专利名称：一种小半径弯头流体压力成形方法
技术领域：
本发明属于金属压力加工技术领域，特别是涉及一种小半径弯头流体压力成形方法。
背景技术：
管件的弯曲成形经过多年的发展已形成多种加工方法。根据不同的标准进行划分，弯管成形方法可分为以下几种根据管坯在弯曲时是否加热可分为热弯加工与冷弯加工；根据弯曲方式的不同可分为拉弯、压弯、绕弯、推弯、滚弯和挤弯；根据弯曲时管材的受限方式不同可分为管件内部受限、管件外部受限和管件内外受限；根据弯曲时有无芯料填充可分为有芯弯曲与无芯弯曲。此外，在一些特殊管材的弯曲成形过程中，需要根据具体情况增加一些特殊的设计，以满足管件特定的成形要求。具体应用中，弯管成形工艺的选取要依据实际的零件结构性能要求和实现条件而定。因此在对管材进行弯曲加工时，必须根据管件的材料种类、精度要求及相对弯曲半径R/D、相对厚度t/D而选用合适的弯曲加工方法，其中，D为管材外径，t为管材壁厚，R为管件中心层弯曲半径。目前，国内外学者针对将薄壁小半径导管弯曲制成小半径弯头的成形方法已开展了广泛的研究，并取得了显著的进步。其中小半径弯头是指相对弯曲半径较小，相对弯曲半径接近或小于1的弯头，其中相对弯曲半径是指弯曲半径R与管材外径D的比值，比如小半径弯头的弯曲半径R= 15mm，管材外径D = 20mm，其相对弯曲半径为0.75。现有的小半径弯头成形方法主要包括焊接、铸造、数控绕弯、压弯、剪切弯曲、内中压推弯、橡胶芯棒约束推弯、填料推弯、羊角芯棒加热推弯等。但上述这些方法存在下列问题(1)采用最为常用的焊接和铸造方法制成的小半径弯头相对于塑性成形来说其重量大、强度低；(2)采用数控绕弯方法制成的小半径弯头即使在最佳工艺参数下导管的相对弯曲半径也不能小于1. 2，即相对弯曲半径过大；(3)压弯方法所采用的设备极易造成导管外壁过度减薄，甚至拉裂，因此很难成形小半径弯头；(4)虽然采用剪切弯曲方法制成的小半径弯头可以达到很小的相对弯曲半径，但中间直段和弯段的材料流动分布不好，因此很容易出现拉裂；(5)虽然内中压推弯方法能成形较小弯曲半径的弯头，但加工效率相对较低，而且当填料出现缩松或流动性不好时易导致内壁起皱；(6)橡胶芯棒约束推弯成形无需密封、加工效率高，但是橡胶内部压力分布不均勻，容易导致起皱的发生，因此导管的内壁不光滑，同时橡胶的选用和耐用性有待研究；(7)填料推弯成形虽然成形方法和设备简单，但是导管变形前段的变形和壁厚不易控制，壁厚不均勻，填料内压不均勻易导致起皱；(8)虽然羊角芯棒加热推弯方法的自动化程度较高，但不适用于导管的等截面弯曲ο
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综上，现有的薄壁小半径导管的弯曲方法普遍存在强度低、成形性能不好等缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种产品成形性能好，能够增加弯段圆度，同时通过大半径弯头流体压力成形增加导管直径、降低弯曲半径，使相对弯曲半径降到0. 7 2. 0的方式，来实现小半径弯头流体压力成形方法。本发明的小半径弯头流体压力成形方法可以成形不锈钢、铝合金以及钛合金等材料。材料若为不锈钢，由于不锈钢在数控弯管后会发生加工硬化导致塑性降低，可以采用回火工艺降低残余应力，或者采用200度左右的温热油液环境压力成形；材料若为铝合金，可以采用300度左右的温热介质环境压力成形；材料若为钛合金，可以采用600度左右的高温热介质环境压力成形，或者气体介质环境压力成形。一种小半径弯头流体压力成形方法的装置包括上模，下模，下密封圈，下推头，上密封圈，上推头，过渡段，初始管坯，半U形槽等。所述的下模设置在模架内部下方，下模的表面上凹陷形成有一个半U形槽。合模后上模和下模的半U形槽尺寸相同。半U形槽的纵截面为半圆形，半U形槽分为弯头部位和直线部位。弯头部位直径大于直线部位直径，直线部位为上下两段，位于弯头部位两端。半U形槽直线部位的内端与弯头部位的两端相连，过渡段采用锥面连接，外端位下模的边上。所述的上模与下模的结构相对称，设置在下模的正上方。所述的下推头贯穿半U形槽下方直线部位，并设有进油孔，与液压机的补油装置相连。所述的上推头，贯穿半U形槽上方直线部位，不设通油孔。下推头和上推头在前部均设有周向凹槽，用于嵌入下密封圈和上密封圈密封，推头进入U形槽后，密封圈与U形槽内壁紧贴密封。下推头和上推头在后部设有退刀槽，推头在退刀槽以前精加工，以后粗加工。一种小半径弯头流体压力成形方法，具体包括如下步骤步骤1、先用直径较小、壁厚较大的管材利用数控绕弯或者推弯进行大半径弯曲；步骤2、将步骤1得到的初始管坯，放入下模的半U形槽的弯曲部位；步骤3、启动液压机，将下推头向上缓慢进给，到开始接触到初始管坯直线部分下端面时，继续进给直到压紧；步骤4、将上推头水平向左缓慢进给，到开始接触到初始管坯直线部分的右端面时，停止进给；步骤5、启动液压机的补油装置，从下推头的通油孔开始通油，完成通油排气的工序；步骤6、合上上模，并通过螺栓固定；步骤7、启动液压机的增压装置，使管内液体缓慢增压，控制上推头和下推头向里缓慢进给；步骤8、当管材完全贴合液压胀形模具型腔后，将液压机卸压；步骤9、控制液压机上推头和下推头退回；步骤10、打开上模，并取出胀后管材。本发明的优点与积极效果在于(1)本发明提供的小半径弯头流体压力成形工艺，避免了橡胶芯棒或填料推弯成形过程中由于内部压力不均引起的起皱缺陷，克服了导管内壁不光滑的缺陷；
(2)本发明在流体压力成形过程中利用液压油使管坯紧贴模具的内壁，消除了填料缩松或流动性不好引起的内壁起皱的缺陷；(3)本发明流体压力成形过程中导管材料多处于小量拉伸状态，壁厚减薄和起皱都不明显；(4)本发明流体压力成形小半径弯头在直管对接处的壁厚均勻，有利于后期的焊接并能提高焊接质量；(5)本发明提供的小半径弯头流体压力成形工艺密封性好，导管直段密封处无变形，密封装置简单。(6)本发明最主要的创新点在于利用数控弯管或推弯成形大半径弯头后，放入模具内的半U形槽进行流体压力成形，通过胀形使导管直径增加、弯曲半径降低的方式来降低相对弯曲半径，从而实现薄壁小半径弯头成形过程，本发明方法能够增加弯段圆度，弯曲半径能达到0. 7-1D，具有零件整体性好、壁厚均勻、强度与刚度高等优点。
图1为本发明的小半径弯头流体压力成形方法装置的立体结构示意图；图2为本发明的小半径弯头流体压力成形方法装置的纵向结构剖视图；图3为本发明的小半径弯头流体压力成形方法的初始管坯结构示意图；图4为本发明的小半径弯头流体压力成形方法的胀后管材结构示意图；图5为本发明的小半径弯头流体压力成形方法的切后管材结构示意图；图6为本发明的小半径弯头流体压力成形方法的焊后管材结构示意图；图7为本发明的小半径弯头流体压力成形方法的弯头相对弯曲半径变化示意图；图8为本发明的小半径弯头流体压力成形方法的步骤流程图。图中1-上模；2-下模；3-下密封圈；4-下推头；5-上密封圈；6_上推头；7_过渡段；8-初始管坯；9-半U型槽；10-退刀槽；11-通油孔；12-胀后管材；13-切后管材；14-焊后管材。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，本发明的小半径弯头流体压力成形方法的装置包括上模1，下模2， 下密封圈3，下推头4，上密封圈5，上推头6，过渡段7，初始管坯8，半U形槽9。如图1和如图2所示，下模2设置在模架内部下方，下模2的表面上凹陷形成有一个半U形槽9。合模后上模1和下模2的半U形槽9尺寸相同。半U形槽9的纵截面为半圆形，半U形槽9分为弯头部位和直线部位。弯头部位直径大于直线部位直径，直线部位为上下两段，位于弯头部位两端。半U形槽9直线部位的内端与弯头部位的两端相连，过渡段 7采用锥面连接，外端位下模2的边上。所述的上模1与下模2的结构相对称，设置在下模 2的正上方。所述的下推头4贯穿半U形槽9下方直线部位，并设有进油孔11，与液压机的补油装置相连。所述的上推头6，贯穿半U形槽9上方直线部位，不设通油孔。下推头4和上推头6在前部均设有周向凹槽，用于嵌入下密封圈3和上密封圈5密封，推头4、6进入U 形槽9后，密封圈3、5与U形槽9内壁紧贴密封。下推头4和上推头6在后部设有退刀槽10，退刀槽10以前精加工，以后粗加工。如图1与图3所示，初始管坯8分为弯曲部分和直线部分，直线部分为两段，与弯曲部分的两端相连。初始管坯8的直径与半U型槽9直径相同，初始管坯8放入下模后，下段直线部分与半U型槽9的下方直线部位紧密接触，上段直线部分与半U型槽9的上方直线部位紧密接触。充液胀形前，初始管坯8下方直线部分的外端与下推头4的前端接触，上方直线部分的外端与上推头6的前端接触。如图4为小半径弯头流体压力成形后的管材，胀后管材12分为弯曲部分、锥形过渡部分和直段部分，弯曲部分和下U型槽9的弯曲部位尺寸相同，直段部分直径与下U型槽 9的直线部位直径相同，直段部分分别与下推头4和上推头6相连。如图4和图5，切后管材13是将图4中的胀后管材12的锥形过渡部分和直段部分切掉后的部分，相当于图4胀后管材12的弯曲部分，切后管材12尺寸与模具中下U型槽9 的弯曲部位尺寸相同，是本发明所需要的小半径弯头部分。如图5和图6，焊后管材15是将图5中的切后管材13两端分别焊上直段部分，直段部分的直径和厚度与切后管材13相同，即为本发明所需要的小半径弯管的最终管材。如图7，流体压力成形前，弯头的相对弯曲半径为R1/D1。流体压力成形后，弯头的相对弯曲半径为R2/D2，由于Rl大于R2，D1大于D2，故R2/D2小于R1/D1，即通过流体压力成形增加弯头直径、降低弯曲半径的方式来实现相对弯曲半径为0. 7 1的小半径弯头的成形。一种小半径弯头流体压力成形方法，具体包括如下步骤步骤1、先用直径较小、壁厚较大的管材利用数控绕弯或者推弯进行大半径弯曲， 得到初始管坯8 ；步骤2、将步骤1得到的初始管坯8，放入下模2的半U形槽9的弯曲部位，并使初始管坯8上段直线部分最长处位于半U形槽9上方直线部位的内端，初始管坯8下段直线部分最长处位于半U形槽9下方直线部位的内端；步骤3、启动液压机，将下推头4向上缓慢进给，到开始接触到初始管坯8直线部分下端面时，继续进给直到压紧；步骤4、将上推头6水平向左缓慢进给，到开始接触到初始管坯8直线部分的右端面时，停止进给；步骤5、启动液压机的补油装置，从下推头4的通油孔11开始通油。当上推头6处油溢出并将管内空气基本排尽时，液压机上推头6水平向左缓慢进给，直至堵住初始管坯8 直线部位的右端面，不再溢出油时，完成通油排气的工序；步骤6、合上上模1，并通过螺栓固定；步骤7、启动液压机的增压装置，使管内液体缓慢增压，注意缓慢增压防止管材胀破。同时控制上推头6和下推头4向里缓慢进给，使管材胀形时补料充足；步骤8、当管材完全贴合液压胀形模具型腔后，小半径弯头流体压力成形结束，将液压机卸压；步骤9、控制液压机上推头6和下推头4退回；步骤10、打开上模1，并取出胀后管材12 ；步骤11、机加工切掉胀后管材12的锥形过渡部分和直段部分，只留下小半径弯头部分，即得到切后管材13。步骤12、利用焊接工艺，在切后管材12的两端均勻焊上等直径、厚度的直段管材， 得到焊后管材14，即为本发明需要的小半径弯管的最终管材。注明本发明的小半径弯头流体压力成形方法可以成形不锈钢、铝合金以及钛合金等材料的小半径弯头。材料若为不锈钢，由于不锈钢在数控弯管后会发生加工硬化导致塑性降低，可以在步骤1之后采用回火工艺降低残余应力，或者采用200度左右的温热油液环境压力成形；材料若为铝合金，可以采用300度左右的温热介质环境压力成形；材料若为钛合金，可以采用600度左右的高温热介质环境压力成形，或者气体介质环境压力成形。
权利要求
1.一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，所述的流体压力成形装置包括 上模(1)，下模O)，下密封圈(3)，下推头0)，上密封圈(5)，上推头(6)，过渡段(7)，初始管坯(8)，半U形槽(9)。所述的下模( 设置在模架内部下方，下模O)的表面上凹陷形成有一个半U形槽 (9)。合模后上模(1)和下模(2)的半U形槽(9)尺寸相同。半U形槽(9)的纵截面为半圆形，半U形槽(9)分为弯头部位和直线部位。弯头部位直径大于直线部位直径，直线部位为上下两段，位于弯头部位两端。半U形槽(9)直线部位的内端与弯头部位的两端相连，过渡段(7)为锥面连接，外端位下模O)的边上。所述的上模(1)与下模O)的结构相对称，设置在下模O)的正上方。所述的下推头(4)贯穿半U形槽(9)下方直线部位，并设有进油孔(11)，与液压机的补油装置相连。所述的上推头(6)，贯穿半U形槽(9)上方直线部位， 不设通油孔。下推头(4)和上推头(6)在前部均设有周向凹槽，用于嵌入下密封圈(3)和上密封圈(5)密封，推头(4、6)进入U形槽(9)后，密封圈(3、5)与U形槽(9)内壁紧贴密封。下推头(4)和上推头(6)在后部设有退刀槽(10)，退刀槽(10)以前精加工，以后粗加工。
2.根据权利要求1所述的一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，所述的初始管坯(8)分为弯曲部分和直线部分，直线部分为两段，与弯曲部分的两端相连。初始管坯(8)的直径与半U型槽(9)直径相同，初始管坯(8)放入下模后，下段直线部分与半U型槽(9)的下方直线部位紧密接触，上段直线部分与半U型槽(9)的上方直线部位紧密接触。胀形前，初始管坯(8)下方直线部分的外端与下推头(4)的前端接触，上方直线部分的外端与上推头(6)的前端接触。
3.根据权利要求1所述的一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，所述的流体压力成形后的胀后管材(1 分为弯曲部分、锥形过渡部分和直段部分，弯曲部分和下U 型槽(9)的弯曲部位尺寸相同，直段部分直径与下U型槽(9)的直线部位直径相同，直段部分分别与下推头(4)和上推头(6)相连。
4.根据权利要求1所述的一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，所述的切后管材(1 为将胀后管材(1 的锥形过渡部分和直段部分切掉后的部分，相当于胀后管材(12)的弯曲部分，切后管材(12)尺寸与模具中下U型槽(9)的弯曲部位尺寸相同，是本发明所需要的小半径弯头部分。
5.根据权利要求1所述的一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，所述的焊后管材(1 是将的切后管材(1 两端分别焊上直段部分，直段部分的直径和厚度与切后管材(13)相同，即为本发明所需要的小半径弯管的最终管材。
6.根据权利要求1所述的一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，利用数控弯管或推弯成形大半径弯头后，放入模具内的半U形槽(9)进行流体压力成形，通过胀形使导管直径增加、弯曲半径降低的方式来降低弯头的相对弯曲半径，从而实现薄壁小半径弯头的成形过程。
7.根据权利要求1所述的一种小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，所述的流体压力成形方法可以成形不锈钢、铝合金以及钛合金等材料的小半径弯头。材料若为不锈钢，由于不锈钢在数控弯管后会发生加工硬化导致塑性降低，可以采用回火工艺降低残余应力，或者采用200度左右的温热油液环境压力成形；材料若为铝合金，可以采用300度左右的温热介质环境压力成形；材料若为钛合金，可以采用600度左右的高温热介质环境压力成形，或者气体介质环境压力成形。
8. 一种应用权利要求1所述的小半径弯头流体压力成形方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤步骤1、先用直径较小、壁厚较大的管材利用数控绕弯或者推弯进行大半径弯曲，得到初始管坯⑶；步骤2、将步骤1得到的初始管坯(8)，放入下模O)的半U形槽(9)的弯曲部位，并使初始管坯(8)上段直线部分最长处位于半U形槽(9)上方直线部位的内端，初始管坯(8) 下段直线部分最长处位于半U形槽(9)下方直线部位的内端；步骤3、启动液压机，将下推头(4)向上缓慢进给，到开始接触到初始管坯(8)直线部分下端面时，继续进给直到压紧；步骤4、将上推头(6)水平向左缓慢进给，到开始接触到初始管坯(8)直线部分的右端面时，停止进给；步骤5、启动液压机的补油装置，从下推头(4)的通油孔(11)开始通油。当上推头(6) 处油溢出并将管内空气基本排尽时，液压机上推头(6)水平向左缓慢进给，直至堵住初始管坯8直线部位的右端面，不再溢出油时，完成通油排气的工序； 步骤6、合上上模(1)，并通过螺栓固定；步骤7、启动液压机的增压装置，使管内液体缓慢增压，注意缓慢增压防止管材胀破。同时控制上推头(6)和下推头向里缓慢进给，使管材胀形时补料充足；步骤8、当管材完全贴合液压胀形模具型腔后，小半径弯头流体压力成形结束，将液压机卸压；步骤9、控制液压机上推头(6)和下推头(4)退回； 步骤10、打开上模(1)，并取出胀后管材(12)；步骤11、机加工切掉胀后管材(1 的锥形过渡部分和直段部分，只留下小半径弯头部分，即得到切后管材(13)。步骤12、利用焊接工艺，在切后管材(1 的两端均勻焊上等直径、厚度的直段管材，得到焊后管材(14)，即为本发明需要的小半径弯管的最终管材。
全文摘要
本发明提出一种小半径弯头流体压力成形方法。方法实现的装置包括上模，下模，下密封圈，下推头，上密封圈，上推头，过渡段，初始管坯，半U形槽等，利用数控弯管或推弯成形大半径弯头后，放入模具的半U形槽中进行流体压力成形。所述方法利用上述装置，通过胀形使弯头直径增加、弯曲半径降低的方式来降低相对弯曲半径，完成流体压力成形制成小半径弯头。本发明方法能够利用温热介质、高温热介质、高温气体介质成形不锈钢、铝合金、钛合金等材料的小半径弯头。本发明能够增加弯段圆度，相对弯曲半径到0.7～2.0的方式，具有零件整体性好、壁厚均匀、强度与刚度高等优点。
文档编号B21D26/033GK102554009SQ20111044250
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者周勇, 程鹏志, 訾燕, 许诺, 郎利辉 申请人:北京航空航天大学