一种金属管材成形设备及其方法
【专利摘要】一种金属管材成形设备,包括模具，模具包括有第一半模以及第二半模，子母冲头，子母冲头包括有上子母冲头以及下子母冲头，母冲头内部设置有阶梯孔结构，子冲头为与母冲头阶梯孔相配合的阶梯状结构；进给压环，进给压环设置于第一半模的成形孔内；垫板，垫板设置于第二半模底端，并设置有通孔；缓冲元件，垫板设置于第二半模以及所述垫板之间；颗粒介质，颗粒介质设置于待成形金属管材内；振动辅助系统，振动辅助系统包括有液压振动器，液压振动器设置于进给压环上表面、母冲头上表面以及模具表面，使得复杂截面的成形工序简单，成形工艺过程易于控制，避免成形过程中出现破裂，屈曲和起皱的问题。
【专利说明】
_种金属管材成形设备及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及金属成形领域，特别是涉及一种金属管材成形设备及其方法。【背景技术】
[0002]结构轻量化和加工技术柔性化是现代先进制造技术发展的总趋势之一。结构轻量化可以节省材料和运行能量，而加工技术柔性化则可以缩短加工工具生产周期，降低生产成本。在航空、航天和汽车工业等领域，如何能在保证构件强度和性能的前提下又可以减轻重量以达到节省材料、节约能源、降低成本和污染的目标，成为人们关注的重点。结构轻量化有两条主要途径:一是材料途径，采用轻质材料以减轻重量，例如铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等;二是结构途径，对于承受弯扭载荷为主的结构，采用“以空代实”和空心变截面构件，既可以减轻质量，又可以充分利用材料的强度和刚度。由于截面的复杂性，使得复杂截面管材内高压成形过程很难控制与把握规律，因此成形过程易出现破裂，屈曲和起皱等缺陷。同时，目前的加工方法存在加工道次繁多、成形设备复杂、投入成本较高等问题。
[0003]因此，市场上急需出现一种金属管材成形设备及方法，使得复杂截面的成形工序简单，成形工艺过程易于控制，避免成形过程中出现破裂，屈曲和起皱的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种金属管材成形设备及方法，解决复杂截面管材内高压成形工序复杂，成形过程难以控制且成形过程易出现破裂，屈曲和起皱等缺陷的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了如下方案:一种金属管材成形设备，其特征在于， 包括:
[0006]模具，所述模具包括有第一半模以及第二半模，所述模具设置有型腔以及成形孔， 所述成形孔贯穿所述第一半模以及第二半模；
[0007]子母冲头，所述子母冲头包括有上子母冲头以及下子母冲头，所述上子母冲头包括有上子冲头以及上母冲头，所述下子母冲头包括有下子冲头以及下母冲头，所述上母冲头以及下母冲头内部设置有阶梯孔结构，所述上子冲头为与所述上母冲头阶梯孔相配合的阶梯状结构，所述下子冲头为与所述下母冲头阶梯孔相配合的阶梯状结构；
[0008]进给压环，所述进给压环设置于所述第一半模的成形孔内，并与所述上母冲头套接，
[0009]所述上子母冲头穿过所述进给压环并设置于所述第一半模的成形孔内，所述下子母冲头穿过所述垫板以及所述缓冲元件并设置于所述第二半模的成形孔内；
[0010]垫板，所述垫板设置于所述第二半模底端，并设置有通孔，所述通孔小于管材的外径；
[0011]缓冲元件，所述缓冲元件设置于所述第二半模以及所述垫板之间；
[0012]颗粒介质，所述颗粒介质设置于待成形金属管材内；
[0013]振动辅助系统，所述振动辅助系统包括有液压振动器，所述液压振动器设置于所述进给压环上表面、所述母冲头上表面以及所述模具表面。
[0014]优选的，所述第一半模与所述第二半模通过螺栓固定。
[0015]优选的，所述颗粒介质可依据不同成形条件选择不同的颗粒介质材料。
[0016]优选的，所述液压振动器，输出振幅为15WI1，输出频率为50Hz。
[0017]本发明还提供了一种金属管材成形设备的使用方法，包括以下步骤:
[0018]a、将第一半模与第二半模合模后，连接于垫板上，在模具和垫板间设置缓冲元件， 然后将装配好的模具放置于成形压机工作台上；
[0019]b、将待加工金属管材坯料通过成形孔，置于模具型腔内，金属管材底端与垫板接触；
[0020]C、将组装好的下子母冲头穿过垫板以及缓冲元件，插入金属管材坯料内部并升至指定位置；[0021 ] d、将轴向进给压环放置于管材上端口部；
[0022]e、将颗粒介质添加至由金属管材坯料、下子母冲头组成的空腔内，颗粒介质添加完成后，介质高度低于管材金属管材还料端部；
[0023]f、将组装好的上子母冲头插入进给压环内直至下端接触颗粒介质；
[0024]g、启动设置于进给压环、模具及冲头上的轴向振动辅助系统；[〇〇25] h、对管材两端的外侧上母冲头以及下母冲头施加外力，使得上下子母冲头同时运动，相向对顶压缩颗粒介质形成内高压对管材实施成形，同时进给压环对管材进行轴向补料，上下子母冲头运行速度和进给压环的补料速度满足一定协调关系，当管坯大部分紧贴模具内壁仅遗留一些局部特征还未成形时，上母冲头以及下母冲头停止运动；
[0026]1、上母冲头以及下母冲头保持当前停止位置不变，并由设置其上的振动辅助系统施加轴向振动激励，同时上子冲头以及下子冲头在外力作用下继续压缩颗粒介质对管材局部小特征实施成形，上子冲头以及下子冲头运动速度可根据管件形状特征而定，保证最终上子冲头以及下子冲头头部位置位于待变形的局部特征处，与此同时，进给压环随着成形进行实施轴向补料；
[0027]j、成形结束，停止振动辅助系统工作，移除上子母冲头及进给压环，模具开启，取出工件，加工结束。
[0028]根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果:振动辅助系统可有效降低金属管材与模具间摩擦力，并且当施加高频振动激励时，可以使金属管材变形抗力降低、抑制裂纹产生和发展；当成形局部小特征时，可以通过调节子冲头位置从而改变颗粒介质的压力分布，在待成形的局部位置附近形成高压，同时位于外侧母冲头上施加的振动激励使颗粒介质在传递压力的同时对管材形成瞬间的冲击载荷，由于母冲头接近管材内壁，故这种高能量的冲击载荷促使金属管材局部特征的有效成形，同时抑制回弹;根据成形条件需要调整颗粒介质压力分布，并利用振动激励在局部位置形成高压冲击载荷，同时振动也可增强颗粒介质的流动性并改善其传力性能，可以有效降低成形力从而减小设备吨位要求，降低了复杂截面成形工艺的复杂性，同时成形工艺过程可通过调整颗粒介质的压力分布控制，成形过程易于控制；由于采用固体颗粒作为传力介质，大大降低了对密封的要求，整个成形过程在普通压力机上即可实现，对设备要求较低，颗粒介质可以重复使用，有效降低模具的加工成本以及能源消耗。【附图说明】
[0029]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本发明实施例中金属管材成形设备结构示意图；
[0031]其中，1-上母冲头、2-进给压环、3-第一半模、4-第二半模、5-垫板、6-下母冲头、7-下子冲头、8-缓冲元件、9-颗粒介质、10-管材、11-上子冲头、12-振动辅助系统。【具体实施方式】[〇〇32]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]请参考图1，图1为本发明实施例中金属管材成形设备结构示意图。
[0034]本发明的目的是提供一种金属管材成形设备及方法，解决当复杂截面管材内高压成形工序复杂，成形过程难以控制且成形过程易出现破裂，屈曲和起皱等缺陷的问题。
[0035]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0036]根据图1可以看出，本发明提供了一种金属管材成形设备及方法，包括上母冲头1、 进给压环2、第一半模3、第二半模4、垫板5、下母冲头6、下子冲头7、缓冲元件8、颗粒介质9、 管材10、上子冲头11、振动辅助系统12。
[0037]其中，
[0038]模具，模具包括有第一半模3以及第二半模4，模具设置有型腔以及成形孔，成形孔贯穿第一半模3以及第二半模4,模具的型腔为对称式的多边形腔室，模具的分模面位于型腔凸环中间位置，两个半模之间采用螺栓连接进行合模，并且二者之间采用直口配合实现定位，在本发明的另一个实施例中，第一半模与第二半模通过外力压制实现合模；
[0039]子母冲头，子母冲头包括有上子母冲头以及下子母冲头，上子母冲头包括有上子冲头11以及上母冲头1，下子母冲头包括有下子冲头7以及下母冲头6,上母冲头1以及下母冲头6内部设置有阶梯孔结构，上子冲头11为与上母冲头1阶梯孔相配合的阶梯状结构，下子冲头7为与下母冲头6阶梯孔相配合的阶梯状结构，上母冲头1或下母冲头6内部阶梯结构可带动相配合的子冲头实现两个冲头同步运动，在外力的作用下，可以将金属管快速与型腔贴合，提高成形效率，此外，子冲头也可以单独向前伸出，可以完成对金属管局部结构复杂、成形较困难的位置的局部成形，对母冲头起到辅助作用；
[0040]进给压环2,进给压环2设置于第一半模3的成形孔内，并与上母冲头1套接，进给压环2可以向管材提供进给压力，在管材成形过程中，不断将管材向型腔内部挤压，实现金属管材的轴向补料，同时，可避免管材受到的拉力过大导致管材局部变薄甚至拉断的问题，在本实施例中，进给压环2为弹簧，在发明的另一个实施例中，进给压环2为液压缸；
[0041]上子母冲头穿过进给压环2并设置于第一半模3的成形孔内，下子母冲头穿过垫板 5以及缓冲元件8并设置于第二半模4的成形孔内，上下子母冲头相向对顶设置，使待成形的管材两端受力均匀，在成形过程中，上下子母冲头同时受力，确保金属管的成形效果；
[0042]垫板5，垫板5设置于第二半模4底端，并设置有通孔，通孔小于管材的外径，从而确保垫板5能够对管材提供稳定的支撑；
[0043]缓冲元件8,缓冲元件8设置于第二半模4以及垫板5之间，降低在成形过程中模具对垫板的振动；
[0044]颗粒介质9,颗粒介质9设置于待成形金属管材内，在成形过程中，颗粒承受来自子母冲头的压力，通过颗粒的填充作用以及对力的传递作用，将子母冲头的力传递至金属管材的内壁，确保金属管材的充分成形；
[0045]振动辅助系统12,振动辅助系统包括有液压振动器，液压振动器设置于进给压环2 上表面、母冲头上表面以及模具表面，在成形过程中，振动辅助系统为成形设备提供具有一定频率的动力，使得金属管缓慢均匀的成形。
[0046]其中，
[0047]颗粒介质9可依据不同成形条件选择不同的颗粒介质材料。[〇〇48] 液压振动器，输出振幅为1 5mi，输出频率为50Hz。
[0049]本发明还提供了一种金属管材成形设备的使用方法，包括以下步骤:
[0050]a、将第一半模3与第二半模4合模后，连接于垫板5上，在模具和垫板5间设置缓冲元件8,然后将装配好的模具放置于成形压机工作台上；
[0051]b、将待加工金属管材坯料通过成形孔，置于模具型腔内，金属管材底端与垫板5接触；[〇〇52] c、将组装好的下子母冲头穿过垫板5以及缓冲元件8,插入金属管材坯料内部并升至指定位置；[〇〇53] d、将轴向进给压环2放置于管材上端口部；[〇〇54] e、将颗粒介质9添加至由金属管材坯料、下子母冲头组成的空腔内，颗粒介质9添加完成后，介质高度低于管材金属管材还料端部；
[0055] f、将组装好的上子母冲头插入进给压环内直至下端接触颗粒介质；[〇〇56] g、启动设置于进给压环2、模具及冲头上的轴向振动辅助系统12;[〇〇57] h、对管材两端的外侧上母冲头1以及下母冲头6施加外力，使得上下子母冲头同时运动，相向对顶压缩颗粒介质9形成内高压对管材实施成形，同时进给压环2对管材进行轴向补料，上下子母冲头运行速度和进给压环2的补料速度满足一定协调关系，当管坯大部分紧贴模具内壁仅遗留一些局部特征还未成形时，上母冲头1以及下母冲头6停止运动；[〇〇58]1、上母冲头1以及下母冲头6保持当前停止位置不变，并由设置其上的振动辅助系统12施加轴向振动激励，同时上子冲头11以及下子冲头7在外力作用下继续压缩颗粒介质9 对管材局部小特征实施成形，上子冲头11以及下子冲头7运动速度可根据管件形状特征而定，保证最终上子冲头11以及下子冲头7头部位置位于待变形的局部特征处，与此同时，进给压环5随着成形进行实施轴向补料；[〇〇59] j、成形结束，停止振动辅助系统12工作，移除上子母冲头及进给压环2，模具开启， 取出工件，加工结束。
[0060]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0061]本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1.一种金属管材成形设备，其特征在于，包括:模具，所述模具包括有第一半模以及第二半模，所述模具设置有型腔以及成形孔，所述 成形孔贯穿所述第一半模以及第二半模；子母冲头，所述子母冲头包括有上子母冲头以及下子母冲头，所述上子母冲头包括有 上子冲头以及上母冲头，所述下子母冲头包括有下子冲头以及下母冲头，所述上母冲头以 及下母冲头内部设置有阶梯孔结构，所述上子冲头为与所述上母冲头阶梯孔相配合的阶梯 状结构，所述下子冲头为与所述下母冲头阶梯孔相配合的阶梯状结构；进给压环，所述进给压环设置于所述第一半模的成形孔内，并与所述上母冲头套接；所述上子母冲头穿过所述进给压环并设置于所述第一半模的成形孔内，所述下子母冲 头穿过所述垫板以及所述缓冲元件并设置于所述第二半模的成形孔内；垫板，所述垫板设置于所述第二半模底端，并设置有通孔，所述通孔小于管材的外径；缓冲元件，所述缓冲元件设置于所述第二半模以及所述垫板之间；颗粒介质，所述颗粒介质设置于待成形金属管材内；振动辅助系统，所述振动辅助系统包括有液压振动器，所述液压振动器设置于所述进 给压环上表面、所述母冲头上表面以及所述模具表面。2.根据权利要求1所述的复杂截面金属管材成形设备，其特征在于:所述第一半模与所 述第二半模通过螺栓固定。3.根据权利要求1所述的复杂截面金属管材成形设备，其特征在于:所述颗粒介质可依 据不同成形条件选择不同的颗粒介质材料。4.根据权利要求1所述的复杂截面金属管材成形设备，其特征在于:所述液压振动器， 输出振幅为1 5mi，输出频率为50Hz。5.—种如权利要求1所述一种金属管材成形设备的使用方法，包括以下步骤:a、将第一半模与第二半模合模后，连接于垫板上，在模具和垫板间设置缓冲元件，然后 将装配好的模具放置于成形压机工作台上；b、将待加工金属管材坯料通过成形孔，置于模具型腔内，金属管材底端与垫板接触；c、将组装好的下子母冲头穿过垫板以及缓冲元件，插入金属管材坯料内部并升至指定 位置；d、将轴向进给压环放置于管材上端口部；e、将颗粒介质添加至由金属管材坯料、下子母冲头组成的空腔内，颗粒介质添加完成 后，介质高度低于管材金属管材还料端部；f、将组装好的上子母冲头插入进给压环内直至下端接触颗粒介质；g、启动设置于进给压环、模具及冲头上的轴向振动辅助系统；h、对管材两端的外侧上母冲头以及下母冲头施加外力，使得上下子母冲头同时运动， 相向对顶压缩颗粒介质形成内高压对管材实施成形，同时进给压环对管材进行轴向补料， 上下子母冲头运行速度和进给压环的补料速度满足一定协调关系，当管坯大部分紧贴模具 内壁仅遗留一些局部特征还未成形时，上母冲头以及下母冲头停止运动；i、上母冲头以及下母冲头保持当前停止位置不变，并由设置其上的振动辅助系统施加 轴向振动激励，同时上子冲头以及下子冲头在外力作用下继续压缩颗粒介质对管材局部小 特征实施成形，上子冲头以及下子冲头运动速度可根据管件形状特征而定，保证最终上子冲头以及下子冲头头部位置位于待变形的局部特征处，与此同时，进给压环随着成形进行 实施轴向补料；j、成形结束，停止振动辅助系统工作，移除上子母冲头及进给压环，模具开启，取出工 件，加工结束。
【文档编号】B21D26/033GK105945122SQ201610527866
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】曹秒艳, 赵长财, 董国疆
【申请人】燕山大学