一種變截面異形管件充液壓制成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬管件的成形制造方法，具體涉及一種用于制造變截面管件的液壓成形方法，特別涉及一種截面周長與形狀均發(fā)生變化的管件充液壓制成形方法，屬于管材成形制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]節(jié)能減排已成為目前制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢，而輕量化是汽車節(jié)約燃料、減少廢氣排放的主要手段之一。實現(xiàn)輕量化的主要途徑包括采用輕質(zhì)材料和輕體結(jié)構(gòu)，對于材料一定的結(jié)構(gòu)，輕量化的主要方法是設(shè)計和制造出具有合理幾何形狀的輕體結(jié)構(gòu)。內(nèi)高壓成形技術(shù)是制造空心變截面構(gòu)件的一種先進工藝方法，已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)汽車輕量化構(gòu)件，如底盤、車身和排氣管件等。
[0003]內(nèi)高壓成形是以管材作坯料通過管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向補料把管材壓入到模具型腔使其成形為所需形狀的工件。其主要優(yōu)點是可以制造出周長及形狀均變化的異形截面(矩形、梯形、橢圓形或其它形狀)空心輕體結(jié)構(gòu)。內(nèi)高壓成形可以分為成形和整形兩個階段，在成形階段，管坯大部分已經(jīng)貼靠模具，只有圓角區(qū)域未貼模;在整形階段，提高壓力使得圓角區(qū)貼模，達到設(shè)計要求的圓角半徑。成形階段的壓力較低，整形壓力很高。整形壓力與材料屈服強度成正比，與圓角半徑成反比。當(dāng)零件帶有小圓角半徑時，整形壓力會很高。對于汽車結(jié)構(gòu)常用的低碳鋼(抗拉強度小于440MPa)零件，生產(chǎn)中應(yīng)用的壓力范圍在200-300MPa;對于形狀復(fù)雜或材料強度高的零件，整形壓力會超過300MPa，甚至達到400MPa。過高的壓力，給批量生產(chǎn)帶來一系列問題，包括:需要大合模力的壓力機、投資大；需要大尺寸模具、且模具磨損嚴(yán)重，模具壽命低;液體介質(zhì)壓縮量大、發(fā)熱嚴(yán)重，難于實現(xiàn)壓力精確閉環(huán)控制。這些問題綜合作用使得內(nèi)高壓件成本高，限制了內(nèi)高壓成形技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。因此，如何降低整形壓力一直是內(nèi)高壓成形技術(shù)亟待解決的難題。
[0004]近年來，為了進一步實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化，高強鋼(抗拉強度大于700MPa)在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用逐漸增加，而成形高強鋼復(fù)雜形狀零件需要的內(nèi)壓高達lOOOMPa，使得降低整形壓力變得更為迫切。除此之外，內(nèi)高壓成形過程需要先將管材進行預(yù)成形，獲得合理的預(yù)制坯形狀，以預(yù)先分配材料及使管材順利放入模具型腔內(nèi)。預(yù)制坯形狀一般為內(nèi)凹形狀，由于高強鋼材料的屈服強度高，而回彈大，使得內(nèi)壓卸除后內(nèi)凹形狀無法展平，如圖1所示。因此迫切需要開發(fā)適合于高強鋼異形管件的液壓成形技術(shù)。
[0005]針對降低整形壓力的問題，國內(nèi)外研究人員提出了以下方法:
[0006]1、文南犬Gary Morphy.Tube Hydroforming:Efficiency and Effectiveness ofPressure Sequence Hydroforming.SAE Technical Paper，1998，do1:10.4271/982328(加里墨菲，管材液壓成形:壓力順序成形的效率和效果^AE的技術(shù)文件，1998，D01:10.4271/982328)提出了一種低內(nèi)壓成形方法(稱為“Pressure Sequence Hydroforming?即壓力順序成形)，該方法通過壓力機閉合模具產(chǎn)生的機械壓力和管內(nèi)液體壓力的共同作用來實現(xiàn)管材的塑性成形，其本質(zhì)是利用動摩檫代替內(nèi)高壓成形時的靜摩檫，可降低壓力30-50%;但是該方法只適合成形截面形狀簡單且截面周長基本不發(fā)生變化的管件，且成形過程中需要控制合模位移與內(nèi)壓的匹配曲線，設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜。
[0007]2、專利US005630334A提出了一種低內(nèi)壓成形裝置(稱為Liquid Impact ToolForming Mold，液體壓力成形模具)，該裝置與管坯均置于液體容腔內(nèi)，隨著模具閉合，管坯內(nèi)壓在截面積減小的情況下被動產(chǎn)生，管件在合模壓力與內(nèi)壓的共同作用下成形;在閉合模具的過程中，管內(nèi)液體體積逐漸減小，內(nèi)壓隨之逐漸增大，在該裝置的油路控制系統(tǒng)中并未設(shè)置恒壓控制單元，且成形過程無脹形發(fā)生，不能成形周長發(fā)生變化的變截面管件。
[0008]3、專利CN103464562A提出了一種腔體件低內(nèi)壓成形方法，該方法通過控制合模壓床使夾緊頭將管坯兩端夾緊實現(xiàn)密封并向管內(nèi)充液，再次控制合模壓床下行成形管件;在上模下行過程中，腔體內(nèi)的液體介質(zhì)壓力須按照設(shè)定的工藝要求變化，對油路控制系統(tǒng)要求較高，且成形過程無脹形發(fā)生，不能成形周長發(fā)生變化的變截面管件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有低內(nèi)壓成形工藝僅能成形截面周長不變的管件，同時先進高強鋼變截面管件內(nèi)高壓成形時存在壓力高、回彈大、模具磨損嚴(yán)重的問題，進而提供一種變截面異形管件充液壓制成形方法。
[0010]本發(fā)明的變截面異形管件充液壓制成形方法包括以下步驟:步驟一、按設(shè)計要求將脹形上模與脹形下模裝配于壓力機上，脹形下模固定不動，脹形上模上行至設(shè)定高度，脹形上模和脹形下模開啟空間用于放置管坯；
[0011]步驟二、通過控制壓力機主滑塊運動使脹形上模下行合模，左密封沖頭和右密封沖頭在水平缸作用下做相向運動，使管坯分別與左密封沖頭和右密封沖頭形成封閉腔體，將左密封沖頭上的脹形注入孔通過油管與增壓器相連，然后通過脹形注入孔向管坯腔體內(nèi)注入介質(zhì)，使介質(zhì)充滿管還內(nèi)腔體并按設(shè)定加載曲線施加內(nèi)壓，同時左密封沖頭和右密封沖頭沿管坯軸線方向相向進給，對管坯按設(shè)定加載曲線進行加壓，在內(nèi)壓和軸向加壓的共同作用下管坯發(fā)生脹形直至貼模；
[0012]步驟三、通過增壓器卸去管坯內(nèi)壓，主滑塊帶動脹形上模上行，左密封沖頭和右密封沖頭同時沿管還軸向后撤，使管還與左密封沖頭和右密封沖頭分離，獲得滿足充液壓制要求的變截面圓形管件；
[0013]步驟四、按設(shè)計要求將上壓塊與壓制下模裝配于壓力機上，壓制下模固定不動，上壓塊上行至設(shè)定高度，上壓塊和壓制下模開啟空間用于放置變截面圓形管件；
[0014]步驟五、上壓塊下行至設(shè)定高度，保證上壓塊未與變截面圓形管件發(fā)生接觸，左管端約束上壓塊、右管端約束上壓塊分別在左合模力和右合模力作用下同時下行，與左管端約束下壓塊、右管端約束下壓塊接觸合模，形成完整圓形輪廓，向變截面圓形管件施加固定約束，左密封沖頭和右密封沖頭分別向變截面圓形管件端部進給擴口實現(xiàn)密封，增壓器通過油管向左密封沖頭注入孔內(nèi)注入介質(zhì)，使介質(zhì)充滿變截面圓形管件內(nèi)腔體直至腔內(nèi)液壓達到設(shè)定值；
[0015]步驟六、上壓塊與水平側(cè)壓塊按設(shè)定加載曲線分別沿豎直方向與水平方向?qū)ψ兘孛鎴A形管件進給壓制，液壓系統(tǒng)中的溢流閥保持變截面圓形管件內(nèi)腔體液壓恒為設(shè)定值，在模具機械壓力與變截面圓形管件內(nèi)腔體液壓的共同作用下貼模成形為變截面異形管件，成形過程結(jié)束；
[0016]步驟七、卸去變截面異形管件內(nèi)壓，上壓塊上行，左管端約束上壓塊和右管端約束上壓塊上行，左密封沖頭和右密封沖頭同時沿變截面異形管件軸向后撤，使變截面異形管件與密封沖頭分離，將變截面異形管件兩側(cè)工藝段進行切割分離，獲得滿足設(shè)計要求的變截面管件。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明實現(xiàn)了在相對較低的內(nèi)壓條件下，采用較低載荷的合模壓力成形變截面管件，即通過充液壓制實現(xiàn)變截面管件的液壓成形，從而達到提高效率、降低成本、改善零件整體質(zhì)量的要求。
[0018]本發(fā)明的創(chuàng)新之處就在于先通過常規(guī)液壓脹形工藝使管坯實現(xiàn)變截面脹形，將所獲得變截面圓形管件置于充液壓制成形裝置內(nèi)，上壓塊下行，水平側(cè)壓塊進給，管端密封，管內(nèi)加壓，此時液壓作為內(nèi)壓支撐和傳力介質(zhì)，數(shù)值很小。在模具的機械壓力作用下管坯體積逐漸減小，腔內(nèi)液體體積也隨之減小，通過調(diào)節(jié)油路中溢流閥使成形過程中管坯腔內(nèi)液壓值始終滿足設(shè)定要求。在機械壓力與管內(nèi)液壓的共同作用下，管坯截面形狀由圓形變?yōu)榫匦位蚱渌螤?