一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法

摘要

一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法,它涉及一种大截面差异形截面管状零件的成形方法，该方法主要步骤是：步骤一、确定待成形的大截面差异形截面管件上若干横截面的周长及等效直径，确定胀压复合成形模具的结构及侧向挤压模具的内型腔尺寸和初始位置；步骤二、截取具有一定长度的等直径圆截面管坯，放入到胀压复合成形模具中；步骤三、通过压力介质入口向等直径圆截面管坯内部充入具有一定压力的压力介质，胀形获得变直径圆截面管坯；步骤四、驱动侧向挤压模具对变直径圆截面管坯进行挤压，得到大截面差异形截面管件；步骤五、卸除压力，打开胀压复合成形模具后取出成形好的管件。本发明用于大截面差异形截面管件的成形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大截面差异形截面管状零件的成形方法,具体涉及一种采用胀压复合成形制备大截面差异形截面管件的胀压复合成形方法。

背景技术

管状零件是一类非常重要的结构件。为了获得理想的结构强度，或者为了适应特定的使用空间，管状零件常具有复杂的轴线以及沿轴线方向不断变化的截面形状和尺寸。复杂的轴线，可以通过对原始平直的管坯进行弯曲获得。为了获得沿轴线方向不断变化的截面形状和尺寸，常采用在管坯内部施加较高压力使管坯发生胀形的方法，即通常所说的液压胀形或内高压成形。

在液压胀形或内高压成形过程中，管坯的截面周长(主要是周长增加)和形状(从圆截面变为非圆截面)可能同时发生变化。如果截面的周长发生较大增加，则该截面上的壁厚将有减薄的趋势。为了减缓因截面周长增加导致的壁厚减薄，通常需要在胀形的同时利用冲头对管材两端进行轴向挤压以向中间胀形区域补充材料。

对于变形前后截面周长变化不大，但是截面形状发生明显变化的零件，成形的关键是如何获得各种形状的截面。对于此类零件，一种纯胀形方案采用原始周长比最终管件周长略小的管坯，先将管坯放置于闭合的模腔内，然后利用内部的高压液体进行胀形以获得最终零件。采用该工艺，管材最终的截面(形状和尺寸)主要是通过管材的胀形变形获得。这既需要使用很高的胀形压力(有时高达400MPa)，同时，胀形后沿环向的壁厚分布也不均匀。另一种是纯模压方案采用原始周长与最终管件周长相同的圆形截面管坯，预先在管坯内部施加一定的压力支撑，然后利用刚性模具合模挤压以获得需要的截面形状，在内部压力支撑作用下，截面形状易于变化且不易发生咬边、折叠等缺陷。由于管坯内部的压力支撑是在模具未闭合的情况下施加的，为了保证在该状态下管材不发生胀形变形，预先向管坯内充入的介质(通常是液体或气体)的压力一般较低(约10～50MPa)。仅在该内部压力作用下，管材不会发生明显的胀形变形。也正因如此，目前采用该方案所能成形的管件都是截面周长基本无变化或只有微小变化。换言之，该方案只适用于成形前后截面周长基本无变化的小截面差简单管件。

如果在截面形状发生明显变化的同时截面周长也发生较大变化(即大截面差异形截面管件)，则不论采用纯胀形方案还是纯模压方案都无法获得截面形状、尺寸以及壁厚分布都满足要求的零件。此时，需要采用内部胀形和轴向压缩相复合的方法，管材在内部高压和轴向推力的共同作用下发生变形。但是，由于成形时内部压力很高(可高达400MPa)，管坯与模具内壁之间存在较大的摩擦阻力以及因截面形状复杂多变导致材料流动不均匀，在实践中很难获得沿环向和轴向壁厚均匀分布的零件。

发明内容

本发明是为解决现有的成形方法不能获得截面形状、尺寸以及壁厚分布都满足要求的大截面差复杂异形截面管件的问题，提出了一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法。

本发明为了解决上述问题所采取的技术方案是：

方案一：本发明的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法由下列步骤实现：

步骤一、确定待成形的大截面差复杂异形截面管件上若干横截面的周长及等效直径，从而确定胀压复合成形模具的结构及挤压模具的内型腔尺寸和初始位置；胀压复合成形模具主要由组装成一体的胀形模具和滑动安装在胀形模具内的挤压模具组成；

步骤二、截取具有一定长度的等直径圆截面管坯，放入到胀压复合成形模具中，胀形模具合模夹紧等直径圆截面管坯，此时，挤压模具上模和挤压模具下模远离等直径圆截面管坯；使用左冲头和右冲头对等直径圆截面管坯的两端密封；

步骤三、通过压力介质入口向等直径圆截面管坯的内部充入具有一定压力的压力介质，在胀形模具上模和胀形模具下模的作用下，等直径圆截面管坯上的与挤压模具的型腔对应区域发生变形以获得需要的变直径圆截面管坯；

步骤四、在获得的变直径圆截面管坯内部保持一定压力，然后驱动挤压模具上模和挤压模具下模对变直径圆截面管坯进行挤压，在胀压复合成形模具和内部压力介质的共同作用下使得变直径圆截面管坯发生变形直至贴靠由胀形模具和挤压模具共同围成的模具型腔，得到大截面差异形截面管件；

步骤五、通过压力介质出口将成形后的大截面差异形截面管件内部的压力介质排出以卸除压力，打开胀压复合成形模具后取出成形好的大截面差异形截面管件。

方案二：本发明的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法由下列步骤实现：

步骤一、确定待成形的大截面差异形截面管件上若干横截面的周长及等效直径，从而确定胀压成形模具的内型腔尺寸；

步骤二、截取具有一定长度的等直径圆截面管坯，放入到胀压成形模具下模中，胀压成形模具上模和胀压成形模具下模合模后，使用左冲头和右冲头对等直径圆截面管坯的两端密封；

步骤三、通过压力介质入口向等直径圆截面管坯的内部充入具有一定压力的压力介质，通过胀形获得与胀压成形模具内型腔一致的变直径圆截面管坯，通过压力介质出口卸除压力；

步骤四、将胀形得到的变直径圆截面管坯两端进行密封，放入到侧向挤压模具下模中，通过侧向压力介质入口向变直径圆截面管坯中通入具有一定压力的压力介质，侧向挤压模具上模和侧向挤压模具下模合模并对变直径圆截面管坯施加作用，在侧向挤压模具和内部压力介质的共同作用下使得变直径圆截面管坯成形为大截面差异形截面管件；

步骤五、通过侧向压力介质出口将成形后的大截面差异形截面管件内部的压力介质排出卸除压力，打开侧向挤压模具上模和侧向挤压模具下模后取出成形好的大截面差异形截面管件。

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法可以概述为“先胀后压”工艺，胀形工序的主要目的是将原始等直径的圆截面管坯变形为沿轴向具有变直径的圆截面管坯。通常，沿管材轴向不同位置的直径不会发生突然变化，不存在难以成形的局部小圆角，因此胀形所需的压力很低，对设备、模具等的要求低。

2、本发明的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法，胀形过程中管材将发生均匀的环向伸长变形，所以胀形变形后管坯的环向壁厚分布很均匀，而在侧向挤压过程中管材将不再发生明显的环向伸长变形，环向壁厚也基本保持不变，所以最终获得管件的环向壁厚分布均匀。

3、本发明的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法，胀形过程中使用的圆截面管坯可以使用初始轴向不等壁厚的管材，这样可以抵消胀形过程中截面周长增加导致的壁厚减薄，从而得到轴向壁厚均匀分布的变直径圆截面管坯。

4、本发明的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法，侧向挤压的主要目的是将经过胀形变形获得的管坯的圆截面变成需要的异形截面。在侧向挤压过程中，管件环向基本不发生明显的伸长变形。侧向挤压时在管坯内部施加的压力只是起辅助支撑作用，管坯将在外部刚性模具和内部支撑压力的共同作用下贴靠到模腔上。侧向挤压时所施加的内部压力要明显低于“内部高压和轴向推力”同时作用的传统内高压成形，因此，大大降低了对设备吨位、模具强度及密封等的要求。

5、本发明的的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法，不论是胀形还是侧向挤压，在管坯内部施加的压力都较低，因此，管材在变形时与模具之间的接触压力低、摩擦阻力小，模具的摩擦磨损少、使用寿命高，同时所成形零件的表面质量也好。

附图说明

图1为本发明方案一的轴向不补料的等直径圆截面管坯胀压复合连续成形的状态图；

图2为本发明方案一的轴向不补料的等直径圆截面管坯胀压复合连续成形得到变直径圆截面管坯的过程示意图；

图3为本发明方案一的轴向不补料的等直径截面管坯胀压复合连续成形得到大截面差异形截面管件的过程示意图；

图4为本发明方案一的轴向不补料的等直径截面管坯热态下胀压复合连续成形的状态图；

图5为本发明方案一的轴向补料的等直径截面管坯胀压复合连续成形的状态图；

图6为本发明方案一的轴向补料的等直径截面管坯热态下胀压复合连续成形的状态图；

图7为本发明方案一的胀压复合连续成形得到圆形截面的大截面差异形截面管件的示意图；

图8为本发明方案一的胀压复合连续成形得到椭圆形截面的大截面差异形截面管件的示意图；

图9为本发明方案一的胀压复合连续成形得到方形截面的大截面差异形截面管件的示意图；

图10为本发明方案二的轴向不补料的等直径圆截面管坯胀压复合分步成形的状态图；

图11为本发明方案二的轴向不补料的等直径圆截面管坯胀压复合分步成形得到变直径圆截面管坯的过程示意图；

图12为本发明方案二的轴向不补料的等直径圆截面管坯胀压复合分步成形得到大截面差异形截面管件的过程示意图；

图13为本发明方案一和方案二采用轴向不等壁厚的等直径圆截面管坯的结构示意图；

图14为本发明的具体实施方式七采用约束环和锥面拉杆的密封示意图；

图15为本发明的具体实施方式八采用端部焊接密封示意图。

其中，1-1为胀形模具上模，1-2为胀形模具下模，2为等直径圆截面管坯，3为压力介质，41为左冲头，42为右冲头，4-1为压力介质出口，4-2为压力介质入口，5-1为挤压模具上模，5-2为挤压模具下模，6-1为胀压成形模具；6-2为胀压成形模具，8为加热棒，9为侧向挤压模具下模，10-1为侧压力介质出口，10-2为侧压力介质入口，11为变直径圆截面管坯，12为侧向挤压模具上模，13为带锥面拉杆，14为螺母，15为约束环，16为弹性圈，17为密封挡板。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图9说明，本实施方式的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法是按照以下步骤进行的：

步骤一、确定待成形的大截面差复杂异形截面管件上若干横截面的周长及等效直径，从而确定胀压复合成形模具的结构及挤压模具的内型腔尺寸和初始位置；胀压复合成形模具主要由组装成一体的胀形模具和滑动安装在胀形模具内的挤压模具组成；

步骤二、截取具有一定长度的等直径圆截面管坯2，放入到胀压复合成形模具中，胀形模具合模夹紧等直径圆截面管坯2，此时，挤压模具上模5-1和挤压模具下模5-2远离等直径圆截面管坯2；使用左冲头41和右冲头42对管坯2的两端密封；

步骤三、通过压力介质入口4-2向等直径圆截面管坯2的内部充入具有一定压力的压力介质3，在胀形模具上模1-1和胀形模具下模1-2的作用下，等直径圆截面管坯2上的与挤压模具的型腔对应区域发生变形以获得需要的变直径圆截面管坯11；

步骤四、在获得的变直径圆截面管坯11内部保持一定压力，然后驱动挤压模具上模5-1和挤压模具下模5-2对变直径圆截面管坯11进行挤压，在胀压复合成形模具和内部压力介质3的共同作用下使得变直径圆截面管坯11发生变形直至贴靠由胀形模具和挤压模具共同围成的模具型腔，得到大截面差异形截面管件；

步骤五、通过压力介质出口4-1将成形后的大截面差异形截面管件内部的压力介质3排出以卸除压力，打开胀压复合成形模具后取出成形好的大截面差异形截面管件。

本具体实施方式的有益效果为：胀压复合成形模具采用一体组合式结构，胀形模具上模1-1和胀形模具下模1-2对等直径圆截面管坯2的两端进行约束和密封，侧向挤压模具上模5-1和侧向挤压模具下模5-2初始处于靠外侧的位置以便于等直径圆截面管坯2发生相对自由的胀形变形。在胀形过程中，只需要施加较小的内部压力。当等直径圆截面管坯2完成胀形变形，使等直径圆截面管坯2上的直径得到合理分配后，驱动侧向挤压模具上模5-1和侧向挤压模具上模5-2即可使变直径圆截面管坯11发生变形以填充最终的模具型腔。在侧向挤压过程中，所需的内部压力仍较小，变直径圆截面管坯11是在内部的均匀分布压力和侧向的模具挤压力的共同作用下发生变形，变形简单、材料流动容易。同时，在胀形后不需要卸除内部压力即可进行侧向挤压，大大简化了工序，缩短了成形时间。挤压模具上模5-1和挤压模具下模5-2远离等直径圆截面管坯2较远的位置，也即步骤一中确定的挤压模具的初始位置应与等直径圆截面管坯2的距离远一点，这样，胀形时通过控制压力使得管子长起来但又不会不受控制而不断膨大而破解，管坯张形时过早接触挤压模具会使得壁厚分布不均匀化，保证了管坯在自由张形时管子壁厚均匀。本实施方式步骤四的中变直径圆截面管坯11内部保持一定压力是指充入的仍然为压力介质3，压力介质3的压力保持不变，步骤三中的压力介质没有被放出来，这个步骤四中的压力根据不同的零件有所不同。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3、图4以及图6说明，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤二中的胀压复合成形模具通过加热棒8加热至等直径圆截面管坯2的成形温度。如此设置，步骤二中的胀压复合成形模具在放置等直径圆截面管坯2之前已加热至等直径圆截面管坯2的成形温度，胀形模具上模1-1、胀形模具下模1-2、侧向挤压模具上模5-1和侧向挤压模具下模5-2的温度可以通过加热孔7里的加热棒8控制。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图6说明，本实施方式与具体实施方式一至二之一不同点在于：步骤二中的密封用左冲头41和右冲头42是锥形冲头或轴肩冲头。本具体实施方式的有益效果为：步骤二中的密封冲头可以是图1-图4所示的锥形冲头，也可以是图5和图6所示的带轴肩冲头6。锥形冲头用于管坯端部密封时是将管坯端部扩口后用冲头压靠在模具两侧，为刚性密封，密封效果好且简单易行，适用于不需要向胀形区补料的胀形过程。带轴肩冲头依靠轴肩与管坯端部压紧来实现密封，同时会在等直径圆截面管坯2端部施加轴向作用力，适用于需要向胀形区补料的胀形过程。其它步骤与具体实施方式一至二之一相同。

具体实施方式四：结合图1-图6以及图13说明，本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点在于：步骤二和步骤三中的等直径圆截面管坯2为轴向不等壁厚的等直径圆截面管坯。

本具体实施方式的有益效果为：胀形过程中使用的等直径圆截面管坯2为轴向不等壁厚的等直径管材，等直径是指管材的外径相同而壁厚不相同，这样可以抵消胀形过程中截面周长增加导致的壁厚减薄，从而得到轴向壁厚均匀分布的变直径圆截面管坯。其它步骤与具体实施方式一至三之一相同。

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点在于：步骤三中的压力介质3为液体或气体。使用方便，满足设计要求。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：结合图10、图11、图12、图14和图15说明，本实施方式的一种大截面差异形截面管件胀压复合成形方法是按照以下步骤进行的：

步骤一、确定待成形的大截面差异形截面管件上若干横截面的周长及等效直径，从而确定胀压成形模具的内型腔尺寸；

步骤二、截取具有一定长度的等直径圆截面管坯2，放入到胀压成形模具下模6-2中，胀压成形模具上模6-1和胀压成形模具下模6-2合模后，使用左冲头41和右冲头42对等直径圆截面管坯2的两端密封；

步骤三、通过压力介质入口4-2向等直径圆截面管坯2的内部充入具有一定压力的压力介质3，通过胀形获得与胀压成形模具内型腔一致的变直径圆截面管坯11，通过压力介质出口4-1卸除压力；

步骤四、将胀形得到的变直径圆截面管坯11两端进行密封，放入到侧向挤压模具下模9中，通过侧向压力介质入口10-2向变直径圆截面管坯11中通入具有一定压力的压力介质3，侧向挤压模具上模12和侧向挤压模具下模9合模并对变直径圆截面管坯11施加作用，在侧向挤压模具和内部压力介质3的共同作用下使得变直径圆截面管坯11成形为大截面差异形截面管件；

步骤五、通过侧向压力介质出口10-1将成形后的大截面差异形截面管件内部的压力介质3排出卸除压力，打开侧向挤压模具上模12和侧向挤压模具下模9后取出成形好的大截面差异形截面管件。

本具体实施方式的有益效果为：胀压复合成形采用独立的胀形模具和侧向挤压模具。胀形模具上模1-1和胀形模具下模1-2合模后构成密闭的型腔，型腔的形状简单，等直径圆截面管坯2在较低的内压作用下即可发生胀形变形并贴靠模具型腔。通过设计合理的型腔，可以准确控制胀形后原等直径圆截面管坯2上的直径变化和壁厚分布，为后续的侧向挤压提供精确的坯料。采用独立的侧向挤压模具上模5-1和侧向挤压模具下模5-2对胀形后得到的变直径圆截面管坯11进行侧向挤压，变直径圆截面管坯11上轴向各位置主要发生截面形状的变化而不发生或只发生很小的胀形变形，这种变形也是在较低的压力下即可完成。采用该实施方式，可以灵活且准确地控制胀形后原等直径圆截面管坯2的直径和壁厚分布，从而可以获得形状尺寸、壁厚分布都满足要求的管件。同时，将胀形和侧向挤压过程分离，简化了模具结构，易于操作。

具体实施方式七：结合图14说明，本实施方式与具体实施方式六的不同点在于：步骤四中的由胀形得到的变直径圆截面管坯11两端密封方式为：

胀形得到的变直径圆截面管坯11的两端内各放置一个弹性圈16，变直径圆截面管坯11的两端外各插装一个约束环15，带锥面拉杆13穿过弹性圈16和约束环15，在螺母14的作用下带动带锥面拉杆13的锥面不断挤压弹性圈16，弹性圈16与变直径圆截面管坯11内壁紧密接触实现变直径圆截面管坯11的两端密封。如此设置，结构简单，设计合理，可以重复使用。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图15说明，本实施方式与具体实施方式六至七之一的不同点在于：步骤四中的由胀形得到的变直径圆截面管坯两端密封采用密封挡板17与变直径圆截面管坯11端部焊接的方式实现密封。步骤四中的由胀形得到的变直径圆截面管坯两端密封方式为焊接的方式，采用密封挡板13与变直径圆截面管坯11端部焊接的方式实现密封。实施过程简单，不需要采用密封元件。其它步骤与具体实施方式六至七之一相同。

具体实施方式九：结合图10-图12说明，本实施方式与具体实施方式六至八之一的不同点在于：步骤二和步骤三中的等直径圆截面管坯2为轴向不等壁厚的等直径圆截面管坯。本具体实施方式的有益效果为：胀形过程中使用的等直径圆截面管坯2为轴向不等壁厚的等直径管材，等直径是指管材的外径相同而壁厚不相同，这样可以抵消胀形过程中截面周长增加导致的壁厚减薄，从而得到轴向壁厚均匀分布的变直径圆截面管坯。其它步骤与具体实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十：结合图10-图12说明，本实施方式与具体实施方式六至九之一的不同点在于：步骤三和步骤四的压力介质3为液体或气体。使用方便，满足设计要求。其它与具体实施方式六至九之一相同。

工作原理：本发明方案一为连续成形方案，等直径圆截面管坯被胀形时，挤压模具初始位置先远离等直径圆截面管坯，胀形模具不运动(约束作用)，通过压力介质实现胀压得到变直径圆截面管坯，此时挤压模具的型腔相当于胀形内腔作用；挤压时，驱动挤压模具运动并结合变直径圆截面管坯内的压力介质实现大截面管件成形；此种，挤压模具一个型腔起到两种作用(空心箭头表示管坯胀形方向)。本发明方案二为分布成形方案：等直径圆截面管坯先胀形时，胀压成形模具不动(约束作用)，通过压力介质实现胀形得到变直径圆截面管坯；挤压时侧向挤压模具上模下行并结合变直径圆截面管坯内的压力介质实现大截面管件成形，此种，胀压成形模具和侧向挤压模具各自有自己的型腔，各自起到各自的作用(空心箭头表示管坯胀形方向)。