CN107639172B - 一种同时实现管端缩口增厚的成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同时实现管端缩口增厚的成形方法及装置，包括液压缸、推头、凹模、衬块、加热棒、冷却装置和加热装置；液压缸连接有圆盘，圆盘上设置有导套，推头设置在液压缸上且穿过导套，凹模设置在推头的一侧，凹模与推头之间设置有冷却装置，凹模包括型腔和加热孔，衬块设置在型腔内，加热棒设置在加热孔内，加热棒与加热装置连接；衬块包括锥面部和缩径部，衬块一端设置有锥面部，锥面部与缩径部连接，缩径部的一端还设置有顶料杆。本发明采用衬块的锥面部设计不仅对管坯在该突变区域起到一定的支撑作用，防止管坯因受轴向压应力向内失稳，成形工艺简单，减少机械加工余量，降低加工成本及生产投资。

Description

一种同时实现管端缩口增厚的成形方法及装置

技术领域

本发明涉及管材塑性加工技术领域，特别是涉及一种同时实现铝合金管端缩口增厚的成形方法及装置。

背景技术

缩口工艺是将管坯的口部直径缩小的成形方法，是管材塑性加工技术中的一种，其广泛应用于航空航天、国防、轻工业等结构件生产制造。

目前，管材缩口成形忽略了缩口后管材加工硬化和料厚的问题。因此管材成形后缩口处径向无显著增厚，后期需采用焊接或铆接方式连接其他构件。目前飞机操控机构中拉杆成形即采用缩口加铆接螺纹套筒制造，这势必造成飞机连接强度低、重量及成本高，而这是飞机制造工业中极力避免的。

国内外对缩口增厚研究主要是介绍采用先管端增厚，后管端缩口的分布成形方法，但是这种方法其增加了生产成本，降低了生产效率，管端增厚后缩口难度加大。

发明内容

本发明的目的是提供一种管端缩口增厚的成形装置，同时实现管材缩口热挤压径向增厚的差温成形方法，将管材缩口处径向增厚后直接攻螺纹，取代铆接螺纹套筒，则可显著增加飞机拉杆的连接强度、降低构件重量、提高材料的利用率、减小机械加工余量、降低加工成本以及生产投资。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种同时实现管端缩口增厚的成形装置，包括液压缸、推头、凹模、衬块、加热棒和加热装置；所述液压缸连接有圆盘，所述圆盘上设置有导套，所述推头设置在所述液压缸上且穿过所述导套，所述凹模设置在所述推头的一侧，所述凹模包括型腔和加热孔，所述衬块设置在所述型腔内，所述加热棒设置在所述加热孔内，所述加热棒与所述加热装置连接；

所述衬块包括锥面部和缩径部，所述衬块一端设置有所述锥面部，所述锥面部与所述缩径部螺纹连接，所述缩径部的一端还设置有顶料杆。

优选的，所述液压缸与所述凹模之间还设置有冷却装置，所述冷却装置与所述凹模均设置在连接板上，所述冷却装置上设置有通孔，所述通孔的内径与所述型腔的内径相等，所述推头的轴心、所述型腔的中心和所述冷却装置的通孔的中心均在同一直线上；

优选的，所述冷却装置与所述凹模一端相抵，所述凹模的另一端还设置有挡块，所述挡块与所述顶料杆相抵，所述冷却装置的底部设置有进液口，所述冷却装置的顶部设置有出液口；

优选的，所述挡块与所述凹模上均设置有多个加热孔，所述加热孔沿所述型腔径行圆周分布，所述挡块与所述凹模上还设置有多个测温孔，所述测温孔设置在相邻的所述加热孔之间；

优选的，所述凹模内的测温孔内设置有热电偶，所述加热装置包括温度控制仪、空气开关和接触器，所述热电偶与所述温度控制器通过线路连接，所述温度控制仪通过空气开关与所述接触器连接，所述接触器与所述加热棒通过线路连接；

优选的，所述衬块一端为长圆柱，所述长圆柱的一端与所述锥面部的一端一体成型且直径相等，所述锥面部的另一端与所述缩径端连接且直径相等，所述缩径端另一端与顶料杆连接，所述顶料杆上设置有顶料柱，所述顶料柱的直径比所述缩径端的直径大；

本发明还提供了一种同时实现管端缩口增厚的成形方法，包括以下步骤：

步骤1：预制管坯；

使用切管机切取一定长度的管坯，切割好的管坯要求端面与管轴垂直，保证端口表面平整且无毛刺，进而制成待加工的管坯；

步骤2：安装设备；

先将冷却装置和凹模分别与连接板进行螺纹固定，挡板与凹模进行螺纹连接，冷却装置和凹模需紧密相接触，对正冷却装置的轴心孔和型腔的轴心孔；

然后将圆盘连接在液压缸上，推头连接在圆盘上，导套连接在推头上，管坯与导套呈嵌入式相连，衬块与顶料杆螺纹连接，将衬块放入凹模型腔内，顶料杆的小径端穿过挡块的轴心孔。然后调节冷却装置的轴心孔和凹模的轴心孔对正，调节整体试验模具轴心与液压缸的主轴对正；

步骤3：预热和冷却；

给冷却装置通冷却液，进液口和出液口均连有塑胶管，冷却液从进液口流进，从出液口流出；加热棒和热电偶分别***加热孔和测温孔内，然后给加热装置通电，在温度控制仪上设定待加工管坯加热的目标温度，凹模开始加热升温。

步骤4：进行成形加工；

凹模预热完成后，通过液压缸推动管坯经过冷却装置后缓慢进入高温凹模中，液压缸的进给速度由操作台控制，通过控制管坯的进给位移完成管坯的缩口增厚成形；

步骤5：加工完成；

完成加工后，关闭电源，切断冷却液，取出衬块，然后取出最终成形的管坯。

优选的，在步骤4中，在成形加工过程中，根据体积不变原理，需要先计算出管坯由直管变化到完成缩口时所需的管坯长度，后计算出管坯由缩径端变化到试验要求增厚的厚度尺寸所需管坯长度，最后算出管坯的进给位移；

优选的，在步骤4中，在成形加工过程中，所述温度控制仪通过所述热电偶控制所述凹模的温度，当温度低于目标温度时，温度控制仪控制接触器继续通过加热棒继续对凹模加热至目标温度。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、本发明的成形装置更加简便，工艺提高材料利用率，减少机械加工余量，降低加工成本及生产投资。

2、本发明的冷区装置在进给成形过程中，受热传递效应的影响，凹模外段的管坯温度会随着模具的加热温度上升而上升，在没有任何保护的情况下，凹模外段管坯因热塑性提高而发生失稳。冷却装置的设计对管坯既起到了一定的保护作用，同时也对管坯起到了降温的作用，使得凹模内部管材与凹模外部管材在冷却装置的降温下产生明显的温差效果，有效防止了凹模外段管坯因热塑性提高发生失稳的现象。冷却装置中的冷却液使用的是循环水，较压缩空气冷却，冷却效果更佳。

3、本发明的凹模内装有可拆卸衬块，衬块由缩径部和锥面部两部分组成，缩径部用以保证管材缩径端变厚部分的内径尺寸，二者之间通过螺纹连接，可根据制造要求便于更换不同直径大小的缩径部。当管材由直管端缓慢向凹模锥面区域过度时，由于该区域属于管坯缩口的突变区域，管坯易受轴向压应力发生失稳，导致管坯出现向内凹陷的现象。而本发明的衬块锥面部的设计不仅对管坯在该突变区域起到一定的支撑作用，而且有效防止管坯因受轴向压应力向内失稳，从而避免了管坯向内凹陷的现象发生。

4、本发明优化了凹模结构设计，成型孔引导端加长，能够让管坯缩口增厚前先预热；缩径端变短，在达到预期增厚的目的下，由体积不变原理可知，缩径端越长，需要向凹模内填充的管料更多，成形时间更长。因此，成形孔引导端加长，缩径端变短，使管坯更易于达到缩口增厚的目的。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例同时实现管端缩口增厚的成形装置的整体示意图；

图2为本发明实施例同时实现管端缩口增厚的成形装置的凹模结构图；

图3为本发明实施例同时实现管端缩口增厚的成形装置的衬块示意图；

图4为本发明实施例同时实现管端缩口增厚的成形装置的衬块结构图；

图5为本发明实施例同时实现管端缩口增厚的成形装置的加热装置的电路原理图；

图6为本发明实施例同时实现管端缩口增厚的成形装置的温控仪接线原理图；

其中，1-液压缸、2-圆盘、3-推头、4-导套、5-铝合金管坯、6-冷却装置、7-出液口、8-进液口、9-凹模、10-螺纹连接孔、11-加热棒、12-热电偶、13-挡块、14-连接板、15-衬块、16-加热孔、17-型腔、18-顶料杆、19-测温孔、20-缩径部、21-锥面部、22-接线盒、23-接触器、24-空气开关、25-温度控制仪。

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管端缩口增厚的成形装置，同时实现管材缩口热挤压径向增厚的差温成形方法，将管材缩口处径向增厚后直接攻螺纹，取代铆接螺纹套筒，则可显著增加飞机拉杆的连接强度、降低构件重量。

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。

实施例1：

如图1-6所示，本实施例是对本发明一种同时实现管端缩口增厚的成形方法及装置的结构和技术原理做出详细的说明，本实施例以铝合金管为例实现对铝合金管端缩口增厚的温差成形。

如图1所示，本实施例提供了一种同时实现铝合金管端缩口增厚的成形装置，包括液压缸1、推头3、凹模9、衬块15、加热棒11、冷却装置6和加热装置；液压缸1作为主要动力源，产生推动铝合金管坯5成形的挤压力，液压缸1的工作端螺纹连接有圆盘2，圆盘2上设置有导套4，推头3设置在液压缸1上且穿过导套4，导套4用于固定铝合金管坯5的轴向位置，稳定铝合金管坯5连接端形态。

如图2所示，凹模9设置在推头3的一侧，液压缸1与凹模9之间还设置有冷却装置6，冷却装置6与凹模9均设置在连接板14上，连接板14上设置有螺纹连接孔10，通过螺纹连接将冷却装置6与凹模9共同连接在连接板14上，而且冷却装置6与凹模9一端相抵，两者紧紧设置在一起。冷却装置6上设置有通孔，通孔的内径与型腔17的成型孔内径相等，推头3的轴心、型腔17的中心和冷却装置6的通孔的中心均在同一直线上，保证铝合金管坯5的直线进给加工。

受热传递效应的影响，凹模9外段的铝合金管坯5温度会随着模具的加热温度上升而上升，在没有任何保护的情况下，凹模9外段的铝合金管坯5因热塑性提高而发生失稳。冷却装置6的设计对管坯既起到了一定的保护作用，同时也对铝合金管坯5起到了降温的作用，使得凹模9内部管材与凹模9外部管材在冷却装置6的降温下产生明显的温差效果，有效防止了凹模9外段的铝合金管坯5管坯因热塑性提高发生失稳的现象。具体的本实施例的冷却装置6的底部设置有进液口8，冷却装置6的顶部设置有出液口7，冷却装置6中的冷却液使用的是循环水，较压缩空气冷却，冷却效果更佳。

具体的，凹模9包括型腔17和加热孔16，衬块15设置在型腔17内，加热棒11设置在加热孔16内，加热棒11与加热装置连接；凹模9用于热挤压缩口增厚成形，凹模9内的型腔17和衬块15共同作用铝合金管坯5使其在进给成形过程中完成缩口增厚。

如图3和4，本实施例的衬块15包括锥面部21和缩径部20，二者之间通过螺纹连接，可根据制造要求便于更换不同直径大小的缩径段部分，衬块15一端设置有锥面部21，锥面部21与缩径部20连接，缩径部20的一端还设置有顶料杆18，具体的，衬块15的一端为长圆柱，长圆柱用于铝合金管坯5进入是套在其中，长圆柱也就是凹模9成形孔的引导端，由于引导端的加长，缩径端变短，使管坯更易于达到缩口增厚的目的；长圆柱的一端与锥面部21的一端一体成型且直径相等，锥面部21的另一端与缩径端连接且直径相等，锥面部21的截面半径依次变小，配合对应的型腔17依次变小，这样使得铝合金管坯5完成缩口并进入缩径端，缩径端的截面直径不变，缩径端用以保证铝合金管坯5变厚部分的内径尺寸。当铝合金管坯5由直管端缓慢向凹模9锥面区域过度时，由于该区域属于管坯缩口的突变区域，铝合金管坯5易受轴向压应力发生失稳，导致管坯出现向内凹陷的现象，衬块15的锥面部21设计不仅对管坯在该突变区域起到一定的支撑作用，而且有效防止铝合金管坯5因受轴向压应力向内失稳，从而避免了铝合金管坯5向内凹陷的现象发生。

缩径端的另一端还与顶料杆18连接，顶料杆18上设置有顶料柱，顶料柱的直径比缩径端的直径大，顶料柱的设置是为了抵住从缩径端出来的后缩口后的铝合金管坯5，进而完成缩口后的铝合金管坯5的增厚过程，根据体积不变原理，需要先计算出铝合金管坯5由直管变化到完成缩口时所需的铝合金管坯5长度，后计算出铝合金管坯5由缩径端变化到试验要求增厚的厚度尺寸所需铝合金管坯5长度，最后算出铝合金管坯5的进给位移，这样就能够实现铝合金管坯5的具体增厚尺寸。

凹模9的另一端还设置有挡块13，挡块13与顶料杆18相抵，这样挡块13就能够顶住顶料杆18，使得顶料杆18完成增厚过程，挡块13与凹模9上均设置有多个加热孔16，加热孔16沿型腔17径行圆周分布，挡块13与凹模9上还设置有多个测温孔19，测温孔19设置在相邻的加热孔16之间；为了均匀加热，加热孔16在凹模9上为圆周设置，加热孔16的数量为8-12个，本实施例的加热孔16为8个，测温孔19为了更好的检测凹模9的温度且不会产生局部误差，将测温孔19均匀设置在型腔17和加热孔16之间，这样既能够检测型腔17外侧的温度，也能够检测加热棒11传递的温度，测温孔19也可以设置在型腔17关于加热孔16的对称端，通过辐射热的递减来检测传递到型腔17内的相对温度。

如图5和6所示，本实施例设置加热孔16和测温孔19均为对凹模9的温度控制，测温孔19具体的检测装置为热电偶12，加热装置包括温度控制仪25、空气开关24和接触器23，热电偶12与温度控制器通过线路连接，温度控制仪25通过空气开关24与接触器23连接，接触器23与加热棒11通过接线盒22连接；通过温度控制仪25的检测来对加热棒11进行加热，确保凹模9的温度恒定，当凹模9温度下降时，测温孔19内的热电偶12将温度信号传递到温度控制仪25后，温度控制仪25则发出信号控制接触器23对加热棒11进行适当级别的加热功能，直到温度达到铝合金管坯5的成形温度。

本实施例还提供了一种同时实现管端缩口增厚的成形方法，包括以下步骤：

S001：预制铝合金管坯5；

使用切管机切取一定长度的铝合金管坯5，切割好的铝合金管坯5要求端面与管轴垂直，保证端口表面平整且无毛刺，进而制成待加工的铝合金管坯5。

S002：安装设备；

先将冷却装置6和凹模9分别与连接板14进行螺纹固定，挡板与凹模9进行螺纹连接，冷却装置6和凹模9需紧密相接触，对正冷却装置6的轴心孔和型腔17的轴心孔；

然后将圆盘2连接在液压缸1上，推头3连接在圆盘2上，导套4连接在推头3上，铝合金管坯5与导套4呈嵌入式相连，衬块15与顶料杆18螺纹连接，将衬块15放入凹模9型腔17内，顶料杆18的小径端穿过挡块13的轴心孔。然后调节冷却装置6的轴心孔和凹模9的轴心孔对正，调节整体试验模具轴心与液压缸1的主轴对正。

S003：预热和冷却；

给冷却装置6通冷却液，进液口8和出液口7均连有塑胶管，冷却液从进液口8流进，从出液口7流出；加热棒11和热电偶12分别***加热孔16和测温孔19内，然后给加热装置通电，在温度控制仪25上设定待加工铝合金管坯5加热的目标温度，凹模9开始加热升温。

S004：进行成形加工；

凹模9预热完成后，进行铝合金管坯5的成形加工，在成形加工过程中，根据体积不变原理，需要先计算出铝合金管坯5由直管变化到完成缩口时所需的铝合金管坯5长度，后计算出铝合金管坯5由缩径端变化到试验要求增厚的厚度尺寸所需铝合金管坯5长度，最后算出铝合金管坯5的进给位移。

通过液压缸1推动铝合金管坯5经过冷却装置6后缓慢进入高温凹模9中，液压缸1的进给速度由操作台控制，通过控制铝合金管坯5的进给位移完成铝合金管坯5的缩口增厚成形。

需要注意的是在成形加工过程中，温度控制仪25通过热电偶12控制凹模9的温度，当温度低于目标温度时，温度控制仪25控制接触器23继续通过加热棒11继续对凹模9加热至目标温度。

S005：加工完成；

完成加工后，关闭电源，切断冷却液，取出衬块15，然后取出最终成形的铝合金管坯5。

一般的管材缩口增厚成形工艺是管材先经局部加热镦粗工序后，然后在加热缩口模中缩口，此方法增加了成形的复杂性，增加了生产成本，降低了生产效率，管端增厚后缩口难度加大，而本发明成形方法更加简便，工艺方法提高材料利用率，减少机械加工余量，降低加工成本及生产投资。

需要说明的是，本实施例的一种同时实现铝合金管端缩口增厚的成形方法及装置并不限制本发明的管端缩口增厚的成形方法及装置，只要在成形过程中设置有缩口过渡和顶料的衬块或其他成形内模均为本申请的保护范围。本发明在铝合金管材实现缩口增厚的同时成形，但是不限于在铝合金材料上，在其他可塑金属或其他可塑材料中均为能实现。

本发明中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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种同时实现管端缩口增厚的成形装置，其特征在于，包括液压缸、推头、凹模、衬块、加热棒和加热装置；所述液压缸连接有圆盘，所述圆盘上设置有导套，所述推头设置在所述液压缸上且穿过所述导套，所述凹模设置在所述推头的一侧，所述凹模包括型腔和加热孔，所述衬块设置在所述型腔内，所述加热棒设置在所述加热孔内，所述加热棒与所述加热装置连接；

所述衬块包括锥面部和圆柱状的缩径部，所述衬块一端设置有所述锥面部，所述锥面部与所述缩径部螺纹连接，所述缩径部的径向长度小于所述锥面部的径向长度，所述缩径部的一端还设置有顶料杆。

2.根据权利要求1所述的同时实现管端缩口增厚的成形装置，其特征在于，所述液压缸与所述凹模之间还设置有冷却装置，所述冷却装置与所述凹模均设置在连接板上，所述冷却装置上设置有通孔，所述通孔的内径与所述型腔的内径相等，所述推头的轴心、所述型腔的中心和所述冷却装置的通孔的中心均在同一直线上。

3.根据权利要求2所述的同时实现管端缩口增厚的成形装置，其特征在于，所述冷却装置与所述凹模一端相抵，所述凹模的另一端还设置有挡块，所述挡块与所述顶料杆相抵，所述冷却装置的底部设置有进液口，所述冷却装置的顶部设置有出液口。

4.根据权利要求3所述的同时实现管端缩口增厚的成形装置，其特征在于，所述挡块与所述凹模上均设置有多个加热孔，所述加热孔沿所述型腔径行圆周分布，所述挡块与所述凹模上还设置有多个测温孔，所述测温孔设置在相邻的所述加热孔之间。

5.根据权利要求4所述的同时实现管端缩口增厚的成形装置，其特征在于，所述凹模内的测温孔内设置有热电偶，所述加热装置包括温度控制仪、空气开关和接触器，所述热电偶与所述温度控制仪通过线路连接，所述温度控制仪通过空气开关与所述接触器连接，所述接触器与所述加热棒通过线路连接。

6.根据权利要求5所述的同时实现管端缩口增厚的成形装置，其特征在于，所述衬块一端为长圆柱，所述长圆柱的一端与所述锥面部的一端一体成型且直径相等，所述锥面部的另一端与所述缩径部连接且直径相等，所述缩径部另一端与顶料杆连接，所述顶料杆上设置有顶料柱，所述顶料柱的直径比所述缩径部的直径大。

7.一种使用如权利要求1所述的成形装置同时实现管端缩口增厚的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：

预制管坯；使用切管机切取一定长度的管坯，切割好的管坯要求端面与管轴垂直，保证端口表面平整且无毛刺，进而制成待加工的管坯；

步骤2：

安装设备；先将冷却装置和凹模分别与连接板进行螺纹固定，挡板与凹模进行螺纹连接，冷却装置和凹模需紧密相接触，对正冷却装置的轴心孔和型腔的轴心孔；

然后将圆盘连接在液压缸上，推头连接在圆盘上，导套连接在推头上，管坯与导套呈嵌入式相连，衬块与顶料杆螺纹连接，将衬块放入凹模型腔内，顶料杆的小径端穿过挡块的轴心孔。然后调节冷却装置的轴心孔和凹模的轴心孔对正，调节整体试验模具轴心与液压缸的主轴对正；

步骤3：预热和冷却；

给冷却装置通冷却液，进液口和出液口均连有塑胶管，冷却液从进液口流进，从出液口流出；加热棒和热电偶分别***加热孔和测温孔内，然后给加热装置通电，在温度控制仪上设定待加工管坯加热的目标温度，凹模开始加热升温；

步骤4：进行成形加工；

凹模预热完成后，通过液压缸推动管坯经过冷却装置后缓慢进入高温凹模中，液压缸的进给速度由操作台控制，通过控制管坯的进给位移完成管坯的缩口增厚成形；

步骤5：加工完成；

完成加工后，关闭电源，切断冷却液，取出衬块，然后取出最终成形的管坯。

8.根据权利要求7所述的同时实现管端缩口增厚的成形方法，其特征在 于，在步骤4中，在成形加工过程中，根据体积不变原理，需要先计算出管坯由直管变化到完成缩口时所需的管坯长度，后计算出管坯由缩径端变化到试验要求增厚的厚度尺寸所需管坯长度，最后算出管坯的进给位移。

9.根据权利要求7所述的同时实现管端缩口增厚的成形方法，其特征在 于，在步骤4中，在成形加工过程中，所述温度控制仪通过所述热电偶控制所述凹模的温度，当温度低于目标温度时，温度控制仪控制接触器继续通过加热棒继续对凹模加热至目标温度。

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