专利名称：液压成形伸长的管状部件的方法
技术领域：
本发明涉及液压成形管状部件的方法以及设计用于液压成形管状部件的模具的方法。
背景技术：
为了减轻成形部件的质量而液压成形轻质材料(例如铝或者高强度钢)是具有挑战性的。液压成形部件可能具有限制成形性的最大应变区域。如果在局部区域超出部件的最大强度，则部件会裂开。尽管在特定局部区域可最大化应变，液压成形部件的其他区域可能具有相对较低水平的应变。角以及其它高度成形区域通常靠近于典型地观察到最大应变的区域。最大应变的区域还会靠近较低应变的区域。
为了避免高应变区域的裂开，可以使用更多具有较低强度的更易延展的材料。为了提供需求的强度，可以指定更厚的管材以提供需求强度。更厚的面板导致更厚的部件并且增加最终部件的重量。使用更厚的管材还倾向于增加材料成本。增加的部件重量减小了燃料经济性。液压成形部件可以成形为方形，六角形或者包括角的不规则形状。如果部件包括角，可以预测在靠近最终部件的角的狭窄区域会观察到最大应变。如下总结的，申请人尝试解决上述倾向于减小可从轻质材料成形的部件的范围的挑战。
发明内容
根据本发明公开的液压成形工艺的一方面，可以预成形液压成形的管材以重新分布管材中的应变并减小预期最大应变区域中的应变。在液压成形工艺期间通过在不显著拉伸的降低的应变区域预成形该管材，可以在靠近预期具有最大应变的角的区域提供额外的材料。在预成形步骤中可以通过在靠近最大应变的区域的具有降低的应变的区域提供额外的材料而最小化管材在最大应变区域的拉伸和减薄。设计用于预成形和成形管材的液压成形模具的方法可通过映射针对一步液压成形工艺的预期应变分布开始。如果将以一步液压成形操作成形该管材，则可以使用该管材的有限元网格识别该管材的强拉伸区域。通过识别该管材的不是显著伸长或者最大应变的区域的“窗口”(windoWS)或者区域确定预成形形状。在这些窗口中的可用材料可沿着该管材流动直至管材中的应变平衡。在预成形模具中预成形管材，其中在窗口中挤压管材的材料。然后在液压成形工艺中管材受压将管材成形为预成形形状，其中管材中的流体通过液体的内部压力加压。该管材随后移至最终形状液压成形模具中，在此其被成形为期望的形状。申请人:发明的这些和其他特征参考下面的附图和下面具体说明书的实施例将变得更加显而易见。
图I为具有角的液压成形管材的部分主视图，其说明了在现有技术中遇到的靠近角部分的区域的最大应变区域的减薄问题。图2为在预成形工艺开始时置于预成形模具中的管材的横截面视图。图3为预成形模具的横截面视图，显示了管材在局部区域变形以形成初步预成形料。图4为预成形模具的横截面视图，显示了初步预成形料在液压成形后成为完全预成形管材的形状。图5为完全预成形管材的部分主视图。图6为在最终液压成形步骤之前的填充有流体的并置于最终形状模具上的预成 形管材的横截面视图。图7为在通过内部压力成形最终部件形状之后在最终液压成形模具中的液压成形最终部件的横截面视图。图8为最终部件的部分主视图。
具体实施例方式在下面提供了本发明的说明性的实施例的详细描述。这些实施例为本发明的示例，其可以多种和可替代方式实施。附图并不必须按比例绘制，可以放大或者缩小一些特征以显示具体零部件的细节。本申请中揭示的具体结构的和功能的细节并不能解释为限定，而仅仅作为教导本领域内技术人员以各种方式实施本发明的代表性基础。参考图1，显示了包括不规则截面形状的液压成形的管状部件10。管状部件10具有多个预期高应变的区域12 (过度拉伸区域)，其总体上位于紧靠管状部件10的角16的位置。预期低应变的区域18(低拉伸区域)的窗口显示为大体位于预期高应变区域12之间的侧壁部分。根据在此揭示的方法之一，管状部件10经一步液压成形操作或者仿真为以一步液压成形操作成形。可以设计管状部件10的模型并且可以收集对应于在仿真或者实际单步骤液压成形工艺成形后的管材中的应变分布的数据。参考图2，预成形模具组20显示为包括冲头22和下模24。显示了预成形模具组20中在被挤压之前的具有直径D的圆柱形管材26。多个凸节点28朝着圆柱形管材的中心径向向内延伸并且适于挤压管材的壁。在凸节点28之间设置多个凹节点30。如在此使用的，术语凹和凸应当解释为指关于模具组20的内表面的表面形状。凹节点30设计为设置在如图I所示的预期高应变区域12对应的区域。凸节点28设置在如图I所示的预期低应变窗口 18对应的区域。参考图3，随着预成形模具组20开始挤压如图2所示的圆柱形管材26，通过预成形模具组20形成初始预成形料32。参考图4，通过在初始预成形料32中提供的流体38，将初始预成形料32成形为预成形管材36。提供液压成形压力至流体38以使得按照预成形模具组20的成形表面40成形预成形管材36。现在参考图5，显示了从如图4所示的预成形模具组20移走后的预成形管材36。预成形管材36包括沿着预成形管材36的周线交替的凸节点28和凹节点30。参考图6-7，图6中显示了置于最终液压成形模具组42中的预成形管材。液压成形模具组包括上模44和下模46。在预成形管材36中提供有流体38。在预成形管材36中提供有对应于凸节点28和如图I所示的预期低应变窗口 18的过剩金属区域48。通过上模44和下模46确定了最终模具成形表面50。在过剩金属区域48和最终模具成形表面50之间设有间隙51。凹节点30大体延伸穿过在最终模具成形表面50中形成的角16并且与最终模具成形表面50相接触。在预成形管材36中的流体38经受液压成形压力将预成形管材36成形为最终部件52。参考图7，显示了液压成形后完全扩张与最终模具成形表面50相接触的最终部件52。在通过流体38成形之后，从最终成形部件52中排尽流体38。如图8所示，成形了具有多个角16的最终部件52。本申请人发明的另一方面提供了一种液压成形包括预期高应变区域12和预期低 应变区域18的伸长的管状部件的方法。根据该方法，如图I所示，在预成形模具组20中在预期低应变区域18径向挤压管材26以成形初始预成形料32。在本说明性实施例中，在当预成形模具组20紧靠管材26时，模具组20作用为挤压装置。初始预成形料32随后液压成形为预成形管材36。接着，在最终模具组42中将预成形管材36液压成形为最终部件52。预期低应变区域18靠近大体沿着伸长的管状部件26的长度延伸的预期高应变区域12。在管材26的变形步骤期间，从预期低应变区域18拉伸出一些金属。在液压成形步骤期间，预成形管材36液压成形为最终部件形状52，预成形为预期低应变区域性18的该一些金属的至少一部分被拉伸为预期高应变区域12。在成形初始预成形料32的步骤期间，在初始预成形料32和预成形模具组20的内表面设置间隙空间51。后续，在液压成形预成形管材36的步骤期间，在液压成形操作中将初始预成形料32扩张以填充间隙空间51。申请人:发明还涉及液压成形管状部件52以具有相对于管状部件52的长度纵向延伸的至少一个角16的方法。如图6所示，管状部件52包括在最小宽度区域宽度的两个相对的边之间测量的宽度Wmin和最大宽度区域宽度Wmax。液压成形管状部件52的方法通过选择具有大于Wmin的直径D的圆形横截面的金属管材26开始。在预成形模具组20中成形管材26，以机械地挤压管材的位于沿着管材纵向延伸的至少一个低应变局部区域中的外径。该局部区域靠近邻近于部件的角部区域的高应变区域，该初始预成形料32具有被挤压至小于Wmin的外表面。在第一液压成形操作中在预成形模具组20中液压成形初始预成形料32以成形预成形管材36。随后预成形管材36被从预成形模具组20移走并装载入最终模具组42。利用第二液压成形操作在最终模具组42中液压成形预成形管材36以在管材中形成角16。高应变的局部区域12可靠近角16的相对边。申请人:还发明了一种设计用于液压成形管材的模具组的方法。该设计模具组的方法包括第一步骤，在单步骤液压成形工艺中理论地或者实际地测试成形工艺之后，开发最终部件形状的模型以收集对应于管材中的应变分布的数据。在仿真单步骤液压工艺时，可以使用具有无网格重划分的精细数值网格的有限元程序，以确定初始管材中的低拉伸区域18和过度拉伸区域12。可以基于在液压成形工艺后观察到的有限元值的分析得到预期过度拉伸位置12和低拉伸位置18。在该工艺中下一步骤为在预成形步骤后形成预成形料的形状。预成形料被设计为从预成形料形状展开为最终形状而不需任何实质的拉伸。目标预成形料的形状如下形成
(I)通过在未形变的管材(在液压成形工艺结束时其将变形)的每个有限元中分配应变数值，将来自单步骤液压成形工艺的应变在未形变的管材中分配。基于联系应力和应变的弹性方程计算未形变管材的每个有限元中的应力。(2)以对应于设计用于阻止管材弯曲的刚性内心轴和外心轴(mandrel)的边界条件模拟上述具有在(I)中计算的内应力的管材的形变。在内心轴上确定窗口，材料被设计为通过管材中的内应力驱动进入窗口。在模拟过程结束时，在最终形状液压成形期间通过在确定为低拉伸区域的指定窗口中提供膨胀的金属材料平衡弹性张力并提供了较低的应变水平。(3)通过将预成形模具的成形表面设计为包括在弹性膨胀模型中形成的膨胀形状，形成了预成形形状。通过闭合冲头22和下模24，液压成形初始预成形料32以顺应模具表面40，并液压成形预成形管材36为最终部件52，而开发管材的形变的仿真。(4)分析在最终部件52中的预期应变以确定是否应变分布可以接受。如果最大应变高于成形极限值，分配有限元网格至最终部件形状，随后最终部件形状通过反复确认 节点力分布向后朝向预成形管材36变形。在此步骤期间没有对有限元网格施加初始应变。利用该模型的弹性公式确保管材最终形状的表面大体与预成形料形状相同。分配节点力，使得预成形管材的形状类似于在上述(2)中形成的管材形状。节点力分布的反复重新调整允许平整表面以维持预成形形状和最终形状之间的等同。(5)如在上述步骤(3)重新检查应变分布并且如果需要进行重复。在模型中，识别了预期过度拉伸区域12和预期低拉伸区域18，这是因为期望它们在单步骤液压成形工艺期间成形。随后基于模型设计预成形模具组20以在预成形步骤期间提供包括槽的预期低拉伸区域18。最终液压成形模具组42设计为最终形状。设计用于液压成形管材的模具组的方法还可以包括进一步的步骤设计预成形模具组20，挤压管材以在低拉伸区域18拉伸金属以成形初始预成形料32。通过注射加压流体38进入管材，该初始预成形料32在液压成形模具中扩张以成形该预成形管材36。间隙空间51优选设置在初始预成形料32和在预成形模具组20的内表面上的模具表面40的凹区域之间。在首次液压成形步骤期间，初始预成形料32扩张以填充初始预成形料32和预成形模具组20的内表面之间的间隙空间51。预期过度拉伸区域12总体靠近角部区域且预期低拉伸区域18可以为靠近过渡拉伸区域12的平坦区域。尽管上面描述了示例实施例，这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中使用的词汇为描述词汇而非限制，而且应当理解可以作出多种变形而不会背离本发明的精神和范围。此外，可以组合多个实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。
权利要求
1.一种液压成形包括预期高应变区域和预期低应变区域的伸长的管状部件的方法，所述方法包含 在预成形模具中通过在所述预期低应变区域径向地变形管材而将所述管材拉伸为初始预成形料； 将所述初始预成形料液压成形为预成形管材； 在最终模具中将所述预成形管材液压成形为最终形状。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述预期低应变区域沿着所述伸长的管状部件的长度延伸并且靠近所述预期高应变区域。
3.如权利要求I所述的方法，其中在变形所述管材步骤期间，在预期低应变区域变形一些金属。
4.如权利要求3所述的方法，其中在液压成形所述预成形管材为最终形状的步骤期间，来自所述预期低应变区域的所述一些金属中的至少一部分被拉伸进入所述预期高应变区域。
5.如权利要求I所述的方法，其中在变形所述初始预成形料的步骤期间，在所述初始预成形料和所述预成形模具的内表面之间设有间隙空间。
6.如权利要求5所述的方法，其中在液压成形所述预成形管材的步骤期间，所述初始预成形料扩张以填充所述间隙空间。
全文摘要
本发明提供一种液压成形包括预期高应变区域和预期低应变区域的伸长的管状部件的方法。该管状部件在预成形模具中通过挤压首先变形为初始预成形料形状。在预成形步骤期间通过在预成形模具的两半之间径向变形管材拉伸预期低应变区域中的金属。随后以内部液压成形压力扩张该初始预成形料以成形预成形管材。随后液压成形该预成形管材进入最终模具以成形部件的最终形状。在最终液压成形操作中在低应变区域的多余金属被拉伸进入高应变的区域。
文档编号B21D26/033GK102773326SQ20121013960
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月8日 优先权日2011年5月11日
发明者谢尔盖·法德勒威奇·高洛瓦申科 申请人:福特全球技术公司