一种异形截面管件充液压制成形装置与方法

本发明涉及管材成形技术领域，特别是涉及一种异形截面管件充液压制成形装置与方法。

背景技术：

异形截面管件由于具有轻量化、高强度和高刚度等优点，近年来在汽车与航空航天领域得到了广泛的应用。内高压成形技术是一种整体成形轴线为二维或三维曲线的异形截面空心零件的先进制造技术。然而，利用内高压成形异形截面管件时，在整形阶段需要很高的内压(通常100mpa以上)才能使圆角区域完全贴模，得到尺寸精度符合要求的管件。对于目前大力发展的高强钢管，利用内高压成形时不仅在过渡区因壁厚减薄太严重而容易产生开裂缺陷，而且需要更高的整形压力与更大吨位的成形设备。

为此，提出充液压制成形技术，其与内高压成形技术最大的区别在于：充液压制成形时内压一般低于管材屈服内压，不会使管材发生胀形，仅起到支撑作用，然后利用模具对管材的环向进行压制。在此过程中，管材环向主要是在模具压制的作用下发生弯曲变形，内压的作用主要是抑制管材的环向屈曲或起皱，截面周长基本不发生变化，仅是由圆形变为异形截面。充液压制成形的模具通常分为开式和闭式两种类型。利用开式模具进行管材充液压制成形时，不同方向的压块先后分别进行压制，由于压制过程中管材与模具之间的摩擦影响不对称，压制结束后不同位置的圆角尺寸差别很大，无法满足设计要求。为了实现不同圆角的精度要求，通常需要进行多次压制，工序复杂。因此，开式模具充液压制成形获得的管件圆角精度较低，主要用作内高压成形的预制坯。虽然充液压制成形预制坯时所需内压很低，但最终管件圆角精度还得靠后续内高压成形整形阶段高的压力保证。

目前，常采用闭式模具进行异形截面管件的充液压制成形。对于闭式充液压制成形模具，目前主要有两种形式：一是设计成类似于内高压成形模具形式的上下对称分模，二是设计成下分模的形式。对于第一种形式的模具，由于压制过程中管材截面周长几乎不变甚至发生一定压缩，所以在压制过程中特别容易在分模面处发生咬边现象。通常，为了避免咬边缺陷，需要增加一套预成形模具先进行预成形，然后才可放入充液压制模具进行成形，但这不仅增加了工序，降低了生产效率，模具费用也高。对于第二种形式的模具，为了保证圆角精度，需在下模上加工出两个带尖的圆角(专利号：201510999744.3)，然而，这种带尖的圆角不仅难以加工，而且在压制过程中特别容易发生应力集中，导致破坏尖角处或被管件意外碰伤，不适用于大批量生产。此外，此结构形式模具的另一个缺点是成形后管件发生回弹卡在上模内，取件特别困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种异形截面管件充液压制成形装置与方法，以解决现有闭式充液压制成形分模面处咬边缺陷、带尖圆角模具加工困难且易损坏而无法应用于大批量生产的问题，可使管材充液压制成形工艺简单，实现快速获取满足圆角精度要求的异形截面管件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种异形截面管件充液压制成形装置，包括压制模具和密封冲头；

所述压制模具包括上模板、上模架、上模芯、下模板、下模架、下模芯和支撑弹簧，所述上模芯设置于所述上模板的底部，所述上模架设置于所述上模芯的周围，所述上模架与所述上模芯之间滑动连接，所述上模架与所述上模板之间通过限位螺钉连接，所述上模架与所述上模板之间安装有支撑弹簧，所述支撑弹簧使所述上模架与所述上模板之间在弹簧力的作用下留有竖向距离；所述下模芯设置于所述下模板的顶部，所述下模架设置于所述下模芯的周围，所述下模架与所述下模芯之间滑动连接，所述下模架与所述下模板之间通过限位螺钉连接，所述下模架与所述下模板之间也安装有支撑弹簧，所述支撑弹簧使所述下模架与所述下模板之间在弹簧力的作用下留有竖向距离；所述上模架、上模芯、下模架与下模芯共同构成模具型腔；

所述密封冲头包括左密封冲头和右密封冲头，所述左密封冲头和右密封冲头分别设置在所述压制模具的左右两侧，所述左密封冲头或右密封冲头上开设有流体入口。

优选地，所述上模架与上模板、下模架与下模板之间的支撑弹簧为金属螺旋模具弹簧或氮气弹簧或聚氨酯弹簧，所述支撑弹簧的数量为4～20个，所述支撑弹簧在所述上模架和下模架上均匀布置。

基于上述异形截面管件充液压制成形装置，本发明还提供了一种异形截面管件充液压制成形方法，包括以下步骤：

步骤s1：确定初始管材直径与壁厚；

步骤s2：根据初始管材直径与壁厚确定充液压制成形时所需支撑内压；

步骤s3：将初始管材放置在下模架上，左密封冲头、右密封冲头同时相向运动，直至将管材两端完全密封；

步骤s4：通过左密封冲头或右密封冲头上的流体入口向管材内部充入流体，直至流体压力达到设定支撑内压；

步骤s5：上模架与上模芯同时向下运动，上模架与下模架首先闭合，管材在由上模架与下模架形成的封闭空间内由上模芯和下模芯对向压制成形，期间上模架与上模板、下模架与下模板之间的弹簧被压缩，直至模具完全闭合，成形结束；

步骤s6：卸载内压，打开模具，上模架与上模芯、下模架与下模芯在支撑弹簧的作用下恢复原位，左、右密封冲头后退，取出成形管件。

优选地，目标管件截面周长等于或小于所述初始管材截面周长，即所述初始管材在充液压制成形过程中截面周长不变或发生一定压缩，初始管材直径确定为其中，d0为初始管材直径，s为目标管件截面周长，δ为截面周长变化率，δ＝-3％～0％。

优选地，所述支撑内压小于或等于管材的初始屈服压力，所述初始屈服压力由公式确定，其中ps为初始屈服内压，t为管材壁厚，σs为管材初始屈服强度。

优选地，充液压制过程中所述左密封冲头、所述右密封冲头随着管材和所述上模架、下模架同步向下运动，成形结束后开模过程中所述左密封冲头、右密封冲头随着管件与上模架、下模架向上运动回到初始位置。

优选地，通过改变所述上模架与上模板、所述下模架与下模板之间支撑弹簧的弹力及长度，调节所述上模芯、下模芯与管材之间的压制顺序。

优选地，当管件横截面周长沿轴线的变化小于3％时，所述初始管材为等直径管材，初始管材的截面周长与管件最大截面周长相等；当所述管件横截面周长沿轴线的变化大于3％时，所述初始管材为变直径管材，沿轴线方向初始管材的截面周长与对应位置管件的截面周长处处相等，初始屈服压力由初始管材最大直径进行计算。

优选地，管件横截面为方形或矩形或梯形或异形。

优选地，所述流体为液体或气体，所述液体为乳化液或水，所述气体为空气。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的异形截面管件充液压制成形装置与方法，通过将上、下模分别设计加工成模架-模芯结构，在合模过程中上、下模架首先闭合，相当于管材在完全密闭的空间内由上、下模芯进行对向压制，不仅可有效解决传统压制成形模具分模面处的咬边缺陷问题，而且避免了下分模结构模具中带尖圆角难以加工、易应力集中发生破坏以及取件困难的问题。通过分别控制上、下模芯的压下量，即可精确控制管件截面圆角的尺寸精度。此外，本发明所需压力低、设备吨位小，且可快速实现模具的开合动作，非常适用于充液压制成形异形截面管件的大批量生产。

附图说明

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中异形截面管件充液压制成形装置的结构示意图；

图2为图1的a-a向剖面图；

图3为本发明实施例中的异形截面管件充液压制成形方法的流程图；

图4是本发明实施例中异形截面管件充液压制成形过程中某一时刻的结构示意图；

图5是本发明实施例中异形截面管件充液压制成形结束时的结构示意图；

图中：1-上模板；2-上模架；3-上模芯；4-下模板；5-下模架；6-下模芯；7-支撑弹簧；8-左密封冲头；9-右密封冲头；10-流体入口；11-管材。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种异形截面管件充液压制成形装置与方法，以解决现有技术存在的问题。

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。

本实施例中的异形截面管件充液压制成形装置，如图1、图2所示，包括包括压制模具和密封冲头；

所述压制模具包括上模板1、上模架2、上模芯3、下模板4、下模架5、下模芯6和支撑弹簧7，所述上模芯3通过螺钉安装固定在所述上模板1的底部，所述上模架2设置于所述上模芯3的周围，所述上模架2与所述上模芯3之间间隙配合实现滑动连接，所述上模架2与所述上模板1之间通过限位螺钉连接，限位螺钉的螺纹端与上模板1连接，另一端与上模架2卡接，上模架2能够沿着限位螺钉的光杆上下滑动，所述上模架2与所述上模板1之间安装有支撑弹簧7，所述支撑弹簧7使所述上模架2与所述上模板1之间在弹簧力的作用下留有竖向距离；所述下模芯6设置于所述下模板4的顶部，所述下模架5设置于所述下模芯6的周围，所述下模架5与所述下模芯6之间间隙配合实现滑动连接，所述下模架5与所述下模板4之间通过限位螺钉连接，限位螺钉的螺纹端与下模板4连接，另一端与下模架5卡接，下模架5能够沿着限位螺钉的光杆上下滑动，所述下模架5与所述下模板4之间也安装有支撑弹簧7，所述支撑弹簧7使所述下模架5与所述下模板4之间在弹簧力的作用下留有竖向距离；当压制模具完全闭合时，所述上模架2、上模芯3、下模架5与下模芯6共同构成模具型腔。密封冲头包括左密封冲头8和右密封冲头9，所述左密封冲头8和右密封冲头9分别设置在所述压制模具的左右两侧，所述左密封冲头8或右密封冲头9上开设有流体入口10，本实施例中优选为右密封冲头9上开设有流体入口10。

于本具体实施例中，上模架2与上模板1、下模架5与下模板4之间的支撑弹簧7为金属螺旋模具弹簧或氮气弹簧或聚氨酯弹簧，所述支撑弹簧7的数量为4～20个，所述支撑弹簧7在所述上模架2和下模架5上均匀布置。

如图3所示，在上述实施例中的异形截面管件充液压制成形装置的基础上，本实施例还提供了一种异形截面管件充液压制成形方法，包括以下步骤：

步骤s1：确定初始管材11直径与壁厚；

步骤s2：根据初始管材11直径与壁厚确定充液压制成形时所需支撑内压；

步骤s3：将初始管材11放置在下模架5上，左密封冲头8、右密封冲头9同时相向运动，直至将管材11两端完全密封；

步骤s4：通过左密封冲头8或右密封冲头9上的流体入口10向管材11内部充入流体，直至流体压力达到设定支撑内压；

步骤s5：上模架2与上模芯3同时向下运动，上模架2与下模架5首先闭合，管材11在由上模架2与下模架5形成的封闭空间内由上模芯3和下模芯6对向压制成形，期间上模架2与上模板1、下模架5与下模板4之间的弹簧被压缩，直至模具完全闭合，成形结束；

步骤s6：卸载内压，打开模具，上模架2与上模芯3、下模架5与下模芯6在支撑弹簧7的作用下恢复原位，左、右密封冲头9后退，取出成形管件。

下面对各步骤进行详细论述：

步骤s1中：根据目标管件壁厚尺寸要求确定所述初始管材11壁厚；根据目标管件截面周长确定所述初始管材11的直径，目标管件截面周长等于或小于所述初始管材11截面周长，即所述初始管材11在充液压制成形过程中截面周长不变或发生一定压缩，初始管材11直径确定为：

其中，d0为初始管材11直径，s为目标管件截面周长，δ为截面周长变化率，δ＝-3％～0％。

进一步地，当所述管件横截面周长沿轴线的变化小于3％时，所述初始管材11为等直径管材11，所述初始管材11的截面周长与管件最大截面周长相等；当所述管件横截面周长沿轴线的变化大于3％时，所述初始管材11为变直径管材11，沿轴线方向所述初始管材11的截面周长与对应位置管件的截面周长处处相等。

步骤s2：根据初始管材直径与壁厚确定充液压制成形时所需支撑内压，所述支撑内压不高于管材的初始屈服压力，分以下几种情况：

当初始管材为等直径管材时，所述初始屈服压力由公式确定，其中d0为初始管材直径，ps为初始屈服内压，t为管材壁厚，σs为管材初始屈服强度。

当初始管材为变直径管材时，所述初始屈服压力由公式确定，其中d0max为初始管材最大横截面处的直径。

步骤s3：将所述初始管材放置在所述下模架5上，所述左密封冲头8与所述右密封冲头9同时向模具方向相向运动，直至将所述管材两端完全密封。

将所述初始管材放置在所述下模架5上时，分以下几种情况：

当所述初始管材的直径大于模具型腔的宽度时，需首先将所述初始管材进行压扁预成形，然后放入所述下模架5；

当目标管件的轴向为二维或三维弯曲轴线时，需利用弯曲工艺将所述初始管材弯曲成与充液压制成形模具型腔一致的弯曲件，以顺利放入所述下模架5；

进一步地，所述左密封冲头8、所述右密封冲头9与所述管材两端的密封采用y型或o型密封圈。

步骤s4：通过所述右密封冲头9上的所述流体入口10向所述初始管材内部充入流体，直至流体压力达到设定支撑内压；

进一步地，所述流体为液体或气体，所述液体通常为乳化液或水，所述气体通常为空气。

步骤s5：所述上模板1带动所述上模架2与所述上模芯3同时向下运动，所述上模架2与所述下模架5首先闭合，如图3所示；随着压制继续进行，所述上模架2与所述上模板1、所述下模架5与所述下模板4之间的所述支撑弹簧7发生压缩，所述管材11在由所述上模架2与所述下模架5形成的封闭空间内由所述上模芯3与所述下模芯6对向压制成形，直至模具完全闭合，成形结束，如图4所示；

进一步地，在充液压制过程中，所述左密封冲头8、所述右密封冲头9随着所述管材11和所述下模架5同步向下运动；成形结束后开模过程中，所述左密封冲头8、所述右密封冲头9在所述支撑弹簧7反作用力的作用下随着所述管件11与所述下模架5向上运动回到初始位置。

进一步地，通过改变所述上模架2与所述上模板1、所述下模架5与所述下模板4之间所述支撑弹簧7的弹力及长度，可调节所述上模芯3、所述下模芯6与所述管材11之间的压制顺序。

步骤s6：卸载内压，打开模具，所述上模架2与所述上模芯3、所述下模架5与所述下模芯6在所述支撑弹簧7的作用下恢复原位，所述左密封冲头9、所述右密封冲头9后退，取出成形管件。

进一步地，所述管件横截面为方形、矩形、梯形或异形中的一种或几种。

本实施方式通过将上、下模分别设计加工成模架-模芯结构，在合模压制过程中上模架2、下模架5首先闭合，相当于使管材在由上模架2与下模架5形成的封闭空间内由上模芯3、下模芯6对向压制成形，不仅有效解决了传统压制成形装置上、下模分模面处的咬边缺陷问题，而且有效避免了下分模结构模具中带尖圆角难以加工、易发生应力集中导致破坏尖角处以及取件困难的问题，通过控制上模芯3、下模芯6的压制量可精确控制管件截面圆角的尺寸精度。本发明所需压力低、设备吨位小，且可快速实现模具的开合动作，非常适用于充液压制成形异形截面管件的大批量生产。

下面结合具体实例进一步说明本发明：

以dd14低碳钢管充液压制成形为例，目标管件横截面为矩形，其尺寸为：截面宽度70mm，高度45mm，过渡圆角半径，r＝6mm，壁厚为t＝1.85mm。

步骤一：根据目标管件壁厚尺寸要求确定所述初始管材壁厚，目标管件壁厚要求为1.85mm，因充液压制过程中管材壁厚基本不发生变化，因此选择壁厚为1.85mm的管材作为坯料；根据目标管件截面周长确定所述初始管材的直径，目标矩形截面管件的截面周长为s＝219.7mm。截面周长变化率取δ＝-3％～0％，则初始管材直径d0的范围为69.93～72.10mm，最终确定初始管材的直径为70mm。

步骤二：根据初始管材直径与壁厚确定充液压制成形时所需支撑内压，初始管材直径为70mm，壁厚为t0＝1.85mm，dd14管材的初始屈服强度为σs＝335mpa。计算得到该dd14管材的初始屈服压力为ps＝17.7mpa。因此，充液压制成形时支撑内压不高于17.7mpa。

步骤三：将dd14管材放置在下模架上，所述左密封冲头与右密封冲头同时向模具方向相向运动，直至将dd14管材两端完全密封。

步骤四：通过右密封冲头上的流体入口向dd14管材内部充入乳化液，直至液体压力达到15mpa。

步骤五：上模板带动上模架与上模芯同时向下运动，上模架与下模架首先闭合；随着压制继续进行，上模架与上模板、下模架与下模板之间的支撑弹簧发生压缩，管材在由上模架与下模架形成的封闭空间内由上模芯与下模芯对向压制成形，直至模具完全闭合，成形结束；在整个压制成形过程中，dd14管内部液体压力保持恒定不变。

步骤六：卸载内压，打开模具，上模架与上模芯、下模架与下模芯在支撑弹簧的作用下恢复原位，左、右密封冲头后退，取出成形管件。

重复步骤二～步骤五，使dd14管材在无支撑内压、10mpa和12mpa支撑内压作用下分别进行充液压制成形，获得矩形截面管件。由实物可知，当支撑内压为10mpa、12mpa和15mpa时，上、下模分模面处均未产生咬边缺陷，环向均未产生屈曲或起皱缺陷，截面圆角半径均在5.8～6.0mm之间，圆角尺寸精度满足设计要求。

本实施例成形的dd14矩形截面管件的圆角尺寸均匀性相比现有充液压制成形装置与方法提高了40％以上。

本发明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。