CN106670296A - 一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具及其成形方法，所述的模具包括上模、下模、左衬套、右衬套、左冲头和右冲头；本发明在成形前期，左右衬套与管件型腔侧壁有一个初始距离，通过左右冲头适当加大轴向进给量来对中间胀形部位进行补料；成形后期，左右冲头停止轴向进给，左右衬套开始相向运动，对中间胀形部位施加一个推力，由于在此过程中，胀形部位侧壁与左右衬套未完全贴合，管材与模具之间的摩擦力将大大减小。因此，圆角部位成形所需的压力将显著降低，壁厚减薄明显减小，能够做到在满足具有阶梯结构管件成形要求的同时，降低对合模压力机最大吨位、模具所需承压能力、密封结构的可靠性以及增压器的压力的要求。

Description

一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具及其成形方法

技术领域

本发明属于管件塑性成形技术领域，尤其涉及一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具及其成形方法。

背景技术

在过去十几年间，日益严峻的市场竞争和环保政策迫使汽车制造业将产品类型转变为生产轻型车辆达到低油耗、低排放同时保证安全的汽车结构目的。为了尽量以低成本有效地达到这个目的，必须开发或使用新的轻型材料、合金或复合材料；并研发和提高新的制造技术将上述轻型材料转换成重量轻、成本低、强度高、质量稳定的功能结构。从上世纪九十年代起，管材内高压成形由于成本低、柔性高、成形产品强度高、重量轻等显著优点，在国外汽车工业中广泛用于制造各类空心轻体构件。管材液压成形(又称内高压成形)是一种制造空心整体构件的先进制造技术，与传统的先冲压后焊接的空心构件制造工艺相比具有明显的优势，降低成本的同时能够提高管件的强度和刚度。因此在汽车、航空、航天制造领域，得到了较广泛的应用。尤其在汽车生产中，如轿车的副车架、仪表板横梁等，都在逐渐以内高压液压成形方法替代原来的传统加工方法。对于许多管件，例如具有阶梯结构、锥形结构和矩形结构的管件，获得一个尖角结构是主要的目标之一。

现有的阶梯结构管件的内高压成形模具均采用整体式，中间型腔胀形的直径大小、壁厚减薄以及成形的圆角半径大小仅能通过改变轴向进给和内压加载路径进行优化，这种模具结构存在一个明显的弊端，当胀形基本结束，成形阶梯结构圆角占主导时，由于管材与模具之间的摩擦，改变轴向进给和内压加载路径的手段将难以起作用，而随着管材壁厚的增大以及高强度管材的应用，采用传统的内高压成形模具，尖角结构的成形压力将进一步提高，甚至导致设备不能满足要求，加之随着成形压力的增大，管材与模具之间的摩擦力也显著增大，导致圆角充填过程中壁厚容易过度减薄甚至开裂。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够降低对合模压力机最大吨位、模具所需承压能力、密封结构的可靠性以及增压器的压力的要求，并保证圆角充填过程中壁厚符合要求的内高压成形模具及其成形方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具，包括上模、下模、左衬套、右衬套、左冲头和右冲头；所述的左冲头上开有高压水孔；所述的左冲头外套有左衬套、右冲头外套有右衬套，所述的左衬套和右衬套分别位于上模和下模之间的左右两侧；所述的上模、下模、左衬套和右衬套组成模具型腔，模具型腔两端由左冲头和右冲头密封；所述的左衬套和右衬套分别具有沿左冲头和右冲头轴向左右移动的功能；所述的上模、下模、左衬套和右衬套的最终成形位置组成管件型腔。

一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具的成形方法，包括以下步骤：

A、推动左冲头和右冲头同时向内轴向移动，完成管材左右两个端部的密封；

B、由合模压力机滑块带动上模与下模完成合模，高压液体通过左冲头上的高压水孔进入管材内部，同时左冲头和右冲头同时轴向进给距离s₁，使管材胀形部分大部与上模和下模贴合；

C、左冲头和右冲头停止运动，在成形压力P下，左衬套和右衬套同时由初始位置开始向内轴向移动距离s₀，直到分别与左右两侧的管件型腔侧壁贴合，保压或提高压力对管件进行成形，成形结束后卸压并开模取件；

所述的左衬套和右衬套分别与左右两侧的管件型腔侧壁的初始距离s必须满足如下条件才能成形较小圆角，同时防止垂直段出现折叠缺陷，s的值由式(1)确定：

式中，D为成形凸台的直径，d为管材直径；

左衬套和右衬套移动过程中，其移动距离s₀与成形压力P的关系需满足以下关系式(2)；

式中，t为管材壁厚，σ_s管材的屈服强度；

所述的左冲头和右冲头的轴向进给量s₁的值由成形管件胀形体积不变原理计算得到，s₁的值由式(3)确定：

式中，H为成形凸台的长度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将原有的整体式内高压成形模具改为分体式，新增加左衬套和右衬套两个部件，成形过程中左右衬套能够相向运动。在成形前期，左右衬套与管件型腔侧壁有一个初始距离，通过左右冲头适当加大轴向进给量来对中间胀形部位进行补料；成形后期，左右冲头停止轴向进给，此时，左右衬套开始相向运动，对中间胀形部位施加一个推力，通过胀形部位侧壁产生一个径向的应力分量，促使直边段材料向成形模具圆角部位移动，这个过程中，内压实际能够起到背压的作用，对胀形部位侧壁也有一个向上的应力分量，有利于胀形部位小圆角半径的充填，加之在此过程中，胀形部位侧壁与左右衬套未完全贴合，管材与模具之间的摩擦力将大大减小。因此，与原有整体式模具管材的单纯胀形相比，圆角部位成形所需的压力将显著降低，壁厚减薄明显减小，能够做到在满足具有阶梯结构管件成形要求的同时，降低对合模压力机最大吨位、模具所需承压能力、密封结构的可靠性以及增压器的压力的要求，从而降低生产成本，并有助于管材壁厚均匀，避免成形过程中的壁厚过度减薄和开裂。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1为本发明的实施例1成形模具示意图。

图2为本发明的实施例2成形模具示意图。

图3是图2的A-A向剖面图。

图中：1—上模；2—管材；3—下模；4—左衬套；5—右衬套；6—左冲头；7—右冲头；8—高压水孔；9—管件；10—管件型腔侧壁；11—成形凸台。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。如图1所示，一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具，包括上模1、下模3、左衬套4、右衬套5、左冲头6和右冲头7；所述的左冲头6上开有高压水孔8；所述的左冲头6外套有左衬套4、右冲头7外套有右衬套5，所述的左衬套4和右衬套5分别位于上模1和下模3之间的左右两侧；所述的上模1、下模3、左衬套4和右衬套5组成模具型腔，模具型腔两端由左冲头6和右冲头7密封；所述的左衬套4和右衬套5分别具有沿左冲头6和右冲头7轴向左右移动的功能；所述的上模1、下模3、左衬套4和右衬套5的最终成形位置组成管件型腔。

一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具的成形方法，包括以下步骤：

A、推动左冲头6和右冲头7同时向内轴向移动，完成管材2左右两个端部的密封；

B、由合模压力机滑块带动上模1与下模3完成合模，高压液体通过左冲头6上的高压水孔8进入管材2内部，同时左冲头6和右冲头7同时轴向进给距离s₁，使管材2胀形部分大部与上模1和下模3贴合；

C、左冲头6和右冲头7停止运动，在成形压力P下，左衬套4和右衬套5同时由初始位置开始向内轴向移动距离s₀，直到分别与左右两侧的管件型腔侧壁10贴合，保压或提高压力对管件9进行成形，成形结束后卸压并开模取件；

所述的左衬套4和右衬套5分别与左右两侧的管件型腔侧壁10的初始距离s必须满足如下条件才能成形较小圆角，同时防止垂直段出现折叠缺陷，s的值由式(1)确定：

式中，D为成形凸台11的直径，d为管材2直径；

左衬套4和右衬套5移动过程中，其移动距离s₀与成形压力P的关系需满足以下关系式(2)；

式中，t为管材2壁厚，σ_s管材2的屈服强度；

所述的左冲头6和右冲头7的轴向进给量s₁的值由成形管件9胀形体积不变原理计算得到，s₁的值由式(3)确定：

式中，H为成形凸台11的长度。

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1所示，成形管件9为变直径直管胀形管件，管材2材质为DC04，直径为60mm，厚度为1.5mm，中间胀形部位的直径为80mm，长度为100mm。

采用传统的内高压成形模具，成形压力为120MPa，左右进给量为18mm，加载路径为线性加载。经内高压成形工艺成形后的管件9最小半径8mm，最小壁厚1.036mm，减薄率达30％。

采用本发明的成形阶梯结构管件9的内高压成形模具对试验件进行成形，左右衬套与管件型腔侧壁10之间距离s取3mm，加载路径与传统内高压成形模具相同，内压只需线性加载至100MPa，经内高压成形工艺成形后的管件9最小半径为0.8mm，最小壁厚1.135mm，最大减薄率为24％。

实施例2：如图2-3所示，成形管件9为具有复杂轴线胀形类管件，管材2材质为DC04，直径为56mm，厚度为1.5mm，中间成形凸台11的高度达10mm，长度为50mm。

采用传统的内高压成形模具，成形压力为150MPa，左右进给量为18mm，加载路径为线性加载。经内高压成形工艺成形后的管件9最小半径4.5mm，最小壁厚0.959mm，减薄率达36.1％。

采用本发明的成形阶梯结构管件9的内高压成形模具对试验件进行成形，左右衬套与管件型腔侧壁10之间距离s取4mm，加载路径与传统内高压成形模具相同，内压只需线性加载至150MPa，经内高压成形工艺成形后的管件9最小半径为3mm，最小壁厚1.04mm，最大减薄率为30.7％。

Claims (2)

1.一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具，其特征在于：包括上模(1)、下模(3)、左衬套(4)、右衬套(5)、左冲头(6)和右冲头(7)，所述的左冲头(6)上开有高压水孔(8)；所述的左冲头(6)外套有左衬套(4)、右冲头(7)外套有右衬套(5)，所述的左衬套(4)和右衬套(5)分别位于上模(1)和下模(3)之间的左右两侧；所述的上模(1)、下模(3)、左衬套(4)和右衬套(5)组成模具型腔，模具型腔两端由左冲头(6)和右冲头(7)密封；所述的左衬套(4)和右衬套(5)分别具有沿左冲头(6)和右冲头(7)轴向左右移动的功能；所述的上模(1)、下模(3)、左衬套(4)和右衬套(5)的最终成形位置组成管件型腔。

2.一种成形阶梯结构管件的内高压成形模具的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、推动左冲头(6)和右冲头(7)同时向内轴向移动，完成管材(2)左右两个端部的密封；

B、由合模压力机滑块带动上模(1)与下模(3)完成合模，高压液体通过左冲头(6)上的高压水孔(8)进入管材(2)内部，同时左冲头(6)和右冲头(7)同时轴向进给距离s₁，使管材(2)胀形部分大部与上模(1)和下模(3)贴合；

C、左冲头(6)和右冲头(7)停止运动，在成形压力P下，左衬套(4)和右衬套(5)同时由初始位置开始向内轴向移动距离s₀，直到分别与左右两侧的管件型腔侧壁(10)贴合，保压或提高压力对管件(9)进行成形，成形结束后卸压并开模取件；

所述的左衬套(4)和右衬套(5)分别与左右两侧的管件型腔侧壁(10)的初始距离s必须满足如下条件才能成形较小圆角，同时防止垂直段出现折叠缺陷，s的值由式(1)确定：

$\frac{D-d}{12}\≤s\≤\frac{D-d}{4}---\left(1\right)$

式中，D为成形凸台(11)的直径，d为管材(2)直径；

左衬套(4)和右衬套(5)移动过程中，其移动距离s₀与成形压力P的关系需满足以下关系式(2)；

$P\≤1.2{\mathrm{\σ}}_s\frac{t}{s-s_0}--\left(2\right)$

式中，t为管材(2)壁厚，σ_s管材(2)的屈服强度；

所述的左冲头(6)和右冲头(7)的轴向进给量s₁的值由成形管件(9)胀形体积不变原理计算得到，s₁的值由式(3)确定：

$s_1\≤1.1\·\frac{(D-d)\·H}{2d}---\left(3\right)$

式中，H为成形凸台(11)的长度。