CN103658296A - 管件的制作方法及其液压成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管件的制作方法及其液压成型模具，液压成型模具包括一下模座、一下模、一对上模、一背压模、一上模座以及一对轴向进给推杆元件。下模设置于下模座的一槽座内，下模顶部开设有一容置一胚管的下模穴。两上模分别模合于下模顶部，并可沿下模顶部移动，每一上模的底部分别有一上模穴与一内缩斜面。背压模设置于两上模之间，其具有一架体与二相对于架体移动的抵压部，二抵压部的底面抵靠于胚管表面。轴向进给推杆元件分别封接于胚管端部与两上模，且其具有一流道以引入流体至胚管内，并轴向推动两上模相互靠近。

Description

管件的制作方法及其液压成型模具

技术领域

本发明属于零部件制造技术领域，特别是关于一种上模具在液压成型时可移动的液压成型模具，以及利用此液压成型模具形成管件的制作方法。

背景技术

管件液压成型已大量应用到汽机车零件产品的加工制造上，其目的是为了减轻重量，并增加其刚性强度。但对于排气管、消音器等具有大膨胀率的管件皆以旋压方式或焊接方式生产，但其生产速度慢且强度亦较弱。

现有技术中使用固定式成型模具液压成型的斜面大鼓胀管件，其因金属胚管与固定式成型模具的上模之间会有较大的摩擦产生，导致金属胚管难以平滑地延伸，可能造成斜面大鼓胀管件的管壁厚度分布不均匀、产生挫曲、皱折以及因膨胀区的管壁厚度过薄而破裂的现象。

发明内容

由于现有技术中使用固定式成型模具液压成型的斜面大鼓胀管件，因金属胚管与固定式成型模具的上模之间会有较大的摩擦产生，导致金属胚管难以平滑地延伸与鼓胀，造成斜面大鼓胀管件具有下列的问题：管壁厚度分布不均匀、产生挫曲、皱折以及因膨胀区的管壁厚度过薄而破裂。故本发明的目的是设计一种具有斜面大鼓胀的管件的液压成型模具，可减少其上模与胚管之间的摩擦，以解决管件的管壁厚度分布不均匀、产生挫曲、皱折以及破裂等问题。

为了配合上述可解决现有技术中斜面大鼓胀管件挫曲、皱折以及破裂问题的模具，更需要一种应用于该模具的斜面大鼓胀管件的制作方法。

根据本发明的一方面，提供一种液压成型模具，包括：一下模座、一下模、一对上模、一背压模、一上模座以及一对轴向进给推杆元件。

该下模座具有一槽座，所述槽座包含一底部平面与邻接所述底部平面的二槽座立面；所述下模设置于所述底部平面，所述下模顶部开设有一容置一胚管的下模穴；所述一对上模分别模合于所述下模顶部，并能够沿所述下模顶部移动，每一上模的底部分别具有一上模穴，每一上模穴相对于另一上模的一侧形成一内缩斜面；

该背压模设置于所述一对上模之间，其具有一架体与二抵压部，所述架体具有一平行于所述胚管轴向的导杆，每一抵压部具有一导孔，该导孔套入该导杆以供所述二抵压部相对于所述架体移动，所述二抵压部的底面抵靠于所述胚管的表面；

所述上模座盖合于所述下模座上，以限制所述一对上模向所述下模的反方向移动，所述上模座相对应于所述背压模的位置设有一窗口，以形成所述背压模向所述下模的反方向移动的空间；以及

所述一对轴向进给推杆元件，分别封接于所述胚管的端部与所述一对上模，所述一对轴向进给推杆元件具有一流道以引入流体至所述胚管内，并轴向推动所述一对上模相互靠近。

根据本发明的另一方面，还提供一种利用所述液压成型模具制作管件的方法，该方法包括以下步骤：提供所述具有斜面大鼓胀的管件的液压成型模具，并将一胚管放置于所述下模穴与所述上模穴中；将流体经由所述流道填满所述胚管；对所述流体施以一第一定值压力；所述一对轴向进给推杆元件以一推移速度轴向移动所述一对上模并轴向压迫所述胚管，同时保持所述流体为所述第一定值压力，所述胚管鼓胀且推升所述背压模；所述一对轴向进给推杆元件移动一冲程后停止继续推移，同时提供所述流体一第二定值压力，所述第一定值压力小于所述第二定值压力；以及形成所述管件。

本发明使用所述管件的液压成型模具，并搭配所述管件的制作方法，通过可移动的上模与背压模的设计，能在液压成型的过程中，顺利地将所述胚管均匀地推入膨胀区。如此一来，管件的厚度就能保持均匀分布，并能够因均匀鼓胀而能克服所述胚管膨胀过程中所产生的挫曲、皱折及破裂等现象。

附图说明

图1是具有斜面大鼓胀的管件的立体图；

图2是本实施例的具有斜面大鼓胀的管件的液压成型模具的立体图；

图3是本实施例的具有斜面大鼓胀的管件在液压成型前，其模具沿A-A割面线的剖面图；

图4是本实施例的具有斜面大鼓胀的管件在液压成型前，其模具沿B-B割面线的剖面图；

图5是本实施例的具有斜面大鼓胀的管件在液压成型后，其模具沿A-A割面线的剖面图；

图6是本实施例的具有斜面大鼓胀的管件在液压成型后，其模具沿B-B割面线的剖面图；

图7是本实施例的具有斜面大鼓胀管件制作方法的流程图；以及

图8是本实施例的斜面大鼓胀管件的尺寸符号定义图。

【主要元件符号说明】

2        液压成型模具

21        下模座

211       槽座

2111       底部平面

2112       槽座立面

22        上模座

221       窗口

23        下模

231       下模穴

24        上模

241       上模穴

2411       内缩斜面

25        背压模

251       架体

2511      导杆

2512      鞍部

252       抵压部

2521       导孔

253       弹性元件

26        轴向进给推杆元件

261       流道

27        板件

271       引导面

3         胚管

4         管件

S10～S15    步骤S10～S15

α        入模角

R₀        胚管的半径

h         背压模的移动量

st        轴向进给推杆元件的冲程

L₀        胚管的初始长度

L₁        管件的斜面大鼓胀的顶端长度

L₂        管件的梯形下底大鼓胀长度

v_p        轴向进给推杆元件的推移速度

v_cp        背压模的起始推升速度

t         胚管的厚度

r         管件弯折处的内角半径

P_min       胚管膨胀时所需的最小压力

P_max       欲胚管鼓胀至与斜面大鼓胀模穴中的弯折部贴齐时所需的最大压力

V_f1        管件上半部左边第一部份体积

V_f2        管件上半部左边第二部份体积

V_f3        管件上半部左边第三部份体积

V_f4        管件上半部左边第四部份体积

V_f5        管件上半部左边第五部份体积

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先，本实施例为一种液压成形模具2，适用于形成一具有斜面大鼓胀的管件4。

请参考图1，其为具有斜面大鼓胀的管件4的立体图，亦为本实施例的液压成型模具所产出的具有斜面大鼓胀的管件4。

图2为本实施例的具有斜面大鼓胀的管件4的液压成型模具2的立体图。在本实施例中，液压成型模具2包括：一下模座21、一下模23、一对上模24、一背压模25、一上模座22以及一对轴向进给推杆元件26。

下模座21具有槽座211，在本实施例中，槽座211的开口向上。槽座211包含一底部平面2111与邻接底部平面2111的二槽座立面2112。

下模23设置于底部平面2111。一用于液压成形为具有斜面大鼓胀的管件4的胚管3，其设置于下模23内。其中，胚管3使用一种适用管件液压成型技术的材料，其须具备优良的可延伸性，并以冷压成型加工的材料为主，例如：金属材料。目前主要以碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金等为主。

两上模24分别模合于下模23顶部两端，并可沿下模23顶部移动。

背压模25设置于两上模24之间，其具有一架体251与二抵压部252。架体251具有一平行于胚管3轴向的导杆2511。每一抵压部252具有一导孔2521，导孔2521套入导杆2511以使二抵压部252相对于架体251移动，二抵压部252的底面抵靠于胚管3的上表面。导杆2511进一步可为一圆杆。

上模座22盖合于下模座21上，以限制两上模24朝向下模23的反方向移动，在本实施例中为限制两上模24向上移动，上模座22相对应于背压模25的位置设有一窗口221，以形成背压模25朝向下模23的反方向移动的空间，在本实施例中为形成背压模25向上移动的空间。

本实施例中下模座21与上模座22、下模23与上模24等的“上”与“下”仅用以表示彼此间的对应关系，并非用以限制空间位置。在另一实施例中，下模座21与下模23亦可设置于上模座22与上模24的上方。

图3为具有斜面大鼓胀的管件4在液压成型前，液压成型模具2沿A-A割面线的剖面图。从图3中可看出，下模23顶部开设有一容置胚管3的下模穴231。而每一上模24的底部分别有一上模穴241，每一上模穴241相对于另一上模24的一侧形成一内缩斜面2411。架体251更包含一鞍部2512，鞍部2512设置于架体251底面，且抵靠于胚管3的上表面。鞍部2512与二抵压部252的底面之间具有空隙。

背压模25更包括二弹性元件253，二弹性元件253对称地套设于架体251两侧的导杆2511，且分别介于架体251与二抵压部252之间，意即二抵压部252的底面之间具有空隙。此二弹性元件253可为弹簧、弹片、橡胶等。更进一步说明，此每一弹性元件253可为一压缩弹簧。

此对轴向进给推杆元件26封接于胚管3两端以及两上模24，且此对轴向进给推杆元件26具有一流道261以引入流体至胚管3内。当胚管3进行液压成型时，此对轴向进给推杆元件26同时推动两上模24与胚管3的两端，轴向挤压胚管3。

图4是具有斜面大鼓胀的管件4在液压成型前，液压成型模具2沿B-B割面线的剖面图。因此，从图4中可知，液压成型模具2更包括二板件27，其分别设置于下模23两外侧与二槽座立面2112之间，二板件27的相对的一面形成两上模24与二抵压部252移动时的二引导面271。同时参考图3与图4，上模座22固定二板件27，以限制两上模24朝向下模23的反方向移动，在本实施例中为限制两上模24向上移动。

二板件27用于固定两上模24与下模23，若管件4的半径改变时，则只需修改两上模24、下模23、背压模25与二板件27即可，不必连上模座22与下模座21都需要修改，故可节省模具成本。此外，若将两上模24与下模23的宽度设计为与下模座21的槽座211等宽时，则二板件27可被直接取代。

图5是具有斜面大鼓胀的管件4在液压成型后，液压成型模具2沿A-A割面线的剖面图。同时比较图3与图5，即可得知二抵压部252在胚管3液压成型时，此对轴向进给推杆元件26同时将两上模24以及胚管3往架体251推挤，而二抵压部252分别受到两上模24的推挤而向架体251移动。

对称地套设于架体251两侧导杆2511的二弹性元件253具有相同的弹力，当二抵压部252往架体251移动时，二弹性元件253使架体251保持在背压模25的中央。

图6是具有斜面大鼓胀的管件4在液压成型后，液压成型模具2沿B-B割面线的剖面图。同时比较图4与图6，即可得知背压模25在胚管3液压成型时，背压模25因胚管3的鼓胀而被向上推升。

本实施例亦提供一种管件的制作方法，适用于形成一具有斜面大鼓胀的管件4。

图7是具有斜面大鼓胀管件4制作方法的流程图。此制作方法包括以下步骤：

提供上述的液压成型模具2，并将一胚管3放置于下模穴231与上模穴241中，并依据所述液压成型模具2的连结关系进行模具组装，使液压成型模具2成为可进行液压成型的状态(S10)。

使用一流体加压设备，将流体经由此对轴向进给推杆元件26的流道261填满胚管3，并将原先胚管3内部的空气排出(S11)。

利用流体加压设备对胚管3内部的流体施以一第一定值压力(S12)，且第一定值压力大于胚管3所需的最小鼓胀应力，使胚管3开始往背压模25的方向进行鼓胀。

此对轴向进给推杆元件26以一推移速度v_p轴向移动两上模24并轴向压迫胚管3，同时利用流体加压设备保持流体为第一定值压力，胚管3受到液压而持续鼓胀且推升背压模25，此时利用两上模24的内缩斜面2411，将胚管3的向上鼓胀部位往架体251推移，使胚管3的向上鼓胀部位滑顺地形成斜面大鼓胀，并保持均匀的管壁厚度(S13)。

此对轴向进给推杆元件26移动一冲程L后停止继续推移，此时两上模24、二抵压部252以及架体251的鞍部2512彼此紧靠而形成一斜面大鼓胀模穴，同时提供流体一第二定值压力，其压力值为P_y＝(σ_y×t)/r，r如图8所示，且第一定值压力小于第二定值压力，第二定值压力可使胚管3鼓胀至与斜面大鼓胀模穴中的弯折部贴齐(S14)。

形成具有斜面大鼓胀的管件4，流体加压设备停止对胚管3内的液体施压，并将液体排出胚管3(S15)。

此外，在形成具有斜面大鼓胀的管件(S15)的步骤之后，执行一脱模步骤。所述脱模步骤包括：取出此对轴向进给推杆元件26，开模上模座22与下模座21，取出背压模25与两上模24后，即可将具有斜面大鼓胀的管件4自液压成型模具2中取出。

当此对轴向进给推杆元件26移动两上模24时，两上模24的内侧端面抵触二抵压部252的外侧端面，故两上模24轴向推动二抵压部252沿导杆2511移动，且二抵压部252同时受到胚管3表面向上鼓胀的推力而上升，使二抵压部252形成斜上的移动轨迹。

其中，背压模252更包括二弹性元件253，套设于架体251两侧的导杆2511，且分别介于架体251与二抵压部252之间，当二弹性元件253于二抵压部252形成斜上的移动轨迹时，二弹性元件253产生的弹力，可使二抵压部252持续抵靠两上模24。

图8为本实施例的斜面大鼓胀管件4的尺寸符号定义图。根据成型前后体积不变的关系，可利用欲成型的成品管件4的尺寸推算出原始胚管3的长度。

补料体积与入模角α有关，入模角α的角度值变化会使成品管件4的体积有所变化，入模角α的角度大则成品管件4的体积也大。根据成型前后体积不变的关系，当成品管件4的体积变化大时，此对轴向进给推杆元件26所需推送的胚管3就越多。背压模25的移动量则是依据成品管件4的鼓胀高度来决定，例如胚管3的半径为R₀，其膨胀后的高度为R₀+h，背压模25的冲程(移动量)为h。

请参考图8中，管件4的各部位所代表的符号，即可计算出液压成型后，管件4上半部左边的体积V_f为：

V_f＝f(α，L₁，L₂，R₀，h，st，t)＝V_f1+V_f2+V_f3+V_f4+V_f5，

其中：

V_f1＝π×0.5×[R₀+(R₀-t)]×(L₀/2-st-L₁/2-L₂/2)×t，

V_f2＝0.5×L₂×R₀×t，

V_f3＝0.5×0.5×[R₀+(R₀-t)]×π×L₂×t÷cosα，

V_f4＝0.5×π×0.5×[h+(h-t)]×L₁×t，

V_f5＝L₁×R₀×t；

V_f1为管件4上半部左边第一部份体积，V_f2为管件4上半部左边第二部份体积，V_f3为管件4上半部左边第三部份体积，V_f4为管件4上半部左边第四部份体积，V_f5为管件4上半部左边第五部份体积。

液压成型前，胚管3上半部左边的体积V₀为：

V₀＝f(R₀，L₀，t)＝0.5×π×0.5×[R₀+(R₀-t)]×t×L₀，其中，t为胚管3的厚度，R₀为胚管3的半径，st为此对轴向进给推杆元件26的一冲程，L₀为胚管3的初始长度，L₁为管件4的斜面大鼓胀的顶端长度，L₂为管件4的梯形下底大鼓胀长度，h为背压模25的冲程。根据体积不变，使V_f＝V₀。

由于二抵压部252之间有二弹性元件253，意即二抵压部252之间具有空隙，此时进行液压成型时，除了要配合体积不变所需的此对轴向进给推杆元件26的进给量以外，灌入胚管3内的压力大小也要配合。若压力太大时，在液压成型的过程中，胚管3会往空隙方向膨胀而被二抵压部252夹住，而产生折料。

藉由薄壁理论可知，当此对轴向进给推杆元件26无进给时，胚管3所需的最小鼓胀应力为P_min＝(σ_y×t)/R₀，其中σ_y为胚管3的材料降伏应力，R₀为胚管3的半径，t为胚管3的厚度。

由于体积不变的关系，使V_f＝V₀，算出冲程st约为43.3mm，由于因为速度等于距离/时间，又轴向进给推杆跟背压模同时进行，从开始到成形完所需时间相同，所以得到速度比v_p∶v_cp＝st∶h。

v_p为此对轴向进给推杆元件26的推移速度，v_cp为背压模25的起始推升速度。当L₁＝80mm、L₂＝80mm、t＝1.2mm、α＝22.16度以及h＝R₀＝12.7mm时，根据以上数据得到此对轴向进给推杆元件26的冲程为43.3mm，背压模25的冲程为12.7mm。则速度比为v_p∶v_cp＝st∶h＝43.3∶12.7。若此对轴向进给推杆元件26的推移速度为0.5mm/s，则管件4成型所需时间为86.6秒。

使用上述的具有斜面大鼓胀的管件4的液压成型模具2，并搭配上述的具有斜面大鼓胀的管件4的制作方法，另通过可移动的两上模24与背压模25的设计，即可让液压成型的过程中，顺利把胚管3均匀地推入膨胀区。如此一来，具有斜面大鼓胀的管件4的厚度就能保持均匀分布，同时还因均匀鼓胀而能克服胚管3膨胀过程中所产生的挫曲、皱折及破裂等现象。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种液压成型模具，其特征在于，所述液压成型模具包括：

一下模座，其具有一槽座，所述槽座包含一底部平面与邻接所述底部平面的二槽座立面；

一下模，设置于所述底部平面，所述下模顶部开设有一容置一胚管的下模穴；

一对上模，分别模合于所述下模顶部，并能够沿所述下模顶部移动，每一上模的底部分别具有一上模穴，每一上模穴相对于另一上模的一侧形成一内缩斜面；

一背压模，设置于所述一对上模之间，其具有一架体与二抵压部，所述架体具有一平行于所述胚管轴向的导杆，每一抵压部具有一导孔，该导孔套入该导杆以供所述二抵压部相对于所述架体移动，所述二抵压部的底面抵靠于所述胚管的表面；

一上模座，盖合于所述下模座上，以限制所述一对上模向所述下模的反方向移动，所述上模座相对应于所述背压模的位置设有一窗口，以形成所述背压模向所述下模的反方向移动的空间；以及

一对轴向进给推杆元件，分别封接于所述胚管的端部与所述一对上模，所述一对轴向进给推杆元件具有一流道以引入流体至所述胚管内，并轴向推动所述一对上模相互靠近。

2.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述液压成型模具更包括二板件，设置于所述下模两外侧与所述二槽座立面之间，所述二板件的相对的一面形成所述一对上模与所述二抵压部移动时的二引导面，且所述上模座固定所述二板件，以限制所述一对上模向所述下模的反方向移动。

3.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述背压模更包括二弹性元件，套设于所述架体两侧的所述导杆，且分别介于所述架体与所述二抵压部之间。

4.如权利要求3所述的液压成型模具，其中每一弹性元件是一压缩弹簧。

5.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述二抵压部之间有二弹性元件，且所述二抵压部的底面之间具有空隙。

6.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述架体更包含一鞍部，所述鞍部设置于所述架体底面，且抵靠于所述胚管的表面。

7.如权利要求6所述的液压成型模具，其中所述鞍部与所述二抵压部的底面之间具有空隙。

8.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述导杆是一圆杆。

9.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述槽座的开口向上。

10.如权利要求1所述的液压成型模具，其中所述上模座限制所述一对上模向所述下模的反方向移动，即所述上模座限制所述一对上模向上移动；所述窗口形成所述背压模向所述下模的反方向移动的空间，即所述窗口形成所述背压模向上移动的空间。

11.一种利用权利要求1所述的液压成型模具制作管件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

提供所述液压成型模具，并将一胚管放置于所述下模穴与所述上模穴中；

将流体经由所述流道填满所述胚管；

对所述流体施以一第一定值压力；

所述一对轴向进给推杆元件以一推移速度轴向移动所述一对上模并轴向压迫所述胚管，同时保持所述流体为所述第一定值压力，所述胚管鼓胀且推升所述背压模；

所述一对轴向进给推杆元件移动一冲程后停止继续推移，同时提供所述流体一第二定值压力，所述第一定值压力小于所述第二定值压力；以及

形成所述管件。

12.如权利要求11所述的制作管件的方法，其中所述形成所述管件的步骤之后，执行一脱模步骤，将所述管件从所述液压成型模具中取出。

13.如权利要求11所述的制作管件的方法，其中，当所述一对轴向进给推杆元件移动所述一对上模时，所述一对上模的内侧端面抵触所述二抵压部的外侧端面，故所述一对上模轴向推动所述二抵压部沿所述导杆移动，且所述二抵压部同时受到所述胚管表面向上鼓胀的推力而上升，使所述二抵压部形成斜上的移动轨迹。

14.如权利要求13所述的管件的制作方法，其中所述背压模更包括二弹性元件，套设于所述架体两侧的所述导杆，且分别介于所述架体与所述二抵压部之间，当该二弹性元件于所述二抵压部形成斜上的移动轨迹时，可使所述二抵压部持续抵靠所述一对上模。

15.如权利要求11所述的管件的制作方法，其中所述胚管是一金属材料。

16.如权利要求11所述的管件的制作方法，其中所述一对轴向进给推杆元件无进给时，所述胚管所需的最小鼓胀应力为：

P_min＝(σ_y×t)/R₀，

其中，σ_y为所述胚管的降伏应力，t为所述胚管的厚度，R₀为所述胚管的半径。

17.如权利要求11所述的管件的制作方法，其中，所述胚管液压成型时，所述一对轴向进给推杆元件的推移速度与所述背压模的推升速度的关系表示为：

v_p∶v_cp＝st∶h；

其中，v_p为所述一对轴向进给推杆元件的推移速度；

v_cp为所述背压模的起始推升速度；

st为所述一对轴向进给推杆元件的冲程；以及

h为所述背压模的移动量。

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