CN106424293A - 一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置及成形方法，这种方法是将轴压头置入容腔中，由管材两端的O型密封圈密封作用，使管材内部具有初始液压力，轴压头得到高速撞击，挤压容腔内的液体，管材上端部获得一个轴压力的同时管材内部获得急剧增大的液压力，管材内部液压力达到预定的最大液压力P后，通孔处的溢流阀溢流；通过控制轴压头的行程调节轴向进给量S，调节安装在通孔处的溢流阀的溢流压力值控制管材成形中的最大液压力P；在轴向进给量S和最大液压力P的协同作用下，管材快速成形、充满模腔。本发明具有无需外部复杂的高压供给系统和专用液压成形设备、成形方法简便、对使用环境要求不高、废品率低等优点。

Description

一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及液体冲击成形技术，具体是一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置及成形方法。

背景技术

管材液体冲击成形技术是基于管材液压成形技术的基础上，利用冲床等的高速撞击而获得高压液体使管材胀形获得期望胀形件的塑性成形新技术。该技术有效的解决了管材液压成形技术需要昂贵的专用设备及模具、生产效率低等不足。目前该技术虽然尚未成熟，液体冲击成形机理及变形规律尚未清楚，但是管材液体冲击成形技术是一项极具发展潜力的先进成形技术，因此开发一种管材液体冲击成形方法可挖掘管材液体冲击成形技术的研究和应用价值。

中国专利CN102107240A公开了一种简易的管材液压胀形装置及胀形方法，该专利是通过简单轴向单动装置实现复合式冲头差速双动机制，实现管材液压胀形。这种方法无需外部提供液压控制系统，具有设备成本低廉、成形性好、控制简便等优点。而这种结构调节内压与进给的匹配关系是通过更换不同种类的螺旋弹簧进而增加了工作量，而且受螺旋弹簧的影响不仅使轴向推力变大而且还限制了增压冲头和进给冲头的速度提高从而使生产时间延长。

中国专利CN103736810A公开了一种金属薄壁管冲击液压胀形装置及使用方法，它是通过压力机冲压头下行使上下模高速闭合而获得的高压液体使管材充满型腔。该装置是使管材先变形后获得高压液体，这可能降低了管材的成形性能，而且成形过程中，管材外部的液体不能对管材内部进行补给，这使得成形空间结构较为复杂的管材具有一定困难；该装置不能使管材两端受到轴向力，在管材胀形过程中胀形区得不到材料补给，从而影响管材的均匀变形。

中国专利CN105855350A公开了一种薄壁金属管材冲击液压成形方法及成形装置，它是利用滑块高速运动，碰击液压腔内的液体，使液体压力急速增大，作用于管材内部。该方法的成形不需要外界提供液压控制系统等。但该方法的初始密封需要通过碰击第二液压腔的液体而获得，装置变得更加复杂，成形时间也变长了。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置及成形方法，该成形方法无需外部提供液压系统，也无需复杂的液压成形设备，能对管材两端进行两次密封，提高了管材成形效果。

实现本发明目的的第一种技术方案是：

一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置，包括轴压头、容腔、密封圈、成形模腔、密封柱和定位圈；

轴压头上端与冲头配合，下端与容腔的环形凹槽连接，轴压头与环形凹槽之间形成一个密封的液压腔，其内填充有液体；轴压头通过通液孔与成形模腔可拆卸式地连接，容腔侧面通过溢流口与压力表、溢流阀连接，控制胀形时最大液压力；

容腔下部与成形模腔连接，成形模腔由左右对称两个中空的成形模具相连接构成，其底部与密封柱、定位圈可拆卸式地连接，密封柱设置在定位圈中部的环形凹槽内，且与容腔中的内腔同轴，其上侧面与管材下端部连接，管材上端面与轴压头下端部连接，通过外力撞击，使轴压头在容腔内上下运动，挤压液压腔中的液体并产生高压，液体通过轴压头上的通液孔导入管材内，实现对胀形管材提供成形所需的液压力。

所述密封柱为倒T形形状，在密封柱上端开设有一轴肩，与O型密封圈连接。

所述轴肩的相邻位置分别设有一锥形台阶，对管材进行第二次密封。

利用上述装置实现金属薄壁管材的液体冲击成形的方法，包括如下步骤：

（1）装模：将管材下端部固定在定位圈中部的密封柱上，并通过密封柱轴肩处的密封圈与密封柱密封连接，打开成形模腔，连接定位圈与成形模腔，使管材需胀形部分置于成形模腔内，上端通过O形密封圈与轴压头密封连接，并将轴压头安装在容腔的环形凹槽内，通过管材两端的O形密封圈使管材获得初始液压力；

（2）密封：启动冲床，通过冲头撞击轴压头，轴压头受到冲头高速撞击而挤压液压腔中的液体获得高压，并产生轴压力作用于管材上端部，管材上端部获得一个轴压力的同时管材内部获得急剧增大的液压力，推动管材移动，使轴压头、密封柱分别对管材两端进行第二次密封；

（3）胀形：获得高压的液体通过轴压头的通液孔注入到管材内，使管材获得胀形所需液压力，轴压头移动使容腔内液体体积的变化应大于管材塑性变形后内腔容积的变化；

（4）在轴向进给量和最大液压力的共同作用下，管材快速成形、充满模腔，当容腔中的液压力达到所设定的最大液压力P时，通过容腔通孔处的溢流阀溢流泄压；

（5）依次拆卸轴压头、定位圈和密封柱，打开成形模腔，即可取出成形后的管材。

实现本发明目的的第二种技术方案是：

一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置，包括垫块和分别左右对称设置在垫块上的轴压头、容腔、密封圈和成形模腔；

成形模腔设置在垫块中部，在成形模腔左、右两侧分别依次设置容腔和与容腔连接的轴压头，在垫块两端分别设有滑块，滑块上表面分别与轴压头下表面连接，轴压头的斜面通过滑块、斜楔与冲头连接，轴压头另一面与容腔的环形凹槽连接，并形成一个密封的液压腔，其内填充有液体；轴压头通过通液孔与成形模腔连接，容腔上表面通过溢流口与压力表、溢流阀连接，控制胀形时最大液压力；

容腔侧面与成形模腔配合，成形模腔由左右对称两个中空的成形模具相连接构成，其底部通过滑块可沿垫块左右滑动，管材左、右两端分别与轴压头端部连接，通过外力带动斜楔、滑块作于与左、右轴压头，使轴压头在容腔内等距进给或不等距进给，挤压液压腔中的液体并产生高压，液体通过轴压头上的通液孔导入管材内，实现对胀形管材提供成形所需的液压力。

利用上述装置实现金属薄壁管材的液体冲击成形的方法，包括如下步骤：

（1）装模：通过斜楔、滑块左右滑动，打开成形模腔，将管材需胀形部分置于成形模腔内，管材两端分别与O形密封圈与左、右轴压头密封连接，通过管材两端的O形密封圈使管材获得初始液压力；

（2）密封：启动冲床，通过冲头撞击和斜楔滑块共同作用于左、右轴压头，实现等距进给或不等距进给，左、右轴压头受到高速撞击而挤压液压腔中的液体获得高压，并产生轴压力作用于管材左、右两端部，推动管材左右移动，使轴压头分别对管材两端进行第二次密封；

（3）胀形：获得高压的液体通过轴压头的通液孔注入到管材内，使管材获得胀形所需液压力，轴压头移动使容腔内液体体积的变化应大于管材塑性变形后内腔容积的变化；

（4）在轴向进给量和最大液压力的共同作用下，管材快速成形、充满模腔，当容腔中的液压力达到所设定的最大液压力P时，通过容腔通孔处的溢流阀溢流泄压；

（5）通过滑块带动左、右轴压头分别左、右滑动，打开成形模腔，即可取出成形后的管材。

所述容腔为圆柱形，容腔腔体内垂直于轴向开设成一端大、一端小的阶梯形内腔，并分别与轴压头、成形模腔相互贯通，在容腔一端端平面上开设有一个以小内腔圆为内圆的环形凹槽，与O形密封圈连接。

所述轴压头为T形形状，在轴压头与容腔连接的同轴处分别开设有设置密封圈的凹槽和T型通孔，在该T型通孔处开设有一个轴肩。

所述轴肩的相邻位置设有一锥形台阶，对管材进行第二次密封。

所述轴压头和密封柱深入管材内的阶梯长度大于管材的收缩长度。

本发明是利用冲床冲头等高速运动，撞击容腔内的液体，使液体压力急剧变大，作用于管材内部；高压液体通过轴压头的通液孔注入到全闭封的管材内，使成形管材获得胀形所需的液压力；本发明中，轴压头移动使容腔内液体体积的变化应大于管材塑性变形后内腔容积的变化（即通过设置溢流阀压力值，可以调节与控制成形过程中的最大液压力），多余的液体从溢流口溢出，从而保证管材受到的最大液压力是所设定的值。轴压头被撞击运动时，锥形台阶开始为成形管材提供轴向力。在轴向力和最大液压力的共同作用下，管材快速成形、充满模腔。

本发明的优点在于：

1.可在冲床、压力机等上使用，无需外部复杂的高压供给系统和专用液压成形设备，结构简单；

2.利用冲床冲头等的高速运动，实现液体冲击成形，内部可实现自给供液，成本低；

3.通过溢流阀控制液压腔内的最大液压力，可以实现最大液压力与轴向进给量的匹配；

4.通过密封圈、密封柱和轴压头可对管材实现双重密封作用，泄漏概率小，成形方法简便、对使用环境要求不高、废品率低等优点。

附图说明

图1为本发明管材液体冲击成形方法原理示意图；

图2-1为本实施例中的薄壁金属管材示意图；

图2-2为图2-1的俯视图；

图3为实施例1：管材液体冲击成形立式结构装置的整体结构示意图；

图4为实施例1：管材液体冲击成形立式结构装置的内部结构示意图；

图5为实施例2：管材液体冲击成形卧式结构装置的内部结构示意图。

图中：1.轴压头 2.容腔 3.Y型密封圈 4.液压腔 5.通孔 6.O型密封圈

7.液体 8.管材 9.成形模腔 10.密封柱 11.定位圈 12.冲头 13.斜楔 14.滑块 15.垫块Q.冲击载荷 S.轴向进给量 F.轴向力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的详细说明。

实施例1：

如图3-4所示，把图2-1、2-2所示的薄壁金属管材放入由内补液增压式管材液体冲击成形装置中由定位圈11、成形模腔9及容腔2所形成的模具型腔中，往容腔2中注满液体，将阶梯轴式轴压头1装入容腔2中并密封好，根据密封和成形所需要的液压力设定溢流压力P值（溢流阀安装在5处）；启动冲床，冲头12撞击轴压头1高速下移，轴压头1挤压液压腔4中的液体使液压力急剧升高；高压液体通过轴压头1的通孔注入到全封闭的管内，冲头12高速推动轴压头1下移S后，液压腔4中的液压力达到初始设置的最大液压力P，管材急速胀形为模具型腔的形状，通口5处的溢流阀对成形装置进行泄压，成形过程结束；容腔2与轴压头1均显小间隙配合，阶梯轴式轴压头1的锥形台阶顶在管材8的上端部，轴压头1装入容腔2后O型密封圈开始为管材两端初始密封作用，冲头12撞击轴压头1高速下移到成形结束的过程为管材两端的第二次密封过程，轴压头1下移开始时给管材上端施加一个轴向力F，进行轴向进给；管材8在轴向进给量S和最大液压力P的共同作用下，最终成形为模具型腔的形状。

本实施例中所述的一种内补液增压式管材冲击液压成形装置主要由：轴压头1、容腔2、Y型密封圈3、O型密封圈6、成形模腔9、密封柱10和定位圈12组成，容腔2为圆柱形，体内垂直于轴向开设成上端部大、下端部小阶梯形内腔，并相互贯通，在其下端部的端平面上开着一个以小内腔圆为内圆的环形凹槽，在其环形凹槽下端开有设置O型密封圈6的凹槽，在其右端部开有与液压腔贯通的水平通孔5作为溢流口用于接溢流阀和压力表，以便通过改变溢流阀的溢流压力值控制最大液压力P；在定位圈11的中心开有与容腔中小内腔圆对应的通孔且与环形凹槽同轴；轴压头1外形为T形状，在轴压头1的上部分与容腔2同轴的开有设置Y型密封圈3的凹槽，在轴压头1外形为阶梯轴状的下部分与容腔2同轴的开有T形状的通孔，在轴压头1的T型通孔处开有一个轴肩，便于安装O型密封圈，轴肩相邻位置设有一锥形台阶，轴压头1在容腔2通入液体后设置在容腔2上端的开口中；密封柱10外形为T形状，密封柱11上部分开有一个轴肩，便于安装O型密封圈，轴肩相邻位置设有一锥形台阶，其置放在定位圈11的通孔中；Y型密封圈3安装到轴压头1的凹槽中；O型密封圈6安装在轴压头1、密封柱10的轴肩及容腔2的凹槽中。这样把被加工管材8的两端分别通过安装在容腔2中的O型密封圈6和轴压头1中的O型密封圈置入容腔2下端通孔与轴压头1下端之间形成的间隙之中，和通过密封柱10中的O型密封圈置入定位圈11与密封柱10之间形成的间隙之中，比管材内径略小的轴压头1和密封柱10的小直径端各插入管材一端，用于防止加轴向力时引起的管端失稳起皱及防止管材内部液体经过O型密封圈泄漏；轴压头1装入容腔2后，O型密封圈6压紧在被加工的管材内壁和外壁上为初始密封状态，随着轴压头1高速地往下推进，装置内液体压力高速增大，由于受到轴压头、密封柱中的轴肩及成形模腔9的约束，O型密封圈6先接触液体的方向受到高压液体挤压，使其变形加剧，管材两端受到轴压力F分别被挤入轴压头1的锥形台阶与容腔2所形成的间隙及密封柱10的锥形台阶与定位圈11所形成的间隙之中，从而实现性能更可靠的高压自形密封；Y型密封圈3压紧在容腔2内壁上时为初始密封状态,随着轴压头1不断地往下推进，装置内液体压力不断增大，由于受到凹槽和容腔2的约束，Y型密封圈3先接触液体的方向受到高压液体挤压，使其变形加剧，从而实现性能更可靠的高压自形密封。

如图1所示，装置工作时，直接将管材4的两端分别通过安装在容腔2的O型密封圈6和轴压头1中的O型密封圈置入容腔2下端通孔与轴压头1下端之间形成的间隙之中及通过密封柱10中的O型密封圈置入定位圈11与密封柱10之间形成的间隙之中，通过将轴压头1和密封柱10处的锥形台阶设置为阶梯台阶，并使在成形过程中管材不受轴压头1中的台阶不挤压，轴压头1在冲击载荷Q的作用下高速向下运动挤压液压腔4中的液体而产生的高压液体直接通过轴压头1中的T形通孔注入管材内部，管材8在高压液体的作用可以实现自然胀形；当轴压头1和密封柱10设置锥形台阶时，高压液体经轴压头1的T形通孔流向管材8内部，轴压头1被冲头12撞击时，开始给管材施加轴向力,管材在最大液压力P和轴向力F的共同作用下实现轴压胀形；把不同的成形模腔9置入容腔2下部端平面和定位圈11上端平面之间时，采用自然胀形和轴压胀形均可实现各种异形截面中空件的成形。

实施例2：

如图5所示，管材冲击液压成形卧式结构装置是一个左右对称装置，它可由管材冲击液压成形立式结构装置改装得到。把图3-4中的定位圈11和密封柱10卸掉，更换轴压头1和成形模腔9，在成形模腔9的另一端依次设置容腔2、轴压头1。在垫块15两端分别设置滑块14-1，在滑块14-1上表面分别设置轴压头1，轴压头1斜表面分别设置滑块14-2，斜楔13设置在这两滑块14-2上表面。在图4中的由轴压头1、容腔2及成形模腔9组成的模腔中，重复实施例1中产生的液压力和轴向力的方法，即可完成采用本发明方法胀形薄壁金属管材、成型密封式的异性截面中空件。通过设置斜楔滑块机构作用于左、右挤压杆1的斜度，可实现等距进给或不等距进给：当两边斜度一样时，管材4两端的进给量是等距的；当两边斜度不一样时，管材4两端的进给量是不等距的，靠近斜度大的管材4那端的进给量小于靠近斜度小的管材4那端的进给量。

Claims (10)

1.一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置，其特征是：包括轴压头、容腔、密封圈、成形模腔、密封柱和定位圈；

轴压头上端与冲头配合，下端与容腔的环形凹槽连接，轴压头与环形凹槽之间形成一个密封的液压腔，其内填充有液体；轴压头通过通液孔与成形模腔可拆卸式地连接，容腔侧面通过溢流口与压力表、溢流阀连接，控制胀形时最大液压力；

容腔下部与成形模腔连接，成形模腔由左右对称两个中空的成形模具相连接构成，其底部与密封柱、定位圈可拆卸式地连接，密封柱设置在定位圈中部的环形凹槽内，且与容腔中的内腔同轴，其上侧面与管材下端部连接，管材上端面与轴压头下端部连接，通过外力撞击，使轴压头在容腔内上下运动产生轴压力，挤压液压腔中的液体并产生高压，液体通过轴压头上的通液孔导入管材内，实现对胀形管材提供成形所需的液压力。

2.一种用于金属薄壁管材的液体冲击成形装置，其特征是：包括垫块和分别左右对称设置在垫块上的轴压头、容腔、密封圈和成形模腔；

成形模腔设置在垫块中部，在成形模腔左、右两侧分别依次设置容腔和与容腔连接的轴压头，在垫块两端分别设有滑块，滑块上表面分别与轴压头下表面连接，轴压头的斜面通过滑块、斜楔与冲头配合，轴压头另一面与容腔的环形凹槽连接，并形成一个密封的液压腔，其内填充有液体；轴压头通过通液孔与成形模腔连接，容腔上表面通过溢流口与压力表、溢流阀连接，控制胀形时最大液压力；

容腔侧面与成形模腔连接，成形模腔由左右对称两个中空的成形模具相连接构成，其底部通过滑块可沿垫块左右滑动，管材左、右两端分别与轴压头端部连接，通过外力带动斜楔、滑块作于与左、右轴压头，使轴压头在容腔内等距进给或不等距进给，挤压液压腔中的液体并产生高压，液体通过轴压头上的通液孔导入管材内，实现对胀形管材提供成形所需的液压力。

3.根据权利要求1或2所述的液体冲击成形装置，其特征是：所述容腔为圆柱形，容腔腔体内垂直于轴向开设成一端大、一端小的阶梯形内腔，并分别与轴压头、成形模腔相互贯通，在容腔一端端平面上开设有一个以小内腔圆为内圆的环形凹槽，与O形密封圈连接。

4.根据权利要求1或2所述的液体冲击成形装置，其特征是：所述轴压头为T形形状，在轴压头与容腔连接的同轴处分别开设有设置密封圈的凹槽和T型通孔，在该T型通孔处开设有一个轴肩。

5.根据权利要求4所述的液体冲击成形装置，其特征是：所述轴肩的相邻位置设有一锥形台阶，对管材进行第二次密封。

6.根据权利要求1所述的液体冲击成形装置，其特征是：所述密封柱为倒T形形状，在密封柱上端开设有一轴肩，与O型密封圈连接。

7.根据权利要求6所述的液体冲击成形装置，其特征是：所述轴肩的相邻位置分别设有一锥形台阶。

8.根据权利要求1所述的液体冲击成形装置，其特征是：所述轴压头和密封柱深入管材内的阶梯长度大于管材的收缩长度。

9.利用权利要求1、3-5、8之一所述装置实现金属薄壁管材的液体冲击成形的方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）装模：将管材下端部固定在定位圈中部的密封柱上，并通过密封柱轴肩处的密封圈与密封柱密封连接，打开成形模腔，连接定位圈与成形模腔，使管材需胀形部分置于成形模腔内，上端通过O形密封圈与轴压头密封连接，并将轴压头安装在容腔的环形凹槽内，通过管材两端的O形密封圈使管材获得初始液压力；

（2）密封：启动冲床，通过冲头撞击轴压头，轴压头受到冲头高速撞击而挤压液压腔中的液体获得高压，并产生轴压力作用于管材上端部，管材上端部获得一个轴压力的同时管材内部获得急剧增大的液压力，推动管材移动，使轴压头、密封柱分别对管材两端进行第二次密封；

（3）胀形：获得高压的液体通过轴压头的通液孔注入到管材内，使管材获得胀形所需液压力，轴压头移动使容腔内液体体积的变化应大于管材塑性变形后内腔容积的变化；

（4）在轴向进给量和最大液压力的共同作用下，管材快速成形、充满模腔，当容腔中的液压力达到所设定的最大液压力P时，通过容腔通孔处的溢流阀溢流泄压；

（5）依次拆卸轴压头、定位圈和密封柱，打开成形模腔，即可取出成形后的管材。

10.利用权利要求2-5、8之一所述装置实现金属薄壁管材的液体冲击成形的方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）装模：通过斜楔、滑块左右滑动，打开成形模腔，将管材需胀形部分置于成形模腔内，管材两端分别与O形密封圈与左、右轴压头密封连接，通过管材两端的O形密封圈使管材获得初始液压力；

（2）密封：启动冲床，通过冲头撞击和斜楔滑块共同作用于左、右轴压头，实现等距进给或不等距进给，左、右轴压头受到高速撞击而挤压液压腔中的液体获得高压，并产生轴压力作用于管材左、右两端部，推动管材左右移动，使轴压头分别对管材两端进行第二次密封；

（3）胀形：获得高压的液体通过轴压头的通液孔注入到管材内，使管材获得胀形所需液压力，轴压头移动使容腔内液体体积的变化应大于管材塑性变形后内腔容积的变化；

（4）在轴向进给量和最大液压力的共同作用下，管材快速成形、充满模腔，当容腔中的液压力达到所设定的最大液压力P时，通过容腔通孔处的溢流阀溢流泄压；

（5）通过滑块带动左、右轴压头分别左、右滑动，打开成形模腔，即可取出成形后的管材。