微金属T形管的内高压成形设备及成形方法与流程

本发明涉及金属管件加工技术领域，尤其涉及一种微金属t形管的内高压成形设备及微金属t形管的内高压成形方法。

背景技术：

进入20世纪90年代，随着制造领域中微型化趋势的不断发展，微型零件的需求量越来越大，特别是在微型机械(micromachine)和微型机电系统(microelectro-mechanicalsystem，mems)中，比较典型的应用是电子产品及医疗器械的零部件生产。当今科技研究的两个趋势是巨型化和微型化。其中，微型化因其可大批量生产，高效率，高精度，成本低，污染少等优势深受市场的需求。目前，微成形主要分为微体积成形(如挤压、墩粗、胀形、锻造等)，微薄板成形(如拉伸、冲裁、弯曲等)。

作为一种较常见的内高压成形方式，t形三通管的内高压成形在实验研究和工业领域有着较广泛的应用。常规内高压成形t形管设备的介质为液压。在此基础上，由于金属微细管和常规尺寸管材在成形过程中存在着差异，最明显的区别在于微金属t形管成形过程中需要的压力远远大于常规尺寸的金属t形管材，而需要提供过高的压力对设备各方面性能要求高，难度大。

为了解决上述问题，常采用对管材加热的方法来降低管材强度，以达到降低成形压力的目的。但是，如果在采用加热的前提下使用传统的液压成形设备加工成形，其高温条件容易导致液体介质燃烧等意外发生，所以考虑到内高压液体介质燃点等的限制，不适用于高温条件下成形，在一定程度上限制了微金属t形管成形技术的发展。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种操作方便，安全性能高，能够在高温条件下实现微金属t形管的气压内高压成形，降低对成形压力的要求和对设备的性能要求，节省制造成本的微金属t形管的内高压成形设备及成形方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种微金属t形管的内高压成形设备，包括机架、安装在机架上的成形模具、呈直线排布的两个轴端进给冲头、以及用于限制t形管成形高度的成形端平衡冲头，所述成形模具包括上模和下模，所述上模和下模上均设置有t形型腔，每个轴端进给冲头均与一轴端进给动力装置连接，成形端平衡冲头垂直于两个轴端进给冲头设置，且与成形端平衡动力装置连接，两个轴端进给冲头中的其中一个轴端进给冲头上设置有气体通道，所述气体通道与高压气体供给装置连接，所述上模的底部和下模的顶部均安装有加热装置；

当上模和下模闭合时，启动加热装置，并向气体通道内通入高压空气，两个轴端进给冲头伸入并挤压待成形微金属管的两端，同时，成形端平衡冲头向垂直并远离待成形微金属管的方向后退预设距离，将待成形微金属管成形为微金属t形管。

优选的，所述成形设备还包括热电偶和温控器，所述温控器分别与加热装置与热电偶连接，所述热电偶用于实时检测待成形微金属管的加热温度。

优选的，所述上模和下模上各相应t形型腔的成形端两侧均设置有安装孔，所述安装孔内安装有加热棒。

优选的，所述高压气体供给装置包括高压储气容器，所述高压储气容器通过高压管与气体通道连通，所述高压管上安装有气压开关阀、安全阀、减压阀和压力表。

优选的，所述成形设备还包括压力控制器、与压力控制器连接的压力传感器和压力显示装置，所述压力传感器安装在上模上，用于检测合模压力的大小。

优选的，所述成形设备还包括与上模连接且驱动上模升降运动的模具动力装置，所述模具动力装置包括从上到下依次连接的伺服电机、减速器、联轴器和丝杠螺母组件。

优选的，所述丝杠螺母组件的螺母通过安装支架与活动板连接，所述上模安装在活动板的底部，所述下模安装在机架的底板上；

所述成形设备还包括导杆组件，所述导杆组件包括若干个导杆，所述导杆的底端与机架的底板连接，所述活动板可沿导杆升降运动，并带动上模升降运动；

所述机架的底板底部连接有第一支撑底座，所述第一支撑底座上设置有两条平行导轨，两个所述轴端进给动力装置安装在两条导轨内，所述成形端平衡动力装置安装在第二支撑底座上。

优选的，所述第一支撑底座和第二支撑底座的底部均设置有支撑脚，所述支撑脚与相应支撑底座之间设置有升降调整装置，用于调节相应支撑底座的水平高度。

优选的，所述机架上设置有上限位装置和下限位装置，分别对上模的升降距离进行限定。

一种利用上述的微金属t形管的内高压成形设备实现微金属t形管的内高压成形的方法，包括如下步骤：

s1：接通电源，将成形模具的上模与下模分离开，将待成形微金属管置于下模的t形型腔中；

s2：上模和下模闭合，启动加热装置，并向气体通道内通入高压空气，两个轴端进给冲头同时由待成形微金属管的两端向中间缓慢进给相同距离，成形端平衡冲头向垂直并远离待成形微金属管的方向后退预设距离，直到成形为预定成形高度的t形管；

s3：待成形后，关闭加热装置，停止供气，撤回成形端平衡冲头和两个轴端进给冲头，分离上模与下模，取出微金属t形管。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明在成形模具的上模底部和下模顶部安装加热装置，通过加热装置在气压内高压成形过程中对待成形微金属管进行加热，以提高管材在成形过程中的塑性流动性，从而有助于微金属t形管成形性的提高，使得成形管件的壁厚更加均匀，大大提高了微金属t形管的成形质量和生产效率，降低了对成形压力的要求和对设备的性能要求，节省了制造成本。

此外，内高压成形设备的介质可采用空气，取材方便，相对于油液等成形介质，避免了高温加热下由于燃点引起的安全隐患问题，成形环境干净且空气的可压缩性大，通过采用高压力气泵装置打入高压气瓶，存储方便，进一步节省了制造成本。成形后气体压力介质排放到空气中，可循环利用且无污染，相比于目前常用的液压t成形工艺，无需设置液压油回收装置，使用清洁，节约了加工设备的成本。

本发明的微金属t形管的内高压成形设备可进行不同金属材料的气压t成形实验，研究不同成形条件对同一金属管材或同一成形条件对于不同金属管材t成形的影响程度，通过大量的实验可以得到不同材料的最优加工成形条件。在微成形领域，成形温度是一个重要的成形条件，且对壁厚均匀有一定的影响，所以，本发明在加热条件下的气压t成形工艺是一个有前景的研究方向。

附图说明

图1是本发明优选实施例中微金属t形管的内高压成形设备的主视图；

图2是本发明优选实施例中微金属t形管的内高压成形设备的左视图；

图3是本发明优选实施例中成形冲头的工作状态图；

图4是本发明优选实施例中上下模合模的状态图；

图5是本发明优选实施例中成形冲头的工作状态图，其中，箭头指向为各冲头的移动方向；

图6是本发明优选实施例中高压气体供给装置的连接结构图，其中，箭头指向为气体的流向。

图中：

1、机架；2、成形端平衡冲头；3、成形端平衡动力装置；4、上模；5、下模；6、伺服电机；7、减速器；8、联轴器；9、滚珠丝杠螺母组件；10、第一支架；11、连接板；12、导杆；13、底板；14、第二支架；15、活动板；16、上限位器；17、下限位器；18、第一支撑底座；19、导轨；20、第一轴端进给动力装置；21、第二轴端进给动力装置；22、第一轴端进给冲头；23、第二轴端进给冲头；24、高压储气瓶；25、高压软管；26、气压开关阀；27、安全阀；28、减压阀；29、第二支撑底座；30、支撑脚；31、升降调整装置；32、第一安装穿孔；33、第二安装穿孔；34、热电偶安装孔；35、高压气体供给装置。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

优选实施例

本实施例提出了一种优选的微金属t形管的内高压成形设备，如图1至图6所示，该微金属t形管的内高压成形设备包括机架1、安装在机架1上的成形模具、两个轴端进给冲头、用于限制t形管成形高度的成形端平衡冲头2、模具动力装置、两个轴端进给动力装置、成形端平衡动力装置3、导杆组件、加热系统(加热装置、热电偶和温控器)、压力检测系统(压力传感器、压力控制器和记录仪)和高压气体供给装置35等部件。

在本实施例中，如图1所示，在本实施例中，成形模具包括上模4和下模5，模具动力装置与上模4连接且驱动上模4进行升降运动。其中，模具动力装置包括从上到下依次连接的伺服电机6、减速器7、联轴器8和滚珠丝杠螺母组件9。上述伺服电机6与控制器、开关、限位器、220v电源相连接，并且为了防止意外情况的发生，可设置升降开关控制按钮。减速器7安装在第一支架10上，第一支架10安装在机架1的连接板11上。联轴器8与减速器7连接，并安装在第一支架10与机架1的连接板11之间。

参见图2，导杆组件包括对称设置的四个导杆12，四个导杆12均固定安装在机架1的底板13上。滚珠丝杠螺母组件9的丝杠与联轴器8连接，滚珠丝杠螺母组件9的螺母安装在第二支架14上，第二支架14的底部与活动板15连接，螺母升降运动并带动活动板15沿导杆组件的四个导杆12进行升降运动。上模4安装在活动板15的底部，可随活动板15的升降运动而升降。下模5固定安装在机架1的底板13上，且位于上模4的正下方。上模4和下模5上均设置有t形型腔。当合模时，待成形微金属管位于上模4的t形型腔和下模5的t形型腔形成的t形密闭腔中进行内高压成形。

在本实施例中，上模4连接有压力传感器，可实时检测合模压力的大小，使得合模力控制在合理的范围，在不影响成形的同时不损坏成形模具，延长了成形模具的使用寿命。压力控制器分别与压力传感器和记录仪连接。压力控制器接收压力传感器的压力检测信号并将该检测信号传输给记录仪进行显示，以方便操作者观察成形过程中的受力情况。

在本实施例中，机架1的左侧壁上设置有上限位器16和下限位器17(参见图1)，上限位器16和下限位器17分别位于活动板15所能升降活动的上下两个极限位置，其中，上极限位置处于机架1的连接板11与活动板15之间，下极限位置处于活动板15与下模5之间，从而对上模4的升降距离进行限制，用以防止压力过大而破坏微金属管材的t形成形模具。

在本实施例中，参见图3，机架1的底板底部连接有第一支撑底座18，第一支撑底座18上设置有两条平行的导轨19，两个轴端进给动力装置安装在两条导轨19的两端部，呈同一直线排布。两个轴端进给动力装置为第一轴端进给动力装置20和第二轴端进给动力装置21。第一轴端进给动力装置20和第二轴端进给动力装置21的结构基本相同，均包括支架以及安装在支架上且依次连接的伺服电机、减速器和联轴器。两个轴端进给冲头为第一轴端进给冲头22和第二轴端进给冲头23。第一轴端进给动力装置20与第一轴端进给冲头22连接，用来驱动第一轴端进给冲头22沿水平方向前后运动，第二轴端进给动力装置21与第二轴端进给冲头23连接，用来驱动第二轴端进给冲头23沿水平方向前后运动。

在本实施例中，参见图5，第一轴端进给冲头22和第二轴端进给冲头23的径向外径与待成形微金属管的内径一致，不仅使两个轴端进给冲头的端部在成形过程中能够伸入待成形微金属管的两端管内，而且可以保持气压内高压成形过程中的压力，保证气密性，防止发生漏气现象而影响微金属t形管的成形。

在本实施例中，参见图1、3和图6，第二轴端进给冲头23的中心开设有气体通道，该气体通道与高压气体供给装置35连接。高压气体供给装置35包括高压储气瓶24和高压空气压缩机，高压空气压缩机可用来给高压储气瓶24充气，预存储气压一般为40mpa，此气压设备理论输出压力上最高能达到30mpa，最低达到0.5mpa，可使用小型空气压缩机对高压储气瓶24充气，易于操作，方便快捷。高压储气瓶24通过高压软管25、不锈钢管道等高压管与气体通道连接，高压软管25上安装有气压开关阀26、安全阀27、减压阀28和测量高压空气的压力表(附图未示出)。需要通气时，打开气压开关阀26，通过高压软管25和不锈钢管道等高压管向第二轴端进给冲头23的气体通道内通入成形介质高压气体。

上述的高压气体采用空气，取材方便，相对于油液等成形介质，避免了高温加热下由于燃点引起的安全隐患问题，成形环境干净且空气的可压缩性大，通过采用高压力气泵装置打入高压储气瓶24，存储方便，进一步节省了制造成本。成形后气体压力介质排放到空气中，可循环利用且无污染，相比于目前常用的液压t成形工艺，无需设置液压油回收装置，使用清洁，节约了加工设备的成本。

成形端平衡动力装置3安装在第二支撑底座29上。成形端平衡冲头2垂直于两个轴端进给冲头设置，且与成形端平衡动力装置3连接，成形端平衡动力装置3用来驱动成形端平衡冲头2沿垂直于两个轴端进给冲头的水平方向前后运动，即，成形端平衡冲头2的运动轨迹与第一轴端进给冲头22、第二轴端进给冲头23的运动轨迹之间形成“t”形。

在本实施例中，第一支撑底座18的底部两端各设置有支撑脚30，支撑脚30与第一支撑底座18之间设置有升降调整装置31，通过升降调整装置31可调整第一支撑底座18的水平高度，使第一支撑底座18保持水平。第二支撑底座29的底部也设置有支撑脚30，支撑脚30与第二支撑底座29之间同样设置有升降调整装置31，通过此升降调整装置31可调整第二支撑底座29的水平高度，使第二支撑底座29保持水平。

在本实施例中，参见图4，上模4的底部且位于上模t形型腔的成形端两侧(成形困难的地方)各设置有两个第一安装穿孔32，四个第一安装穿孔32均贯穿上模4且平行于成形端平衡冲头2设置，每个第一安装穿孔32内安装有加热棒，可在t形管成形过程中加热容纳在上模t形型腔内的待成形微金属管上半部。下模5的顶部且位于下模t形型腔的成形端两侧(成形困难的地方)各设置有两个第二安装穿孔33，四个第二安装穿孔33均贯穿上模4且平行于成形端平衡冲头2设置，每个第二安装穿孔33内也安装有加热棒，可在t形管成形过程中加热容纳在下模t形型腔内的微金属管下半部。两侧的第一安装穿孔32和第二安装穿孔33上下对称设置，上下模上的加热棒共同均匀地加热待成形微金属管，与对成形管材的某一部分进行加热相比，不仅可以提高管材在成形过程中的塑性流动性，有助于微金属t形管成形性的提高，使得成形管件的壁厚更加均匀，提高微金属t形管的成形质量和生产效率，而且可以降低对成形压力的要求和对设备的性能要求，节省制造成本。这种整体式加热方式操作方便，温升快、高效，易于控制。

在本实施例中，上模4的底部且位于上模t形型腔的成形端正上方处，以及下模5的顶部且位于下模t形型腔的成形端正下方处各设置有一热电偶安装孔34，即上模4上的热电偶安装孔34恰好位于上模4两侧的第一安装穿孔32之间，下模5上的热电偶安装孔34恰好位于下模5两侧的第二安装穿孔33之间。上模4和下模5上的热电偶安装孔34内各安装有热电偶，可分别检测待成形微金属管上半部和下半部的加热温度。温控器安装在上模4或下模5上，温控器分别与上述的各热电偶和相应的加热棒连接。温控器可根据各热电偶检测到的温度信号控制启动或关闭相应的加热棒，方便对待成形微金属管的加热温度进行控制，控制加热温度在满足试验需要的合适范围，有助于成形性的提高。采用上述加热系统可以进行不同温度对比试验，以便研究温度对金属成形性能的影响。

具体的，使用本实施例的成形设备成形微金属t形管的过程如下：

如图1和图5，首先接通电源，控制模具动力装置的伺服电机6反转回到初始位置，该伺服电机6驱动丝杠反向运动并带动活动板15向上运动，使成形模具的上模4和下模5分离出一定空间，将待成形微金属管放置在下模5的t形型腔内。然后，控制上述的伺服电机6正转，驱动丝杠正向运动并带动活动板15向下运动，使下压成形模具至上模4与下模5紧密贴合(此时要使成形件与模腔紧密贴合，以保证成形的完整性)。之后，温控器控制加热棒开始工作，对待成形微金属管进行加热，以提高待成形微金属管的塑形流动，启动高压气体供给装置35，向气体通道内通入高压空气，对管材内加压，同时，在第一轴端进给动力装置20和第二轴端进给动力装置21的两个伺服电机驱动下，第一轴端进给冲头22和第二轴端进给冲头23同步(移动速度相同)且缓慢地由待成形微金属管的两端向中间推进移动，以进行补料；在成形端平衡动力装置3的驱动下，成形端平衡冲头2缓慢地向远离待成形微金属管的方向后退(为了出现t形)，当成形端平衡冲头2移动到预定位置(达到成形高度的预设距离)后，推动第一轴端进给冲头22和第二轴端进给冲头23停止运动。为了保证管材的成形完整，在第一轴端进给冲头22和第二轴端进给冲头23停止运动后，需要保压一段时间之后再泄压。在高气压、以及成形模具、两个轴端进给冲头和成形端平衡冲头2的共同作用下，待成形微金属管最终成形为具有预定成形高度的微金属t形管。待充分成形后，先停止加热，后停止进给和供气，撤去两个轴端进给冲头，分离上下模，取出成形的微金属t形管。采用上述方法成形的微金属t形管成形完整，成形端外壁平整规则，成形质量高。

本发明的微金属t形管的内高压成形设备成形模具采用不锈钢，寿命长，同时可进行其他金属材料的气压t成形实验，研究不同成形条件对同一金属管材或同一成形条件对于不同金属管材t成形的影响程度，通过大量的实验可以得到不同材料的最优加工成形条件。

例如，采用铝材的微形管l*d*t＝5mm*1mm*0.2mm，查找可知铝在温度为20℃-100℃之间的线膨胀系数α＝2.303*10^-5，所以在温度变化时会产生温度应力。设常温下需要成形的铝管的压力为p1(mpa)，假设常温为t1＝20℃，在加热后，由于温度应力的产生，对铝管内部的压应力σt＝α*e*(t2-t1)。其中e为管材的弹性系数(e＝71.7gpa＝0.717*10⁵)，设t2＝80℃。所以在相同条件下温度从20℃加热到80℃，可以产生的温度应力σt＝α*e*(t2-t1)＝99mpa。设80℃时需要的成形压力为p2，有p1＝σt+p2，可见成形温度对降低成形压力极为有效，且对壁厚均匀有一定的影响。此外，如果用液体介质还需要考虑摩擦和燃点等问题，由此，本发明在加热条件下的气体内高压成形工艺是一个有前景的研究方向。

此外，本实施例还提供了一种利用上述的微金属t形管的内高压成形设备实现微金属t形管的内高压成形的方法，包括如下步骤：

s1：接通电源，将成形模具的上模4与下模5分离开，将待成形微金属管置于下模5的t形型腔中；

s2：上模4和下模5闭合，启动加热装置，并向气体通道内通入高压空气，两个轴端进给冲头同时由待成形微金属管的两端向中间缓慢进给相同距离，成形端平衡冲头2向垂直并远离待成形微金属管的方向后退预设距离，直到成形为预定成形高度的t形管；

s3：待成形后，关闭加热装置，停止供气，撤回成形端平衡冲头2和两个轴端进给冲头，分离上模4与下模5，取出微金属t形管。

本发明中两个轴端进给冲头进给要保证一致，才能更好的保证成形件的壁厚均匀程度。成形过程使用加热的方式来降低对成形压力的需求，降低了提高压力的设备性能要求和成本。本发明采用气压内高压的方式成形，避免考虑加热条件下由于油液等成形介质燃点低的一系列问题，胀形介质环保廉价环保，不需要润滑等工艺，简化了成形的工艺过程，打破了传统的微型加工工艺，是符合产品制造发展趋势的一种手段，同时也对设备和加工工艺过程的气密性提出了要求。根据材料的性质采用加热的方法提高管材在成形过程中的塑性流动性，可以使得成形件质量提高。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。