专利名称：用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法和成型装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料成形领域，尤其涉及一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法和成型装置。
背景技术：
带有管嘴凸台结构的管道是核电、火电、石油化工等工业领域中的重要设施部件。目前制造带有管嘴凸台结构的管道有如下两种方法。一种方法是基于自由锻工艺 和机加工去除材料的手段，即首先利用实心坯料进行自由锻造成形得到一个局部带有实心凸台的管道轮廓的实心毛坯，再对毛坯进行机加工得到管道内孔以及管嘴凸台内孔。该方法材料利用率很低、生产效率低下、废品率高以及加工火次多工艺繁复。还有人提出一种方法，基于拉拔和挤压工艺，在管嘴的对应位置拉拔管嘴，然后进行挤压成形，管嘴不可能一次挤压成形，往往通过对同一管嘴使用不同尺寸模具逐次挤压最终成形，通常前几次的挤压尺寸跨度较大，而最后一次管嘴精整的尺寸跨度较小，当管嘴的尺寸达到要求时，挤压成形结束。这种方法的缺点是，对同一管嘴的挤压次数过多会造成管嘴加热次数过多，造成过烧且组织性能不易保证；另外，挤压次数过多，需要不同尺寸的模具，造成模具成本很高。目前基于塑性成形的各种三通成形工艺，在针对一类管长、壁厚和管嘴凸台等都较大的管件成形时，都存在一定的不足，无法直接应用于带有管嘴凸台结构的管道成形中。而基于自由锻与机加工的成形方法也不是制造带有管嘴凸台结构的管道的理想技术。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法。本发明的另一个目的在于提出一种采用上述方法的用于具有管嘴凸台的管件结构的成型装置。根据本发明第一方面实施例的一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法，包括以下步骤SI、在管坯上构造出一个塑性流变区，所述塑性流变区的长度范围内的材料体积大于或等于待成形的管嘴凸台的体积，且在所述管坯的塑性流变区的外部设置外模具；S2、从所述管坯的两端向所述管坯的塑性流变区施加轴向的镦挤力以使所述管坯的塑性流变区内的材料侧向移动以形成管嘴凸台。根据本发明实施例的成型方法，通过模具成形，管坯材料在模具型腔的约束以及在管坯端部的刚端作用下，在预设的塑性流变区域进行侧向流动，形成管嘴凸台。本方法可以一次成形管件管嘴凸台结构，且凸台管嘴壁为管身壁上材料连续挤压流动而形成，具有连续金属流线特征，管嘴凸台与管体之间具有完好的一体性，因此提高了管件的管嘴凸台结构的力学性能。由此，管嘴凸台的成型过程中，操作简便易控、材料利用率和合格率高，制造周期短。
另外，根据本发明的成型方法还具有如下附加技术特征所述步骤SI中进一步包括以下步骤S11、在所述管坯上预定待成形的管嘴凸台处形成预制孔；S12、所述预制孔内放入芯棒，所述管坯内的沿轴向的管腔内放入芯轴，且所述预制孔的外部设有具有至少一个凸台型腔的挤压模具进行约束。
在本发明的一个示例中，所述芯棒沿所述预制孔的轴向可浮动地设在所述预制孔内。在本发明的另一个示例中，所述芯棒与所述挤压模具一体形成。在本发明的再一个示例中，所述芯棒、所述挤压模具与所述外模具一体形成。在本发明的又一个示例中，所述芯棒与所述芯轴连接。可选地，所述芯棒与所述芯轴通过螺纹或燕尾槽连接。在本发明的一个示例中，所述挤压模具的凸台型腔的顶部闭合。在本发明的另一个示例中，所述挤压模具的凸台型腔的顶部敞开。可选地，所述挤压模具的凸台型腔为直筒式圆柱体形、台阶式圆柱体形或锥形。所述步骤S2中进一步包括以下步骤S21、在所述管坯的两端分别通过刚端施加轴向镦挤力。在本发明的一个示例中，所述管坯的两个刚端中其中一个静止且另一个以Vl的速度移动，且所述外模具与挤压模具同时以Vm = V1/2的速度与Vl同向移动。在本发明的另一个示例中，所述管坯的两个刚端分别以VI、V2的速度同步相向运动，其中Vl = V2，且所述外模具与挤压模具静止。在本发明的再一个示例中，所述管坯的两个刚端分别以VI、V2的速度异步相向运动，其中Vl = V2，且所述外模具与挤压模具以Vm的速度移动以保证所述管嘴凸台成型对称。在本发明的一个示例中，所述刚端为刚端模具且分别设在所述管坯的两端。在本发明的另一个示例中，所述刚端分别由所述管坯的两端形成。在本发明的一个示例中，在步骤S12中，还包括S121、在所述挤压模具的凸台型腔处附加上一个壁厚与管嘴壁厚相等的镦压模具，所述镦压模具随着镦挤过程中管嘴凸台坯料的上升而随动地移动，同时该模具上可按照预定加载曲线施加压力，以使所述管嘴凸台挤压成形。在本发明的另一个示例中，在步骤S21后，还包括S22、所述管嘴凸台成形后，使用一个壁厚与管嘴壁厚相等的镦压模具对所述成形后的管嘴凸台顶端进行镦压。在本发明的再一个示例中，在步骤S2后，还包括S3、所述管嘴凸台成形后，使用一个壁厚小于与管嘴壁厚的第二挤压模具对所述管嘴凸台反挤压以形成台阶形的凸台。在本发明的一个示例中，所述塑性变形区包括所述管坯的全部长度范围。在本发明的另一个示例中，所述塑性变形区包括所述管坯的部分长度范围。可选地，所述塑性变形区由将管坯加热至其可锻温度后形成。所述管坯为无缝管件，由挤压、轧制或铸造加工制造形成。
可选地，管坯为碳钢或合金钢。可选地,管还为招材或铜材。根据本发明第二方面实施例的一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型装置，采用根据本发明第一方面实施例的所述的成型方法对管坯进行成形，包括芯棒，所述芯棒设在所述管坯的预制孔内，其中所述预制孔形成在所述管坯的塑性流变区内预定待成形的管嘴凸台处；芯轴，所述芯轴设在苏搜狐管坯内的沿轴向的管腔内；挤压模具，所述挤压模具设在所述预制孔的外部；和外模具，所述外模具包括第一和第二模腔分块，所述第一和第二模腔分块配合以限定出模腔，所述芯棒、芯轴和挤压模具均设在所述模腔内。根据本发明的成型方法，具有以下优点I)管嘴凸台通过管壁材料在模腔的约束下挤压成形，成形过程中材料在管嘴出口 之前受力为三向压应力状态，球应力很高，极大提高管嘴凸台的的力学和组织性能；2)侧向镦挤成形工艺直接将管壁上材料经镦挤而流出形成管嘴凸台，完好地保证了管嘴与管身材料的金属流线，有利于提高管嘴凸台的结构强度；3)与某些先成形实心凸台再机加工管嘴凸台内孔的工艺相比，本方法直接成形管嘴壁，仅留下管嘴内孔较少的尺寸余量进行机加工，提高了材料的利用率，同时减少机加工耗费的时间，因此提高了生产效率，缩短了生产周期。4)成形管嘴凸台的形状多样性适应性强、尺寸覆盖范围广，可以一次性成形高度较大的凸台，成形精度高，表面质量好。根据本发明第二方面实施例的用于具有管嘴凸台的管件结构的成型装置，采用根据本发明第一方面实施例所述的成型方法对管坯进行成形，包括芯棒，所述芯棒设在所述管坯的预制孔内，其中所述预制孔形成在所述管坯的塑性流变区内预定待成形的管嘴凸台处；芯轴，所述芯轴设在所述管坯内的沿轴向的管腔内；挤压模具，所述挤压模具设在所述预制孔的外部；和外模具，所述外模具包括第一和第二模腔分块，所述第一和第二模腔分块配合以限定出模腔，所述芯棒、芯轴和挤压模具均设在所述模腔内。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为管坯上具有一个直筒式管嘴凸台的示意图；图2为管坯上具有一个台阶式管嘴凸台的示意图；图3为管坯上具有多个直筒式管嘴凸台的示意图；图4为管坯上具有多个台阶式管嘴凸台的示意图；图5为管坯上具有倾斜管嘴凸台的示意图；图6为短管坯上带有管嘴凸台的示意图；图7为成形管嘴凸台过程中塑性流变区材料流动示意图；图8为一种闭式型腔且芯棒、挤压模与型腔为一体结构时镦挤工艺示意图；图9为一种闭式型腔且芯棒与型腔为一体结构时缴挤工艺不意图10为一种闭式型腔且芯棒固定时缴挤工艺不意图；图11为一种闭式型腔且芯棒固定或浮动时镦挤工艺示意图；图12为一种开式型腔且芯棒固定或浮动时镦挤工艺示意图；图13为一种开式型腔且芯棒固定或浮动时镦挤工艺示意图；图14为一种带有随动镦压模具的侧向镦挤工艺演变情形示意图；图15为一种带有反挤压步骤的侧向镦挤工艺演变情形示意图；附图标记I :塑性流变区；2 :第一模腔分块；5 :第二模腔分块3、8 :刚 而；4、7 :缴挤塾片6 :芯轴；9 :管嘴凸台挤压模具；10 :芯棒；11 :镦压模具；12 :反挤压模具
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。·在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面参考图I描述根据本发明第一方面实施例的用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法，该方法用于在管坯的基础上成形外壁上具有管嘴凸台的管件结构。根据本发明实施例的用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法，包括以下步骤SI、在管坯上构造出一个塑性流变区1(如图7所示)，所述塑性流变区I的长度范围内的材料体积大于或等于待成形的管嘴凸台的体积，且在所述管坯的塑性流变区I的外部设置外模具。上该外模具为可分离的组合式多瓣模具，并且该模具可设计为预应力模具。由于成形完毕需要将具有凸台的管件取出，因此，模具必须为可分离的组合结构。具体地，外模具包括括第一模腔分块2和第二模腔分块5,第一模腔分块2和第二模腔分块5配合以内部限定出模腔。分模面取沿轴线方向的水平或垂直纵截面。S2、从所述管坯的两端向所述管坯的塑性流变区I施加轴向的镦挤力以使所述管坯的塑性流变区内的材料侧向移动以形成管嘴凸台。
所述步骤SI中进一步包括以下步骤S11、在所述管坯上预定待成形的管嘴凸台处形成预制孔；S12、所述预制孔内放入 芯棒10，所述管坯内的沿轴向的管腔内放入芯轴6，且所述预制孔的外部设有具有至少一个凸台型腔的挤压模具9进行约束。其中本领域内普通技术人员可以理解，在本发明的描述中，芯棒和芯轴只是一种模具名称，可以抽象化理解。芯轴的功能是限制镦挤过程中管体内壁变形，其材料不局限为模具钢，也可以为其他复合材料；其结构不局限于实心结构，也可以为复合结构。可选地，挤压模具9的凸台型腔为直筒式圆柱体形、台阶式圆柱体形或锥形，这根据待成形的管嘴凸台的形状而定。由此，管坯基础上形成的带有管嘴凸台的管件上的管嘴凸台也可为直筒式圆柱体形(如图I所示)、台阶式圆柱体形(如图2所示)或锥形(图未示出)，且管件上的管嘴凸台也可为一个，也可为多个，例如图3中示出的管件上具有多个直筒式圆柱体形的管嘴凸台，如图4中示出的管件上具有多个台阶式圆柱体形的管嘴凸台。管嘴凸台的轴线可以是与管坯轴线垂直，如图1-4、图6所示，当然，本发明并不限于此，在本发明的其他示例中，管嘴凸台也可以相对于管坯倾斜一定角度(如图5所示)。本方法中，的管嘴凸台在管件外壁上分布的位置按其轴线分布可以在一个平面内，也可以不在一个平面内。在本发明的一些示例中，构造出一个塑性流变区I的过程中还包括加热步骤。加热步骤是否必要视材料的塑性变形抗力而定，对于塑性变形抗力小的材料，可以无需加热步骤，直接实施常温下的冷镦挤。对于塑性变形抗力大的材料，若管坯为短管，则加热区域为管坯整个长度；若管坯为长管，则加热区为管坯凸台附近一定范围内局部长度，但加热区也可以包括管坯全长的情况。在有加热的情形下，塑性流变区的范围由加热区范围及模腔和芯轴等模具包围的范围共同限定；在无加热的情形下，塑性流变区的范围由模腔及芯轴等模具所包围的范围确定。加热区长度不超出模腔长度，是一个重要的工艺参数。所述步骤S2中进一步包括以下步骤S21、在所述管坯的两端分别通过刚端施加轴向镦挤力。其中步骤S21所述的在管端施加轴向镦挤压力以及可以包含的在塑性流变区加热的步骤一起实现所述塑性流变区材料侧向流动的外部驱动能量。根据本发明实施例的成型方法，通过模具成形，管坯材料在模具型腔的约束以及在管坯端部的刚端作用下，在预设的塑性流变区域进行侧向流动，形成管嘴凸台。本方法可以一次成形管件管嘴凸台结构，且凸台管嘴壁为管身壁上材料连续挤压流动而形成，具有连续金属流线特征，管嘴凸台与管体之间具有完好的一体性，因此提高了管件的管嘴凸台结构的力学性能。由此，管嘴凸台的成型过程中，操作简便易控、材料利用率和合格率高，制造周期短。步骤SI中所述的管坯为无缝管件，可以是挤压、轧制、铸造或其他材料加工方法成形制造的。管坯为金属材料制成，它可以是常温下变形抗力大、高温下具有较好的塑性变形能力的碳钢和合金钢，也可以是常温或低温下具有较低变形抗力的材料如铝材、铜材等。本方法针对的管嘴凸台结构，管嘴凸台的壁厚可以与管件管身相同，也可以与管件管身壁厚不同，但对于管嘴凸台壁厚大于管身壁厚的情况，一般适合于偏差范围30%以内。管嘴凸台的高度范围10 600mm。
本方法中的所述的管件可以较长，达5000 8000mm，也可以较短，IOOOmm以内，如阀体。管件直径可以较大，500 1500mm，也可以较小，IOOmm以内。管件壁厚范围10 200mmo上述方法中步骤(I)所述的管坯成形前预设长度至少应为最终管长与凸台部分所需材料的体积除以管坯横截面积得到的长度两者之和。在本发明的实施例中，预制孔中插入的芯棒10可相对于预制孔是浮动的，也可以是固定的，如图8-10中所示。在本发明的一个示例中，芯棒6可与外模具例如第一模腔分块2连接在一起以相对于预制孔固定，如图9所示。进一步地，芯棒6、挤压模具9与外模具一体形成，如图8所示。当然，本发明并不限于此，在本发明的另一个示例中，芯棒10也可以与管坯的管腔中芯轴6以螺纹或燕尾槽连接在一起，如图10所示。在成形工艺过程中，芯棒10、管内孔腔中放置的芯轴6与管外壁放置的外模具共同限制材料的流动范围。对于短管，整个管长都在模具的限制范围中，当材料变形抗力较 大，全部长度上加热到该材质的可锻温度，全长范围为塑性流变区域。对于长管，根据材质需要加热时，一种情形是，仅对包含管嘴凸台一定范围的局部长度范围内材料加热，该区域为塑性流变区，此时模具仅在局部管长范围内限制材料流动，模具沿着管身的长度根据塑性流变区的长度以及刚端部分的刚度来综合确定；另一种情形，对管体全长进行加热，全部管长都是塑性流变区域，此时模具长度将整个管体都置于模腔之中。所述管外壁放置的挤压模具9，其凸台型腔的顶部既可以是闭式的，也可以上开式的。对于闭式模腔，如图8-11所示，管嘴凸台顶端材料在成形结束前受到模具的镦压，相应地，管嘴凸台顶端成形平整，同时轴向镦挤力以及模具外部的支承力都会相应增大。对于开式模腔，如图12和13，凸台型腔的出口是开通的，允许材料可以自开口中流出，相应地，管嘴凸台顶端成形不太平整，同时轴向镦挤力及模具外部的支承力也较闭式模腔时低。上述步骤S2中所述在管坯两端施加轴向镦挤力，是通过步骤S21中刚端来施加的。对于短管，刚端为独立的模具且分别设在管坯的两端。对于长管，刚端可以是长管坯上的一部分；也可以是独立的模具且分别设在管坯的两端，此时步骤(2)中所述的管外壁放置的模腔其沿轴向的长度能将全部管坯置于模腔之内。两个刚端在相同镦挤力作用下，以各自的速度运动，镦挤速度是一个重要的工艺参数。刚端的运动方式包括单侧运动和双侧运动，单侧运动即一侧运动，另一侧静止，对于单侧运动情形，为保证管嘴凸台成形的对称性，模具同时也以刚端运动一半速度进行运动。具体地，管坯的两个刚端中其中一个静止且另一个以Vl的速度移动，且所述外模具与挤压模具同时以Vm = V1/2的速度与Vl同向移动。双侧运动即两侧都以各自速度相向运动，此时，两侧的刚端运动既可以同步运动，也可以异步运动；既可以相同的速度运动，也可以不同的速度运动；对于两侧刚端的运动不同步或不同速时，模具也伴以一定速度运动以保证管嘴凸台成形的对称性。具体地，在其中一个示例中，管坯的两个刚端分别以VI、V2的速度同步相向运动，其中Vl =V2，且所述外模具与挤压模具9静止。而在另一个示例中，所述管坯的两个刚端分别以VI、V2的速度同步相向运动，其中Vl =V2，且所述外模具与挤压模具静止。可以理解的是，上述模具的运动不是必要的，可以通过施加模具平衡力方式使之固定。根据本发明的成型方法，可用于带有单个管嘴凸台的管件整体成形，也可以用于带有多个管嘴凸台的管件整体成形。对于具有多个管嘴凸台的管件整体成形，可以按照相同的步骤逐个成形各个管嘴凸台，但注意在成形一个管嘴凸台时适当加入对已成形凸台的保护措施，注意保护已经成形完的管嘴凸台不被损坏。
根据本发明的成型方法还可以在原基础上作如下三种演变i)在第一个实施例中，在管嘴凸台型腔处附加上一个壁厚与待成形管嘴壁厚相当的镦压模具(例如套筒)，该模具随着镦挤过程中管嘴凸台坯料的上升而随动地移动，同时该模具上可按照一定加载曲线施加压力，即管嘴凸台材料在一定阻力下挤压成形，如图13所示。ii)在第二个实施例中，按上述方法成形完管嘴凸台后，接着使用一个壁厚与管嘴壁厚相当的镦压模具(套筒)对管嘴凸台顶端进行镦压；iii)在第三个实施例中，针对台阶式管嘴凸台的成形，先成形高度较小的直筒式凸台，再接着使用一个壁厚较管嘴壁厚小的挤压模具对管嘴凸台进行反挤压得到凸台的顶层台阶。根据本发明的成型方法，具有以下优点I)管嘴凸台通过管壁材料在模腔的约束下挤压成形，成形过程中材料在管嘴出口之前受力为三向压应力状态，球应力很高，极大提高管嘴凸台的的力学和组织性能；2)侧向镦挤成形工艺直接将管壁上材料经镦挤而流出形成管嘴凸台，完好地保证了管嘴与管身材料的金属流线，有利于提高管嘴凸台的结构强度；3)与某些先成形实心凸台再机加工管嘴凸台内孔的工艺相比，本方法直接成形管嘴壁，仅留下管嘴内孔较少的尺寸余量进行机加工，提高了材料的利用率，同时减少机加工耗费的时间，因此提高了生产效率，缩短了生产周期。4)成形管嘴凸台的形状多样性适应性强、尺寸覆盖范围广，可以一次性成形高度较大的凸台，成形精度高，表面质量好。下面参考图I-图13具体描述根据本发明的成型方法。其中采用的直管坯上待成形管嘴凸台，管坯可以为较长(图I 图5)，也可以较短(图6)。管坯外壁上的管嘴凸台形状可以为直筒式圆筒状(图I、图3)、台阶式圆筒状(图2、图4)及锥形圆筒状；管嘴凸台的数目可以是单个(图I、图2)，也可以是多个(图3、图4);管嘴凸台的轴线可以是与管坯轴线垂直(图I 图4、图6)，也可以是与管坯轴线成一定预定倾角(图5);管嘴凸台数目为多个时，各个管嘴凸台的轴线可以处于同一平面内，也可以分处不同平面内(图3、图4)。根据本发明的成型方法包括以下几个主要步骤A)管体上构造一个局部(或为整体)塑性流变区1(图7)，该区的长度范围内材料体积要满足管嘴凸台材料体积的补充需要；B)通过刚端3及8给塑性流变区I施加镦挤力，刚端为管坯上一部分，也可以为独立的模具，与模腔2及5相配合设计(图8 图15);C)刚端沿轴向运动，推动管坯上塑性流变区内材料经侧向翻转并流动形成管嘴凸台。具体地，本发明方法一般的实施过程都包含以下步骤(I)在管坯上待成形管嘴凸台处开预制孔；(2)在所开的预制孔中放入芯棒10(可与外部模腔2做成一体，如图8)，在管内孔腔中放置芯轴6，管外壁放置具有管嘴凸台形状的模腔2及5进行约束；(3)在管坯两端沿轴向施加镦挤力，在模具外部施加支承力或外部带有锁模结构(对于分瓣模具即合模力)。本领域内普通技术人员可以理解的是，根据以上主要特征以及一般实施步骤，能够设计的模具形态可以有各种演变，但只要这些不同设计的模具均以实现上述成形特征为目标，那么具体的构造特征异同并不能表示其方法的改变和不同。上述列出的一般实施步骤为必须包括的步骤，为本方法核心实施步骤，如果包含并基于以上步骤而作的各种增加步骤而演变成的不同步骤并不能表示其方法的改变和不同。为实现上述成形特征以及包含上述必要步骤的模具，其管嘴凸台部分可以设计成闭式型腔(图8 图11)或开式型腔(图12、图13)，可以将其设计为组合式(图9 图12均为组合式)或整体式(图8)。所谓组合式即挤压模具9和模腔2为独立的两个模具， 所谓整体式即挤压模具9和模腔2设计为一个整体部件。同样，芯棒10可以设计为浮动式或固定式，所谓浮动式，即允许芯棒10沿其轴线方向运动，所谓固定式，即不允许芯棒10沿其轴线运动。固定式芯棒，芯棒10的固定方式可以通过与外部模腔2作为一体来实现，也可以与管坯内孔中放置的芯轴6以螺纹或燕尾槽形式连接在一起来实现；此外，刚端3和8 (或为管坯的一部分，或为独立模具)的运动方式，可以设计为单侧运动，或设计为双侧运动，所谓单侧运动，即一侧刚端(3或8中之一)沿轴线向固定的另一侧刚端(8或3)的方向运动；所谓双侧运动，即两侧刚端3和8分别沿着轴线相向运动，两个刚端运动可以同步或者异步的，其运动速度，也可以是相同的、或者不同的；由于待成形管坯的长度及其材料的差异，在以下方面会有不同的设计考虑模腔2及5沿轴线的长度、加热与否、加热区长度，刚端设计为管坯自身的一部分或独立模具；几种代表性的实施例是短管情形1)材料为变形抗力较大的金属材料，模腔2及5沿轴线长度覆盖管坯全长，刚端3和8为独立模具，管坯全长加热，管坯全长构成塑性流变区；11)材料为变形抗力较小的金属材料，模腔2及5沿轴线长度覆盖管坯全长，刚端3和8为独立模具，管坯不加热，管坯全长构成塑性流变区；长管情形ΠΙ)模腔2及5沿轴线长度覆盖管坯的部分长度，刚端3和8为管坯自身的一部分，管坯部分长度加热(在不超出模腔沿轴线长度范围内可调整加热区长度)，管坯局部范围构成塑性流变区；IV)模腔2及5沿轴线长度覆盖管坯全长，刚端3和8为独立模具，管坯部分长度加热(在不超出模腔沿轴线长度范围内可调整加热区长度)，管坯局部或全长构成塑性流变区；V)模腔2及5沿轴线长度覆盖管坯全长，刚端3和8为独立模具，管坯不加热，管坯全长构成塑性流变区；基于单个管嘴凸台的成形，以上列出的5种实施例情形仅考虑模腔沿轴线方向长度、加热情况、刚端情况几个要素，一个完整的实施例还应包括如下4个要素①管嘴模腔2的情形开式或闭式；②管嘴凸台的形状直筒式圆筒、台阶式圆筒和锥形圆筒等；③芯棒10的安装方式浮动或固定，其中固定式，包括芯棒10与模腔2相连接及芯棒10与芯轴6相连接及芯棒10同时与模腔2和芯轴6相连接等；④刚端的运动方式单侧运动或双侧运动，其中双侧运动又包括几种情形两侧同步或异步，两侧同速或异速；两侧以相同的压力各自运动。因此，本发明的实施例即为上述5种基本情形结合上述的4个要素分别包含的各可能情形进行组合而成的全部方案。图8 图13中所示的模具示意图为上述实施例中的几个模具结构举例。
管嘴凸台形状的异同，不是本质区别，实际上其他形状的管嘴凸台都可以通过先成形直筒式凸台，再加工而成。本方法实施例中的挤压模具9去掉即为成形直筒式管嘴凸台的方式。上述实施例中提到的加热，按照具体材质将其加热到可锻温度，如为碳钢加热温度为1050 1250°C，如为奥氏体不锈钢其加热温度为950°C 1200°C。在上述的实施例的情形下可以作如下演变在第一个示例中，在管嘴凸台模腔中加入随动模具11，成形过程中可在随动模具11上施加瞬态随动压力，压力曲线可以根据管嘴凸台坯料的流动情形设计调整，如图14所示；在第二个示例中，在管嘴凸台模腔中加入镦压模具11，当管嘴凸台成形一定高度后，再用模具11对管嘴凸台进行镦压，如图14所示；在第三个示例中，在管嘴凸台模腔中加入挤压模具12，当管嘴凸台成形一定高度后，再用模具12对管嘴凸台进行反挤压，如图14所示；对于多个管嘴凸台的成形，可使用上述方法逐一成形单个管嘴凸台，应注意各管嘴凸台的先后成形顺序。在成形次序排在后的管嘴凸台成形时，注意保护已成形完毕的管嘴凸台。根据本发明第二方面实施例的用于具有管嘴凸台的管件结构的成型装置，采用根据本发明第一方面实施例所述的成型方法对管坯进行成形，包括芯棒，所述芯棒设在所述管坯的预制孔内，其中所述预制孔形成在所述管坯的塑性流变区内预定待成形的管嘴凸台处；芯轴，所述芯轴设在所述管坯内的沿轴向的管腔内；挤压模具，所述挤压模具设在所述预制孔的外部；和外模具，所述外模具包括第一和第二模腔分块，所述第一和第二模腔分块配合以限定出模腔，所述芯棒、芯轴和挤压模具均设在所述模腔内。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法，其特征在于，包括以下步骤 51、在管坯上构造出一个塑性流变区，所述塑性流变区的长度范围内的材料体积大于或等于待成形的管嘴凸台的体积，且在所述管坯的塑性流变区的外部设置外模具； 52、从所述管坯的两端向所述管坯的塑性流变区施加轴向的镦挤力以使所述管坯的塑性流变区内的材料侧向移动以形成管嘴凸台。
2.根据权利要求I所述的成型方法，其特征在于，所述步骤SI中进一步包括以下步骤 511、在所述管坯上预定待成形的管嘴凸台处形成预制孔； 512、所述预制孔内放入芯棒，所述管坯内的沿轴向的管腔内放入芯轴，且所述预制孔的外部设有具有至少一个凸台型腔的挤压模具进行约束。
3.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述芯棒沿所述预制孔的轴向可浮动地设在所述预制孔内。
4.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述芯棒与所述挤压模具一体形成。
5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于，所述芯棒、所述挤压模具与所述外模具一体形成。
6.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述芯棒与所述芯轴连接。
7.根据权利要求6所述的成型方法，其特征在于，所述芯棒与所述芯轴通过螺纹或燕尾槽连接。
8.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述挤压模具的凸台型腔的顶部闭入口 ο
9.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述挤压模具的凸台型腔的顶部敞开。
10.根据权利要求8或9所述的成型方法，其特征在于，所述挤压模具的凸台型腔为直筒式圆柱体形、台阶式圆柱体形或锥形。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的成型方法，其特征在于，所述步骤S2中进一步包括以下步骤 S21、在所述管坯的两端分别通过刚端施加轴向镦挤力。
12.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，所述管坯的两个刚端中其中一个静止且另一个以Vl的速度移动，且所述外模具与挤压模具同时以Vm = V1/2的速度与Vl同向移动。
13.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，所述管坯的两个刚端分别以V1、V2的速度同步相向运动，其中Vl = V2，且所述外模具与挤压模具静止。
14.根据权利要求13所述的成型方法，其特征在于，所述管坯的两个刚端分别以V1、V2的速度异步相向运动，其中Vl = V2，且所述外模具与挤压模具以Vm的速度移动以保证所述管嘴凸台成型对称。
15.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，所述刚端为刚端模具且分别设在所述管坯的两端。
16.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，所述刚端分别由所述管坯的两端形成。
17.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，在步骤S12中，还包括 S121、在所述挤压模具的凸台型腔处附加上一个壁厚与待成形管嘴凸台壁厚相等的镦压模具，所述镦压模具随着镦挤过程中管嘴凸台坯料的上升而随动地移动，同时该模具上可按照预定加载曲线施加压力，以使所述管嘴凸台挤压成形。
18.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，在步骤S21后，还包括 S22、所述管嘴凸台成形后，使用一个壁厚与管嘴凸台壁厚相等的镦压模具对所述成形后的管嘴凸台顶端进行镦压。
19.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，在步骤S2后，还包括 S3、所述管嘴凸台成形后，使用一个壁厚小于与管嘴壁厚的第二挤压模具对所述管嘴凸台反挤压以形成台阶形的凸台。
20.根据权利要求I所述的成型方法，其特征在于，所述塑性变形区包括所述管坯的全部长度范围。
21.根据权利要求I所述的成型方法，其特征在于，所述塑性变形区包括所述管坯的部分长度范围。
22.根据权利要求20或21所述的成型方法，其特征在于，所述塑性变形区由将管坯加热至其可锻温度后形成。
23.根据权利要求I所述的成型方法，其特征在于，所述管坯为无缝管件，由挤压、轧制或铸造加工制造形成。
24.根据权利要求23所述的成型方法，其特征在于，管坯为碳钢或合金钢。
25.根据权利要求23所述的成型方法，其特征在于，管坯为铝材或铜材。
26.一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型装置，采用根据权利要求1-25中任一项所述的成型方法对管坯进行成形，其特征在于，包括 芯棒，所述芯棒设在所述管坯的预制孔内，其中所述预制孔形成在所述管坯的塑性流变区内预定待成形的管嘴凸台处； 芯轴，所述芯轴设在所述管坯内的沿轴向的管腔内； 挤压模具，所述挤压模具设在所述预制孔的外部；和 外模具，所述外模具包括第一和第二模腔分块，所述第一和第二模腔分块配合以限定出模腔，所述芯棒、芯轴和挤压模具均设在所述模腔内。
全文摘要
本发明公开了一种用于具有管嘴凸台的管件结构的成型方法和成型装置，所述成型方法包括以下步骤S1、在管坯上构造出一个塑性流变区，所述塑性流变区的长度范围内的材料体积大于或等于待成形的管嘴凸台的体积，且在所述管坯的塑性流变区的外部设置外模具；S2、从所述管坯的两端向所述管坯的塑性流变区施加轴向的镦挤力以使所述管坯的塑性流变区内的材料侧向移动以形成管嘴凸台。根据本发明实施例的成型方法，提高了管件的管嘴凸台结构的力学性能，管嘴凸台的成型过程中，操作简便易控、材料利用率和合格率高，制造周期短。
文档编号B21C37/15GK102921764SQ201210236488
公开日2013年2月13日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者林峰, 王欣, 潘际銮, 张磊, 张婷, 冯潇 申请人:清华大学