置上的通路连接，通路将管材的内腔与调压阀的输 出端连通，其中，还包括模具，模具由上模和下模组成，上模和下模固定连接，模具的两 端分别固定连接在第一模架和第二模架上，模具的中轴线与管材的中轴线重合，模具的空 腔的直径大于管材的外径，模具的上模上设置有开口。

本发明的第二种用于提高管材内压成形极限的装置中模具的空腔的直径比管材的外径 大1～3cm，优选的是大1.5cm。

利用本发明的第一种用于提高管材内压成形极限的装置的提高管材内压成形极限的方 法，是通过以下步骤实现的：一、制备约束套：约束套的内径比管材的外径大0.5mm～1.0mm， 约束套的材料为低碳钢；二、将约束套套至管材的外侧的中部，然后将管材的两端分别固 定于第一模架和第二模架上，再用第一密封装置将管材的一端密封，第二密封装置将管材 的另一端密封；三、开启调压阀，通过第二密封装置上的通路向管材内腔中输送内压，进 行管材内压成形；四、卸去内压，然后依次卸去第一密封装置、第二密封装置、第一模架 和第二模架，再将约束套取下，得到内压成形的管材，完成提高管材内压成形极限的方法。

利用本发明的第二种用于提高管材内压成形极限的装置的提高管材内压成形极限的方 法，是通过以下步骤实现的：一、将管材3的两端分别固定于第一模架和第二模架上，再用 第一密封装置将管材的一端密封，第二密封装置将管材的另一端密封，然后利用模具的上 模和下模将管材嵌套至模具的空腔内，并将上模和下模固定连接，再将模具的两端分别固 定连接在第一模架和第二模架上；二、通过模具上的开口向模具和管材构成的空隙中添加 填充物，所述填充物为钢球、砂子或者聚氨酯，开启调压阀，通过第二密封装置上的通路 向管材内腔中输送内压，进行管材内压成形；三、卸去内压，然后将填充物倒出，再依次 卸去模具、第一密封装置、第二密封装置、第一模架和第二模架，取下管材，得到内压成 形的管材，完成提高管材内压成形极限的方法。

本发明的用于提高管材内压成形极限的装置采用在管材外侧施加背压作用的方式，使 管材在内压成形过程中，管材最大截面部位的受力状态由双拉变为两拉一压的应力状态， 且拉应力数值明显降低，从而避免了该部位因壁厚过度减薄而产生开裂缺陷的可能性，使 室温时的成形极限得到显著地提高，而所需设备要求低、工艺流程少、生产周期也明显地 降低；且通过合理地控制约束套的形式和材质，可进一步地提高管材内压成形极限和变形 的均匀性，室温下管材膨胀率达到30％～45％。

本发明的第一种用于提高管材内压成形极限的装置仅需要在管材外侧的中部设置一个 低碳钢材质的约束套，在最易因壁厚过度减薄而产生开裂的管材的中部设置约束套，使得 内压变形过程中管材中部处于的应力状态由双拉变为两拉一压的形式，且拉应力数值明显 地降低，避免了因壁厚过度减薄而产生开裂的可能性，提高了管材内压成形极限。因此， 与传统提高管材内压成形极限的方法(增加中间处理工序、采用整体或局部加热方式和严格 控制加载路径等)相比，采用第一种装置的提高管材内压成形极限的方法设备要求低、工序 流程少，便于实施。特别对于铝合金、镁合金等低塑性金属材料而言，更易于实现制品整 体性能的可靠性及满足设计和使用要求。

本发明的第二种用于提高管材内压成形极限的装置采用固体颗粒填充物钢球、沙子等) 来施加背压方式的效果更加柔性，且固体颗粒填充物成本低，易于成形时密封和成形后清 除，且无污染、可回收。简便易行。在成形过程中，保持开口敞开，因为成形时由于工件 膨胀，会有少部分介质(钢球)由此出来，保证管材内压成形的完成。

本发明的两种提高管材内压成形极限的方法在室温下进行。

附图说明

图1是本发明的第一种用于提高管材内压成形极限的装置的剖视图；图2是具体实施 方式六中步骤三进行管材内压成形后的第一种装置的剖视图；图3是的本发明的第二种用 于提高管材内压成形极限的装置的剖视图；图4具体实施方式十五中步骤二进行管材内压 成形后的第二种装置的剖视图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意 组合。

具体实施方式一：结合图1，说明本实施方式的第一种用于提高管材内压成形极限的 装置，用于提高管材内压成形极限的装置包括第一密封装置1、第一模架2、第二模架5、 第二密封装置6和调压阀7，第一模架2和第二模架5将管材3固定，第一密封装置1将 管材3的一端密封，第二密封装置6将管材3的另一端密封，在第二密封装置6的轴心线 上设置通路6-1，调压阀7的输出端通过管路与第二密封装置6上的通路6-1连接，通路 6-1将管材3的内腔与调压阀7的输出端连通，其中，在管材3的外侧壁的中部还设置有 约束套4，约束套4的内径比管材3的外径大0.5mm～1.0mm，约束套4的材料为低碳钢。

本实施方式仅需要在管材外侧的中部设置一个低碳钢材质的约束套，在最易因壁厚过 度减薄而产生开裂的管材的中部设置约束套，使得内压变形过程中管材中部处于的应力状 态由双拉变为两拉一压的形式，且拉应力数值明显地降低，避免了因壁厚过度减薄而产生 开裂的可能性，提高了管材内压成形极限。因此，与传统提高管材内压成形极限的方法(增 加中间处理工序、采用整体或局部加热方式和严格控制加载路径等)相比，采用第一种装 置的提高管材内压成形极限的方法设备要求低、工序流程少，便于实施。特别对于铝合金、 镁合金等低塑性金属材料而言，更易于实现制品整体性能的可靠性及满足设计和使用要 求。解决了现有管材内压成形过程中出现的变形均匀性差、局部过度减薄而发生开裂，及 室温成形极限低的问题。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是约束套4的长度为管材3 的预成形长度的四分之一至三分之一为宜。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是约束套4的内径比管材 3的外径大0.6mm～0.9mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是约束套4的内径比管材 3的外径大0.8mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是约束套4的材料为 20号钢。其它组成及连接关系与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式利用具体实施方式一所述的用于提高管材内压成形极限 的装置的提高管材内压成形极限的方法，其是通过以下步骤实现的：一、制备约束套4： 约束套4的内径比管材3的外径大0.5mm～1.0mm，约束套4的材料为低碳钢；二、将约 束套4套至管材3的外侧的中部，然后将管材3的两端分别固定于第一模架2和第二模架 5上，再用第一密封装置1将管材3的一端密封，第二密封装置6将管材3的另一端密封； 三、开启调压阀7，通过第二密封装置6上的通路6-1向管材3内腔中输送内压，进行管 材内压成形；四、卸去内压，然后依次卸去第一密封装置1、第二密封装置6、第一模架 2和第二模架5，再将约束套4取下，得到内压成形的管材3，完成提高管材内压成形极 限的方法。

本实施方式的提高管材内压成形极限的方法，在室温下进行，操作简单，设备要求低、 工序流程少，便于实施。特别对于铝合金、镁合金等低塑性金属材料而言，更易于实现制 品整体性能的可靠性及满足设计和使用要求。

本实施方式步骤三进行管材内压成形后的用于提高管材内压成形极限的装置的剖视 图如图2所示。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤一中制备的约束套4 的长度为管材3的预成形长度的四分之一至三分之一为宜。其它组成及连接关系与具体实 施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤一中制备的约束套 4的内径比管材3的外径大0.6mm～0.9mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二 相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤一中制备的约束套 4的内径比管材3的外径大0.8mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是步骤一制备的约束 套4的材料为20号钢。其它组成及连接关系与具体实施方式六至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是步骤一至步骤四 中所述管材3为铝合金管材、镁合金管材、不锈钢管材或者高强钢管材。其它组成及连接 关系与具体实施方式六至十之一相同。

具体实施方式十二：结合图3，说明本实施方式的第二种用于提高管材内压成形极限 的装置，其包括第一密封装置1、第一模架2、第二模架5、第二密封装置6、调压阀7， 第一模架2和第二模架5将管材3固定，第一密封装置1将管材3的一端密封，第二密封 装置6将管材3的另一端密封，在第二密封装置6的轴心线上设置通路6-1，调压阀7的 输出端通过管路与第二密封装置6上的通路6-1连接，通路6-1将管材3的内腔与调压阀 7的输出端连通，其中，还包括模具4，模具4由上模8和下模9组成，上模8和下模9 固定连接，模具4的两端分别固定连接在第一模架2和第二模架5上，模具4的中轴线与 管材3的中轴线重合，模具4的空腔的直径大于管材3的外径，模具4的上模8上设置有 开口4-1。

本实施方式中模具4的材质只要能承受用于内压成形的压力即可，无其它特殊要求。

本实施方式的用于提高管材内压成形极限的装置采用固体颗粒填充物钢球、沙子等) 来施加背压方式的效果更加柔性，且固体颗粒填充物成本低，易于成形时密封和成形后清 除，且无污染、可回收。简便易行。对于铝合金、镁合金等低塑性金属材料而言，更易于 实现制品整体性能的可靠性及满足设计和使用要求。解决了现有管材内压成形过程中出现 的变形均匀性差、局部过度减薄而发生开裂，及室温成形极限低的问题。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的是模具4的空腔的直径比 管材3的外径大1～3cm。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十二不同的是模具4的空腔的直径比 管材3的外径大1.5cm。

具体实施方式十五：本实施方式为利用如具体实施方式十二所述的第二种用于提高管 材内压成形极限的装置的提高管材内压成形极限的方法，是通过以下步骤实现的：一、将 管材3的两端分别固定于第一模架2和第二模架5上，再用第一密封装置1将管材3的一 端密封，第二密封装置6将管材3的另一端密封，然后利用模具4的上模8和下模9将管 材3嵌套至模具4的空腔内，并将上模8和下模9固定连接，再将模具4的两端分别固定 连接在第一模架2和第二模架5上；二、通过模具4上的开口4-1向模具4和管材3构成 的空隙中添加填充物，所述填充物为钢球、砂子或者聚氨酯，开启调压阀7，通过第二密 封装置6上的通路6-1向管材3内腔中输送内压，进行管材内压成形；三、卸去内压，然 后将填充物倒出，再依次卸去模具4、第一密封装置1、第二密封装置6、第一模架2和 第二模架5，取下管材3，得到内压成形的管材，完成提高管材内压成形极限的方法。

本实施方式的提高管材内压成形极限的方法在室温下进行，操作简单，设备要求低、 工序流程少，便于实施。特别对于铝合金、镁合金等低塑性金属材料而言，更易于实现制 品整体性能的可靠性及满足设计和使用要求。

本实施方式步骤二进行管材内压成形后的用于提高管材内压成形极限的装置的剖视 图如图4所示。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式与具体实施方式十五不同的是步骤二 中的填充物的粒径控制在0.1～0.5mm。其它步骤及参数与具体实施方式十五相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十五或十六不同的是步骤二中通过第 二密封装置6上的通路6-1向管材3内腔中输送内压，使管材3内腔中的压力达30～90MPa。 其它步骤及参数与具体实施方式十五或十六相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十五、十六或十七不同的是步骤一至 步骤四中所述管材3为铝合金管材、镁合金管材、不锈钢管材或者高强钢管材。其它步骤 及参数与具体实施方式十五、十六或十七相同。

具体实施方式十九：本实施方式为第一种用于提高管材内压成形极限的装置，用于提 高管材内压成形极限的装置包括第一密封装置1、第一模架2、第二模架5、第二密封装 置6和调压阀7，第一模架2和第二模架5将管材3固定，第一密封装置1将管材3的一 端密封，第二密封装置6将管材3的另一端密封，在第二密封装置6的轴心线上设置通路 6-1，调压阀7的输出端通过管路与第二密封装置6上的通路6-1连接，通路6-1将管材3 的内腔与调压阀7的输出端连通，其中，在管材3的外侧壁的中部还设置有约束套4，约 束套4的内径比管材3的外径大0.8mm，约束套4的材料为20号钢。

本实施方式的约束套4的长度为管材3的预成形长度的三分之一。

采用上述用于提高管材内压成形极限的装置的提高管材内压成形极限的方法，其是通 过以下步骤实现的：一、制备约束套4：约束套4的内径比管材3的外径大0.8mm，约束 套4的材料为20号钢，约束套4的长度为铝合金管材3的预成形长度的三分之一；二、 将约束套4套至铝合金管材3的外侧的中部，然后将铝合金管材3的两端分别固定于第一 模架2和第二模架5上，再用第一密封装置1将管材3的一端密封，第二密封装置6将管 材3的另一端密封；三、开启调压阀7，通过第二密封装置6上的通路6-1向铝合金管材 3内腔中输送内压，使铝合金管材3内的压力达到60MPa，进行管材内压成形；四、卸去 内压，然后依次卸去第一密封装置1、第二密封装置6、第一模架2和第二模架5，再将 约束套4取下，得到内压成形的管材3，完成提高管材内压成形极限的方法。

经本实施方式的提高管材内压成形极限的方法处理后，铝合金管材3的内径由变形前 的64mm增大至变形后的86mm，增大了34％(膨胀率)，室温成形极限变好，且铝合金 管材3变形均匀，无局部过度减薄二开裂现象。

具体实施方式二十：本实施方式为第二种用于提高管材内压成形极限的装置，其包括 第一密封装置1、第一模架2、第二模架5、第二密封装置6、调压阀7，第一模架2和第 二模架5将管材3固定，第一密封装置1将管材3的一端密封，第二密封装置6将管材3 的另一端密封，在第二密封装置6的轴心线上设置通路6-1，调压阀7的输出端通过管路 与第二密封装置6上的通路6-1连接，通路6-1将管材3的内腔与调压阀7的输出端连通， 其中，还包括模具4，模具4由上模8和下模9组成，上模8和下模9固定连接，模具4 的两端分别固定连接在第一模架2和第二模架5上，模具4的中轴线与管材3的中轴线重 合，模具4的空腔的直径比管材3的外径大1.5cm，模具4的上模8上设置有开口4-1。

本实施方式中模具4的材质为20号钢或者45号钢。

利用上述的第二种用于提高管材内压成形极限的装置的提高管材内压成形极限的方 法，是通过以下步骤实现的：一、将镁合金管材3的两端分别固定于第一模架2和第二模 架5上，再用第一密封装置1将管材3的一端密封，第二密封装置6将镁合金管材3的另 一端密封，然后利用模具4的上模8和下模9将镁合金管材3嵌套至模具4的空腔内，并 将上模8和下模9固定连接，再将模具4的两端分别固定连接在第一模架2和第二模架5 上；二、通过模具4上的开口4-1向模具4和镁合金管材3构成的空隙中添加填充物，所 述填充物为粒径为0.1～0.5mm的钢球，开启调压阀7，通过第二密封装置6上的通路6-1 向镁合金管材3内腔中输送内压，使镁合金管材3内的压力达到30MPa，进行管材内压 成形；三、卸去内压，然后将填充物倒出，再依次卸去模具4、第一密封装置1、第二密 封装置6、第一模架2和第二模架5，取下管材3，得到内压成形的管材，完成提高管材 内压成形极限的方法。

经本实施方式的提高管材内压成形极限的方法处理后，镁合金管材3的内径由变形前 的21mm增大至变形后的了30mm，增大了43％(膨胀率)，室温成形极限变好，且镁合 金管材3变形均匀，无局部过度减薄二开裂现象。