CN108723162B - 一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，针对航空航天领域中变截面复杂结构的切向非封闭管状零件，提出了新的成形工艺方法和原始坯料状态。首先针对切向非封闭管状零件，选择板材然后进行卷弯，形成带有搭边余量的管状坯料，内部有橡胶密封套管，实现密封。难成形特征处推头移动到距离管坯外表面一定距离处，施加流体压力，实现局部反向聚料；然后继续增压流体压力，左右侧推头继续沿轴向往中部进给补料，难成形特征处侧推头后退，始终与坯料保持接触，实现小特征的整形和难变形特征的最终成形。该成形方法具有材料适用性范围广、零件成形精度高、零件结构复杂程度高、设备吨位小、模具工装少、节省生产成本等特点。
Description
技术领域
本发明属于内高压成形技术领域，尤其是一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法。
背景技术
结构轻量化是汽车、飞机等运输工具节约燃料、减少废气排放的主要手段之一。具有特殊用途的结构功能件通常采用空心变截面构件，即可减轻质量又可充分利用材料强度。内高压成形是以管材为毛坯，在内压和轴向补料联合作用下将管材成形为所需形状的先进制造技术。内高压成形件实现以空心代替实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面，比冲焊件的质量减少15％～30％，且可大幅度提高零件的刚度和疲劳强度。这些都使得内高压成形技术在成形具有复杂变截面的管状零件上具有广泛的应用。
内高压成形的本质是封闭薄壳在内压作用下经过各种中间形状变化和塑性变形由圆柱壳变为复杂形状壳体，由于中间形状变化与模具接触顺序受加载路径和摩擦等因素影响，所以，内高压成形过程的塑性变形十分复杂。与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成形主要优点有：(1)减轻质量节约材料。对于空心轴类零件可以减轻40％-50％，有些件可达75％；(2)减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成形件通常仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具；(3)可减少后续机械加工和组装焊接量，提高生产率；(4)提高强度和刚度；(5)降低生产成本。
通常情况下的内高压成形管件都是切向密封的焊接整管，然而航空航天领域上因为特殊工作环境的需求，一些结构功能件的外形结构比较复杂，比如切向非封闭、留有一定搭边余量、变截面的复杂结构管状零件。因为零件的切向非封闭性，导致坯料的选取受到限制，选择焊接整管进行内高压成形，后期还需要切割等辅助工序，从而影响已成形部位特征的形状精度和尺寸精度；选择板材，利用传统的冲焊工艺很难保证各局部特征的位置精度以及最终产品的形状精度，而且冲压工艺成形各部位小特征需要多道工序，工序繁琐，设备吨位大，生产成本高。传统成形工艺的局限性也限制了结构更加复杂的航空航天结构件的设计与研发。由于不同截面上局部特征的径向尺寸较大，变形量大，成形难度大，材料径向流动要求均匀，导致利用传统的内高压成形，即使轴向补料充分，也很难成形到位。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法。
为了达到上述目的，本发明提供的一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)清理上模和下模的型腔，保证模具型腔的清洁，防止胀形过程中，在流体压力作用下，型腔内的细小颗粒等杂质嵌入坯料的外表面，严重降低零件的表面质量。同时将板料卷成筒状，控制一定的搭边余量，防止胀形过程中，因为材料的周向流动，不能及时补料，造成零件无法成形或者成形尺寸无法达到所需要求。
2)将密封橡胶套管放入管坯内，密封橡胶套管的外径与管坯的内径保持一致，形成装配结构，防止在成形过程中，两者脱离，丧失密封橡胶套管的密封作用。然后将管坯放入下模型腔内，上模向下运动，与下模闭合。左推头和右推头分别连接两个侧推油缸，侧推油缸进给运动，带动左右两个推头分别沿着管坯轴线向中部运动。推头与管坯和橡胶密封套管的组合体采用过盈配合，实现了推头与管坯之间的连接与密封，防止胀形过程中推头与管坯的脱离，实验失败。
3)上推头和下推头分别连接两个侧推油缸，侧推油缸通过进给运动，同时带动上、下两个推头沿直线运动到距离管坯表面一定距离的位置，该位置根据零件难变形特征的局部反向聚料量确定。
4)流体介质通过右推头中的通油管道流入管坯，以优化的加载路径向管坯内表面施加均布的内压力。胀形过程中，左、右推头继续沿管坯轴线向中部运动，增加轴向的材料进给量，补充周向的材料变形。为了充分实现难变形特征处的局部反向聚料，保证后续的零件外形精度要求，流体压力不能过小；同时防止压力过大，多余的坯料流入模具与上、下推头的缝隙，造成材料的堆积和起皱，因此，此阶段的最终流体介质压力确定为P1。
5)在流体压力P1作用下，管件上的小特征变形不充分，没有完全贴膜，需要加大流体压力，实现高压整形。同时上、下推头分别实现后退运动，保证难成形特征进行充分成形。左、右推头继续往中部运动，将管坯的轴向进给转化为周向补料，实现材料的不同部位的转移。此阶段中，流体介质的加载路径与上、下推头的后退运动轨迹需要合理匹配，保证难变形特征处的材料成形速度适中。同时上、下推头在后退过程中需要始终保持与管坯接触的状态，保证难变形特征的外形精度要求。最终，此阶段的最终流体压力达到P2(P2＞P1)，实现高压整形小特征和局部难变形特征的充分变形的作用效果。
6)最后，***卸压，左、右推头后退，上、下推头后退，上、下模分离，取出零件，将橡胶密封套管取出，对零件清理，进行后续的机加工。
本发明提供的一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，以板料为原材料，卷管后进行流体液压胀形过程，实质是板材液压成形与管材内高压成形的结合。这对于成形切向封闭式管状零件还是非封闭式带有搭边余量的管状零件，材料的选择范围更加广泛，可以是平板坯料直接卷弯成带有搭边余量的管状坯料，或者平板坯料卷弯，然后焊接成切向封闭管坯，或者为管坯成品件。该方法利用管件内高压的成形方法，突破了传统冲压成形与卷弯相结合的工艺中、设备吨位大、加工工序多、模具工装复杂等缺点，在一套模具中通过不同的工位即可实现复杂零件的成形，节省了生产成本，提高了工作效率。基于管坯尺寸和变形的最终尺寸，根据理论分析可知，局部难成形特征，其变形量远远超过材料的最大延伸率，局部反向聚料增大了难变形特征处的材料储备，在胀形过程中伴随着左右侧推头的运动，实现材料的轴向进给转换为周向填充模具型腔，顺序填补不同部位的材料转移，为结构更加复杂的变截面管状零件的生产和试制提供了可能。
本发明提供的一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，利用一套模具工装即可完成最终成形，减少了传统冲压成形结合卷弯成形该类切向非封闭式管件工艺中的多步定位问题，减少了零件特征因为定位带来的形状误差的积累，一次定位，保证了产品的外形精度要求和尺寸精度要求。利用橡胶密封套管将管件与高压流体隔离，橡胶密封套管与管件的装配形式简单，易于操作和更换，减少了生产成本。控制难变形处侧推头的截面形状和运动轨迹，即可获得不同形状和变形量的局部难成形特征，增加了复杂截面特征产品的多样性。在航空航天、汽车和国防工业等领域中复杂构件的制造，尤其是具有小特征和难变形特征的复杂构件的成形和整形等方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为采用本发明提供的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法原理示意图。
图2为采用本发明提供的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法对局部难成形特征处进行反向聚料阶段的示意图。
图3为采用本发明提供的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法高压整形小特征及充分胀形难成形特征过程的示意图。
图4为切向非封闭变截面管状零件的板料毛坯以及卷管方向。
图5为放入模具型腔内的管坯形状。
图6为切向非封闭变截面管状零件的轴向图。
图中：1-橡胶密封套管，2-左推头，3-下模，4-下推头，5-非密封管坯，6-流体介质，7-通油孔道，8-右推头，9-上模，10-上推头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法进行详细说明。
如图1—图6所示，本发明提供的一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法包括按照顺序进行的下列步骤：
1)清理上模9和下模3的型腔，保证模具型腔的清洁，防止胀形过程中，在流体压力作用下，型腔内的细小颗粒等杂质嵌入坯料的外表面，严重降低零件的表面质量。同时将板料5卷成筒状，控制一定的搭边余量，防止胀形过程中，因为材料的周向流动，不能及时补料，造成零件无法成形或者成形尺寸无法达到所需要求。
2)将密封橡胶套管1放入管坯5内，密封橡胶套管1的外径与管坯5的内径保持一致，管坯5外面辅助缠绕塑料薄膜形成装配结构，防止在成形过程中，两者脱离，丧失密封橡胶套管1的密封作用。然后将管坯5放入下模3的型腔内，上模9向下运动，与下模3闭合，使管坯5处于密闭的模具型腔内。左推头2和右推头8分别连接两个侧推油缸，侧推油缸进给运动，带动左右两个推头分别沿着管坯5轴线向中部运动。左推头2和右推头8的头部加工有螺纹结构，左推头2和和右推头8与管坯5和橡胶密封套管1的组合体采用过盈配合，实现了推头与管坯之间的连接与密封，防止胀形过程中推头与管坯的脱离，实验失败。
3)上推头10和下推头4分别连接两个侧推油缸，侧推油缸通过进给运动，带动上推头10和下推头4沿直线运动到距离管坯5表面一定距离的位置，该位置根据零件难变形特征的局部反向聚料量确定。
4)流体介质6通过右推头8中的通油管道7流入管坯5，以优化的加载路径向管坯5内表面施加均布的内压力P。管坯5在流体压力P下沿周向运动，填充型腔，实现变截面结构成形。胀形过程中，左推头2和右推头8继续沿管坯5轴线向中部运动，增加轴向的材料进给量，补充周向的材料变形。为了充分实现难变形特征处的局部反向聚料，保证后续的零件外形精度要求，流体压力不能过小；同时防止压力过大，多余的坯料流入模具与上下推头的缝隙，造成材料的堆积和起皱，因此该阶段的最终流体压力确定为P1。
5)在流体压力P1作用下，管件上的小特征变形不充分，没有完全贴膜，需要加大流体压力，实现高压整形。同时上推头10和下推头4分别实现后退运动，保证难成形特征进行充分成形。左右推头继续往中部运动，将管坯5的轴向进给转化为周向补料，实现材料的不同部位的转移。此阶段中，流体介质的加载路径与上推头10和下推头4的后退运动轨迹需要合理匹配，保证难变形特征处的材料变形速度适中，防止发生胀形量过大，发生破裂或者胀形量不够，变形不均匀等缺陷。同时上推头10和下推头4在后退过程中需要始终保持与管坯5接触的状态，保证难变形特征的外形精度要求，最终流体压力达到P2(P2＞P1)，实现高压整形小特征和局部难变形特征的充分变形的作用效果。
6)最后，***卸压，左推头2和右推头8后退，上推头10和下推头4后退，上下模分离，取出零件，将橡胶密封套管1取出，对零件清理，进行后续的机加工。
Claims (6)
1.一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，其特征在于：所述的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)清理上模(9)和下模(3)的型腔，保证模具型腔的清洁，防止胀形过程中，在流体压力作用下，型腔内的细小颗粒等杂质嵌入坯料的外表面，严重降低零件的表面质量，同时将板料(5)卷成筒状，控制一定的搭边余量，防止胀形过程中，因为材料的周向流动，不能及时补料，造成零件无法成形或者成形尺寸无法达到所需要求；
2)将密封橡胶套管(1)放入管坯(5)内，密封橡胶套管(1)的外径与管坯(5)的内径保持一致，管坯(5)外面辅助缠绕塑料薄膜形成装配结构，防止在成形过程中，两者脱离，丧失密封橡胶套管(1)的密封作用，然后将管坯(5)放入下模(3)的型腔内，上模(9)向下运动，与下模(3)闭合，使管坯(5)处于密闭的模具型腔内，左推头(2)和右推头(8)分别连接两个侧推油缸，侧推油缸进给运动，带动左右两个推头分别沿着管坯(5)轴线向中部运动，左推头(2)和右推头(8)的头部加工有螺纹结构，左推头(2)和右推头(8)与管坯(5)和橡胶密封套管(1)的组合体采用过盈配合，实现了推头与管坯之间的连接与密封，防止胀形过程中推头与管坯的脱离；
3)上推头(10)和下推头(4)分别连接两个侧推油缸，侧推油缸通过进给运动，带动上推头(10)和下推头(4)沿直线运动到距离管坯(5)表面一定距离的位置，该位置根据零件难变形特征的局部反向聚料量确定；
4)流体介质(6)通过右推头(8)中的通油管道(7)流入管坯(5)，以优化的加载路径向管坯(5)内表面施加均布的内压力P，管坯(5)在流体压力P下沿周向运动，填充型腔，实现变截面结构成形，胀形过程中，左推头(2)和右推头(8)继续沿管坯(5)轴线向中部运动，增加轴向的材料进给量，补充周向的材料变形，为了充分实现难变形特征处的局部反向聚料，保证后续的零件外形精度要求，流体压力不能过小；同时防止压力过大，多余的坯料流入模具与上下推头的缝隙，造成材料的堆积和起皱，因此该阶段的最终流体压力确定为P1；
5)在流体压力P1作用下，管件上的小特征变形不充分，没有完全贴模，需要加大流体压力，实现高压整形，同时上推头(10)和下推头(4)分别实现后退运动，保证难成形特征进行充分成形，左右推头继续往中部运动，将管坯(5)的轴向进给转化为周向补料，实现材料的不同部位的转移，此阶段中，流体介质的加载路径与上推头(10)和下推头(4)的后退运动轨迹需要合理匹配，保证难变形特征处的材料变形速度适中，防止发生胀形量过大，发生破裂或者胀形量不够，变形不均匀等缺陷，同时上推头(10)和下推头(4)在后退过程中需要始终保持与管坯(5)接触的状态，保证难变形特征的外形精度要求，最终流体压力达到P2，P2＞P1，实现高压整形小特征和局部难变形特征的充分变形的作用效果；
6)最后，***卸压，左推头(2)和右推头(8)后退，上推头(10)和下推头(4)后退，上下模分离，取出零件，将橡胶密封套管(1)取出，对零件清理，进行后续的机加工。
2.根据权利要求1所述的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，其特征在于：该方法利用高压流体介质成形变截面复杂结构管状零件，突破了传统成形该类零件的冲压成形与卷弯相结合的工艺中，设备吨位大、加工工序多、模具工装复杂等缺点，在一套模具中通过不同的工位即可实现复杂零件的成形，节省了生产成本，提高了工作效率。
3.根据权利要求1所述的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，其特征在于：基于最初的管坯切向尺寸和最终各变形截面尺寸，根据理论分析可知，局部难成形特征，其变形量远远超过材料的最大延伸率，局部反向聚料增大了难变形特征处的材料储备，在胀形过程中伴随着左右推头的运动，实现了材料的轴向进给沿径向填充模具型腔的过程，顺序填补不同的结构型腔，为结构更加复杂的变截面管状零件的生产和试制提供了可能。
4.根据权利要求1所述的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，其特征在于：该一种流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，利用一套模具工装即可完成最终零件的成形，减少了传统冲压成形结合卷弯的复合工艺成形该类切向非封闭式管件工艺中的多次定位问题，减少了零件功能特征和结构特征因为定位带来的形状误差积累，一次定位，保证了产品的外形精度要求和尺寸精度要求。
5.根据权利要求1所述的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，其特征在于：利用橡胶密封套管将管坯与高压流体介质隔离，橡胶密封套管放入卷弯后的管坯中，利用塑料薄膜包裹管坯外侧从而将二者装配在一起，实现两者的固定，橡胶密封套管与管坯装配形式简单，易于操作，橡胶密封套管价格便宜，易于更换，减少了生产成本。
6.根据权利要求1所述的流体压力诱导成形切向非封闭变截面管状零件的方法，其特征在于：控制难变形处侧推头的截面形状和运动轨迹，即可获得不同形状和变形量的局部难成形特征，增加了复杂截面特征产品的多样性。
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