用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具

1.本发明涉及合金管材的成形技术领域，特别涉及一种用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具。


背景技术：

[0002]“以空代实”的结构在航空、航天、汽车等许多工业领域中得到广泛应用。零件采用空心变截面结构，一方面能满足载荷要求，另一方面能达到减重和节省材料的目的。
[0003]
中空变截面零件常用的制造方法有分段焊接、高压充液成形等。焊接法生产的变径管具有焊缝缺陷，因而其刚度和耐蚀性能较差，限制了其应用范围。高压充液成形技术主要是通过向合金管坯内部通入高压液体，管坯在高压液体的径向压力和管端的轴向压力的共同作用下产生变形。利用高压充液成形技术制造的空心变截面零件，由于没有焊缝，因此部件整体的强度和刚度较好。
[0004]
高压充液成形工艺主要用于普通钢管、铜管等易成型材料的冷成型。采用高压充液成形加工方法将导致成形所需压力过大，对液压设备的要求过高，经常很难达到所需液压设备的要求，影响工件加工的效率，而且容易受到液压设备的限制，影响到工件加工的效率，而且容易因提供的液压系统不能满足所需液压系统的要求。这些限制了铝合金材料的空心变截面构件在汽车产品中的应用。
[0005]
因而，采用气胀热成形法加工空心变截面零件，是一种容易实现、加工效率高、适用于铝合金、镁合金等材质的合金管加工的新方法。然而管材气胀成形方法存在成形温度不稳定、成形件管壁壁厚减薄严重、密封性差、设备要求高等问题，极大程度制约了管材气胀成形的推广应用，因此，亟需一种新的成形结构和方法来解决以上问题。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具，通过在模具上设置中部内径大且两端部内径小的筒状型腔通道空间，并利用相关设备对模具进行加热和通气，结合液压机为待加工合金管坯施加轴向推力进行补料，从而加工出适用于铝合金、镁合金等管材的空心变截面零部件，降低了设备的使用要求，整个装置密封容易，零件成形温度控制精准，零件壁厚均匀且质量良好。
[0007]
本发明提供了一种用于立式管材的气胀热成形方法，其包括以下步骤：
[0008]
s1、分别对上冲头和下冲头进行初始预紧；
[0009]
s2、通过定位销将上成形镶块与下成形镶块连接，使得上成型镶块和下成型镶块的型腔面围合形成型腔通道空间；
[0010]
s3、将上冲头安装到上成形镶块的小内径型腔内，利用橡胶锤敲击上冲头上端面直到上冲头不在发生位移，此时上冲头的密封刃口和待加工合金管坯配合良好；
[0011]
s4、将安装完成的模具的下模座放置在液压机的工作台上，将上冲头的上端和液压机的工作端连接，保证下模座放置平整，且上冲头位于液压机工作台面的中心；
[0012]
s5、将空气供给装置和上冲头的气体通道连接，将加热棒分别放入上成型镶块和下成型镶块的加热棒通孔中，利用温度控制装置，对上成型镶块和下成型镶块加热，直到达到待加工合金管坯的理想成形温度t0，保温3-5min；
[0013]
s6、利用液压机施加预紧力：控制液压机的工作端向靠近模具的方向运动，带动上冲头运动，控制液压机对上冲头施加30～200n的预紧力，保压3～5min，使得下冲头的下端面与下模座接触良好，下冲头的上端面与待加工合金管坯接触良好，上冲头的密封刃口与待加工合金管坯接触良好；
[0014]
s7、打开空气供应装置，向待加工合金管坯内供应气压，同时配合液压机带动上冲头向待加工合金管坯施加推进压力，促使待加工合金管坯的管壁在受热状态下向外膨胀并贴合上成型镶块和下成型镶块围合形成的型腔通道空间成形，当空气供给装置无法继续向冲头内充入气体时，成形结束，得到空心零件；
[0015]
所述气压的具体值根据如下公式确定：
[0016][0017]
其中，σs为待加工合金管坯的屈服强度，t为待加工合金管坯的壁厚，d为待加工合金管坯的外径，ξ是待加工合金管坯中轴向应力σz和环向应力σ
θ
的比值，在实际生产中一般取0；
[0018]
所述推进压力的具体值根据如下公式确定：
[0019]
fa＝(f
p
+f
μ
+f
t
)
×
10-3
[0020][0021]fμ
＝πdl
μ
piμ
[0022]ft
＝πdtσs[0023]
其中，di为待加工合金管坯的内径，l
μ
为待加工合金管坯与模具型面的接触长度，pi为待加工合金管坯的内部压力，用ps代替，μ为摩擦因数，t为待加工合金管坯壁厚，σs为待加工合金管坯的屈服强度；
[0024]
s8、保持步骤s7中推进压力不变，停止对模具加热，同时控制液压机向远离模具的方向运动，泄去模具中空心零件的气压，拆下上成形镶块，取出空心零件。
[0025]
可优选的是，所述步骤s1具体包括以下步骤：
[0026]
s11、通过过渡配合的方式将待加工合金管坯的上端安装到冲头塞上，并通过视觉检测保证待加工合金管坯的下端面与冲头座的上端面之间不存在明显的间隙；
[0027]
s12、对下冲头进行初始预紧：将安装好待加工合金管坯的下冲头安装到下成型镶块的型腔内，保证下冲头中冲头座的下端面和下成型镶块的小内径型腔面对齐，并通过内六角螺栓将下成形镶块固定到下模座上。
[0028]
可优选的是，在步骤s2中，所述型腔通道空间为中部内径大且两端部内径小的筒状结构，所述型腔通道空间的大内径中部为气胀成形模腔部。
[0029]
可优选的是，所述步骤s5中，测量所述待加工合金管坯理想成形温度的具体步骤如下：
[0030]
s51、制作高温单向拉伸实验中待加工合金管坯的试件，并确定单向拉伸实验中待
加工合金管坯的标距l0；
[0031]
s52、确定高温单向拉伸实验的实验温度为0.5tm～tm，其中tm为待加工合金管坯熔点以及实验应变速率范围为10-4
～10-1
；
[0032]
s53、利用高温单向拉伸机采用等应变速率的方法对待加工合金管坯进行单向拉伸实验，测得在同一应变速率，不同实验温度下的最大位移δl；
[0033]
s54、计算待加工合金管坯的同一应变速率，不同实验温度下待加工合金管坯的延伸率，计算公式如下：
[0034][0035]
其中，δl为加工合金管坯的最大位移，l0为待加工合金管坯的标距；
[0036]
s55、比较所有求得的待加工合金管坯延伸率，最大延伸率对应的温度即为待加工合金管坯的理想成形温度。
[0037]
可优选的是，在步骤s5中，判断模具中温度恒定的依据如下：
[0038]
t1＝t0±
0.5
[0039]
其中，t1为开始实验时温度控制装置显示的温度，t0为理想成形温度。
[0040]
本发明的另外一方面，提供一种用于立式管材的气胀热成形模具，其包括下模座、下成形镶块、热电偶通孔、上成型镶块、上冲头、加热棒通孔和下冲头，所述下成形镶块的下端面通过内六角螺栓和所述下模座的上端面固定连接，所述下冲头位于所述下成形镶块中心的型腔孔内，所述下冲头的冲头座和所述下成形镶块的下端面平齐，所述下冲头的冲头塞和待加工合金管坯的下端连接，所述上成型镶块的下端面通过定位销和所述下成形镶块的上端面接触连接，所述上冲头位于所述上成型镶块中心的型腔孔内，所述上冲头的中心设有气体通道，所述上冲头的下端设有密封刃口，且和所述待加工合金管坯的上端连接，所述下成形镶块的一侧设有热电偶通孔，所述加热棒通孔对称分布在所述下成形镶块和所述上成形镶块的两侧。
[0041]
可优选的是，所述热电偶通孔和所述下成型镶块型腔面轴线的距离小于所述加热棒通孔和所述下成型镶块型腔面轴线的距离，所述加热棒通孔和所述下成型镶块型腔面的间隔距离为5～10mm。
[0042]
可优选的是，所述上冲头上密封刃口的直径和所述待加工合金管坯的内径相等，所述上冲头上密封刃口的长度为3mm。
[0043]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0044]
1.本发明在成形过程中利用温度控制装置对模具进行持续加热，可以保证成形温度恒定，保证了管材超塑性的稳定性，使得管材能够在最佳的成形温度下成形，同时下冲头塞可以保证成形件壁厚不变，上冲头在液压机的作用下能够保证待成形管坯在成形过程中及时补料，以保证成形件壁厚不变。
[0045]
2.本发明中带有密封刃口的上冲头，可以保证管材成形过程中的密封性，保证成形内压恒定；在成形过程中，待加工合金管坯与冲头塞之间采用过渡配合，以保证在成形过程中，配合部位管材壁厚不发生改变。
[0046]
3.本发明采用液压机来代替管材气胀成形专用设备，可以降低设备要求，密封容易，成型温度控制精准，零件壁厚均匀，成形件的质量良好，通用性强，节约设备成本。
[0047]
4.本发明能够降低设备要求，保证成型件壁厚均匀，适用于各种铝合金、镁合金等管材加工成变截面零部件，解决了管材气胀成形方法存在成形温度不稳定、成形件管壁壁厚减薄严重和密封性差等问题，有利于促进轻合金材质的空心变截面零部件在汽车产品中的应用，推进航空、航天和汽车工业技术的进步。
附图说明
[0048]
图1为本发明用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具的成形方法流程图；
[0049]
图2为本发明用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具的成形模具结构图；
[0050]
图3为本发明用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具中成形模具的局部放大图；
[0051]
图4为本发明用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具中成形模具的下冲头的结构示意图；
[0052]
图5为本发明用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具中成形模具的上冲头的结构示意图；
[0053]
图6为本发明用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具中仿真结果对比图。
[0054]
主要附图标记：
[0055]
下模座1，下成形镶块2，热电偶通孔3，定位销4，上成型镶块5，上冲头6，密封刃口62，气体通道61，待加工合金管坯7，加热棒通孔8，下冲头9，冲头座91，冲头塞92，内六角螺栓10。
具体实施方式
[0056]
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
[0057]
如图1所示，用于立式管材的气胀热成形方法对待加工合金管坯7进行气胀成形加工，得到成形空心零件，具体步骤如下：
[0058]
s1、分别对上冲头6和下冲头9进行初始预紧，初次预紧可以保证待加工合金管坯7的内径配合面不发生明显破坏，且防止液压机进行预紧时，待加工合金管坯7内径配合面发生明显划伤。
[0059]
s2、通过定位销4将上成形镶块5与下成形镶块2连接，使得上成型镶块5和下成型镶块2的型腔面围合形成型腔通道空间。具体而言，型腔通道空间为中部内径大且两端部内径小的筒状结构，型腔通道空间的大内径中部为气胀成形模腔部。
[0060]
s3、将上冲头6安装到上成形镶块5的小内径型腔内，利用橡胶锤敲击上冲头6上端面直到上冲头6不在发生位移，此时上冲头6的密封刃口62和待加工合金管坯7配合良好，防止液压机进行预紧时破坏待加工合金管坯7的端面。
[0061]
s4、将安装完成的模具的下模座1放置在液压机的工作台上，将上冲头6的上端和液压机的工作端连接，保证下模座1放置平整，且上冲头6位于液压机工作台面的中心。进一步地，本方法中的液压机代替了传统气胀成形模具中的液压缸，保证待加工合金管坯7在成形过程中的轴向补料。
[0062]
s5、将空气供给装置和上冲头6的气体通道连接，将加热棒分别放入上成型镶块5
和下成型镶块2的加热棒通孔8中，利用温度控制装置，对上成型镶块5和下成型镶块2加热，直到达到待加工合金管坯7的理想成形温度t0，保温3-5min，保证待加工合金管坯7的成形温度恒定。
[0063]
具体而言，判断模具中待加工合金管坯7的温度恒定的依据如下：
[0064]
t1＝t0±
0.5
[0065]
其中，t1为开始实验时温度控制装置显示的温度，t0为理想成形温度。
[0066]
s6、利用液压机施加预紧力：控制液压机的工作端向靠近模具的方向运动，带动上冲头6运动，控制液压机对上冲头6施加30～200n的预紧力，保压3～5min，使得下冲头9的下端面与下模座1接触良好，下冲头9的上端面与待加工合金管坯7接触良好，上冲头6的密封刃口62与待加工合金管坯7接触良好。本步骤中通过液压机施加预紧力的方式，进一步提高模具的密封性能，保障后续充入高压气体时模具不漏气。
[0067]
s7、打开空气供应装置，向待加工合金管坯7内供应气压，同时配合液压机带动上冲头6向待加工合金管坯7施加推进压力，促使待加工合金管坯7的管壁在受热状态下向外膨胀并贴合上成型镶块5和下成型镶块2围合形成的型腔通道空间成形，当空气供给装置无法继续向冲头内充入气体时，成形结束，得到空心零件。
[0068]
气压的具体值根据如下公式确定：
[0069][0070]
其中，σs为待加工合金管坯的屈服强度，t为待加工合金管坯的壁厚，d为待加工合金管坯的外径，ξ是待加工合金管坯中轴向应力σz和环向应力σ
θ
的比值，在实际生产中一般取0；
[0071]
推进压力的具体值根据如下公式确定：
[0072]
fa＝(f
p
+f
μ
+f
t
)
×
10-3
[0073][0074]fμ
＝πdl
μ
piμ
[0075]ft
＝πdtσs[0076]
其中，di为待加工合金管坯的内径，l
μ
为待加工合金管坯与模具型面的接触长度，pi为待加工合金管坯的内部压力，用ps代替，μ为摩擦因数，t为待加工合金管坯壁厚，σs为待加工合金管坯的屈服强度。
[0077]
s8、保持步骤s7中推进压力不变，停止对模具加热，等待模具冷却至室温，同时控制液压机向远离模具的方向运动，泄去模具中空心零件的气压，拆下上成形镶块5，取出空心零件。
[0078]
进一步地，步骤s1中对上冲头6和下冲头9进行初始预紧，具体步骤如下：
[0079]
s11、将冲头塞92和冲头座91安装在一起组成下冲头9，并通过过渡配合的方式将待加工合金管坯7的上端安装到冲头塞92上，保证在成形过程中配合部位待加工合金管坯7壁厚不发生改变，并通过视觉检测保证待加工合金管坯7的下端面与冲头座91的上端面之间不存在明显的间隙。
[0080]
s12、对下冲头9进行初始预紧：将安装好待加工合金管坯7的下冲头9安装到下成
型镶块2的型腔内，保证下冲头9中冲头座91的下端面和下成型镶块2的小内径型腔面对齐，并通过内六角螺栓10将下成形镶块2固定到下模座1上。
[0081]
进一步地，步骤s5中测量待加工合金管坯7理想成形温度的具体步骤包括：
[0082]
s51、制作高温单向拉伸实验中待加工合金管坯7的试件，并确定单向拉伸实验中待加工合金管坯7的标距l0；
[0083]
s52、确定高温单向拉伸实验的实验温度为0.5tm～tm，其中tm为待加工合金管坯7的熔点以及实验应变速率范围为10-4
～10-1
；
[0084]
s53、利用高温单向拉伸机采用等应变速率的方法对待加工合金管坯7进行单向拉伸实验，测得在同一应变速率，不同实验温度下的最大位移δl；
[0085]
s54、计算待加工合金管坯7的同一应变速率，不同实验温度下待加工合金管坯7的延伸率，计算公式如下：
[0086][0087]
其中，δl为加工合金管坯的最大位移，l0为待加工合金管坯的标距；
[0088]
s55、比较所有求得的待加工合金管坯7的延伸率，最大延伸率对应的温度即为待加工合金管坯7的理想成形温度。
[0089]
本发明的另外一方面，用于立式管材的气胀热成形模具，如图2所示，包括下模座1、能够相互配合的上成型镶块5与下成型镶块2、热电偶通孔3、上冲头6、加热棒通孔8和下冲头9，如图4所示，上冲头6能够推动待加工合金管坯7进行轴向补料，上冲头6内部具有能够通入高压气体的气体通道61；如图5所示，下冲头9保证气体密封，下冲头由两部分组成，一部分为用于密封的冲头座91，另一部分为保证待加工合金管坯7壁厚不发生改变的冲头塞92，两部分之间通过螺纹连接在一起；下模座1用于固定下成型镶块2。
[0090]
下成形镶块2的下端面通过内六角螺栓10和下模座1的上端面固定连接，下冲头9位于下成形镶块2中心的型腔孔内，下冲头9的冲头座91和下成形镶块2的下端面平齐，下冲头9的冲头塞92和待加工合金管坯7的下端连接，上成型镶块5的下端面通过定位销4和下成形镶块2的上端面接触连接，上冲头6位于上成型镶块5中心的型腔孔内，上冲头6的中心设有气体通道61，上冲头6的下端设有密封刃口62，且和待加工合金管坯7的上端连接，下成形镶块2的一侧设有热电偶通孔3，上成型镶块5和下成型镶块2上沿各自的垂直于型腔轴线的方向还加工有若干道加热棒通孔8。
[0091]
优选地，上成型镶块5和下成型镶块2均具有整体呈贯通圆筒状且一端直径大、另一端部直径小的型腔面，使得上成型镶块5和下成型镶块2配合连接后，二者的型腔面能够围合形成圆筒状的且中部内径大、两端部内径小的型腔通道空间。
[0092]
热电偶通孔3和下成型镶块2型腔面轴线的距离小于加热棒通孔8和下成型镶块2型腔面轴线的距离，加热棒通孔8和下成型镶块2型腔面的间隔距离为5～10mm。
[0093]
在本发明的一个优选实施中，如图3所示，上冲头6上密封刃口62的直径和待加工合金管坯7的内径相等，上冲头6上密封刃口62的长度为3mm。
[0094]
以下结合实施例对本发明一种用于立式管材的气胀热成形方法及成形模具做进一步描述：
[0095]
利用msc.marc软件对气胀热成形方法的成形过程进行分析，具体过程如下：
[0096]
首先，根据气胀热成形方法中步骤s1-s4的模具安装过程，建立简化模具模型，因模具的型腔为轴对称结构，故只建立1/4模型。
[0097]
接着，根据实际需求，建立待加工合金管坯7的仿真模型，并对待加工合金管坯7的仿真模型划分单元，成形部位采用自适应网格划分方法。
[0098]
然后，采用三维薄壳结构建立待加工合金管坯7的几何特征，并对待加工合金管坯7附加材料属性，采用刚塑性模型，屈服准则采用米塞斯幂律模型。
[0099]
接着，根据气胀热成形方法中步骤s1-s4的模具安装过程定义模具和待加工合金管坯7的接触关系，采用变形体-刚体接触关系，分别赋予模具刚体属性，待加工合金管坯7变形体属性。
[0100]
然后，根据气胀热成形方法中步骤s5-s8中为模具施加的实验条件，在该模型中为待加工合金管坯7施加边界条件。
[0101]
所施加的边界条件具体为：
[0102]
由于待加工合金管坯7采用1/4模型，故为待加工合金管坯7施加对称边界条件；为与待加工合金管坯7连接的冲头塞92的部位依次施加轴向、周向和径向固定边界条件；为与待加工合金管坯7连接的上冲头6施加轴向推力；为待加工合金管坯7的内壁施加单元面分布力条件，采用超塑性成形控制方法。
[0103]
最后，根据气胀热成形方法，设置分析工况为结构静力学分析，对超塑性成形控制进行具体设置，设置分析时间等参数，同时设置分析任务为结构分析，进行仿真，等待仿真结束。
[0104]
根据上述仿真过程，沿待加工合金管坯7轴向方向提取各位置的壁厚情况；同时利用上述方法对传统气胀成形方法进行有限元分析，并与本方法结果进行对比分析，对比分析结果如下：
[0105]
如表1和图6所示，随着距上冲头6施力端的距离增加，待加工合金管坯7壁厚逐渐减薄。与传统气胀成形方法相比，本方法在补料区域壁厚减薄更小且部分壁厚略有增加，在此区域本方法壁厚减薄率更小，壁厚更加均匀；在过渡区域，传统方法壁厚发生快速减薄，本方法壁厚减薄更小；在成形区壁厚减薄达到最大，本方法最小壁厚为0.911216mm，最大减薄率为8.88％，与传统方法相比最大减薄率更小；在下冲头9的补料区域，本方法的壁厚不发生变化，而传统方法壁厚发生明显变化；综合考虑，本方法对于成形零件来说壁厚减薄更小、壁厚更加均匀，补料区壁厚几乎不变、成形区壁厚减薄更小。
[0106]
表1本发明与传统气胀成形方法对比结果
[0107][0108]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。