本发明涉及金属成形制造技术领域，特别是涉及一种金属内高压成形件尺寸控制方法及系统，主要用于控制内高压成形件圆角尺寸精度。
背景技术：
结构轻量化是汽车、航空、航天等运载工具节能减排的主要途径之一。对于承受弯扭载荷为主的零件，采用空心变截面构件取代实心等截面构件，既可充分利用材料强度又可实现轻量化；而内高压成形件即可实现以空心代替实心、封闭截面代替焊接截面、以变截面代替等截面，在相同条件下，不仅可大幅提高零件的刚度和疲劳强度，而且零件质量也比相应的冲压焊接件减少30％以上。鉴于以上特点，内高压成形件在汽车、航空、航天等工业领域得到广泛应用。
现有的内高压成形件尺寸精度控制方法是通过控制管坯腔内液体压力大小来控制成形件尺寸精度，尤其是矩形或异形截面过渡圆角半径。内高压成形过程可分为成形和整形两个阶段，在成形阶段，管坯大部分已经贴靠模具，截面的长宽尺寸已经达到要求，只有过渡圆角区域未贴模；在整形阶段，提高压力使圆角贴靠模具，使得圆角半径达到要求的设计值，因此，圆角尺寸精度控制是内高压成形的难题。成形阶段的压力较低，整形阶段压力很高，内压在成形过程中的加载路径按照成形阶段与整形阶段设定，需要在成形过程中对内压进行实时精确控制，但是内压这一变量难于快速精确控制，如3～5s内上升200MPa液压，内压值会发生波动；对于整形阶段，内压的精确控制尤为重要，内压值的波动不可以被忽略，波动值使得内压过高或过低都会对成形件圆角尺寸精度产生影响；整形阶段需要很高的内压使得圆角贴靠模具，但如果内压过高则会导致管件破裂，而内压较低，尺寸会小于设计值，使得尺寸分散大及精度差，导致废品率高。针对内高压成形件尺寸精度控制方面的问题，国内外研究人员提出了以下方法：
1.采用自适应仿真法在避免成形管壁出现起皱的情况下确定合理加载路径以保证成形件尺寸精度，起皱的测量采用了斜率法和体积法，但斜率法只能判断起皱的发生，不能判断其严重程度；体积法设定起皱件体积大于设计体积，但起皱通常发生在贴模前的自由胀形阶段，该阶段的起皱件体积可能小于设计体积，固该方法不能准确地保证成形件的尺寸精度。
2.基于内压力与轴向推力联合控制内高压成形件尺寸精度的方法，给出了各成形阶段内压力及轴向推力与时间的关系曲线，各阶段均采用一次线性关系进行拟合，但结果表明一次线性的控制模型对成形件尺寸精度的控制存在一定的偏差。
3.基于内压控制成形过程的思想，并给出了基于内压控制的内高压成形流程图，但并未涉及成形件尺寸精度控制的相关细节。
由于现有技术所采用的内高压成形件尺寸控制方法均无法避免内压为变量的这一特性对成形件尺寸的影响，因此，通过上述控制方法所成形的成形件的尺寸精度低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种金属内高压成形件尺寸控制方法及系统，以解决现有的基于压力控制的内高压成形技术存在的成形件尺寸精度低、分散大等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金属内高压成形件尺寸控制方法，通过注入管坯的液体体积控制管件尺寸精度，工艺过程包括：
获取目标管件内腔体积以及管坯内腔体积；
在超高压条件下，向所述管坯内注入液体，根据所述目标管件内腔体积确定液体体积压缩补偿量；
根据所述目标管件内腔体积、所述管坯内腔体积以及所述液体体积压缩补偿量确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系；
根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定液体体积增量；
根据所述液体体积增量控制金属管件的尺寸，以成形金属成形件。
可选的，所述根据所述目标管件内腔体积确定液体体积压缩补偿量，具体包括：
获取所述管坯内注入液体的液体体积增量；
根据所述液体体积增量以及所述目标管件内腔体积确定所述液体体积压缩补偿量。
可选的，所述根据所述目标管件内腔体积、所述管坯内腔体积以及所述液体体积压缩补偿量确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系，具体包括：
利用公式确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系；其中，ΔVL为所述液体体积增量，V为所述目标管件内腔体积，V0为所述管坯内腔体积，t为所述管件的壁厚，σs为所述管坯的材料屈服强度，EV为液体介质体积模量，r为所述目标管件的截面过渡圆角半径。
可选的，所述根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定液体体积增量，具体包括：
获取所述目标管件的期望圆角半径；所述期望圆角半径为所述目标管件成形后的圆角半径；
根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系以及所述期望圆角半径确定液体体积增量。
一种金属成形件尺寸控制系统，包括：
内腔体积获取模块，用于获取目标管件内腔体积以及管坯内腔体积；
液体体积压缩补偿量确定模块，用于在超高压条件下，向所述管坯内注入液体，根据所述目标管件内腔体积确定液体体积压缩补偿量；
液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定模块，用于根据所述目标管件内腔体积、所述管坯内腔体积以及所述液体体积压缩补偿量确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系；
液体体积增量确定模块，用于根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定液体体积增量；
控制模块，用于根据所述液体体积增量控制金属管件的尺寸，以成形金属成形件。
可选的，所述液体体积压缩补偿量确定模块具体包括：
液体体积增量获取单元，用于获取所述管坯内注入液体的液体体积增量；
液体体积压缩补偿量确定单元，用于根据所述液体体积增量以及所述目标管件内腔体积确定所述液体体积压缩补偿量。
可选的，所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定模块具体包括：
液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定单元，用于利用公式确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系；其中，ΔVL为所述液体体积增量，V为所述目标管件内腔体积，V0为所述管坯内腔体积，t为所述管件的壁厚，σs为所述管坯的材料屈服强度，EV为液体介质体积模量，r为所述目标管件的截面过渡圆角半径。
可选的，所述液体体积增量确定模块具体包括：
期望圆角半角获取单元，用于获取所述目标管件的期望圆角半径；所述期望圆角半径为所述目标管件成形后的圆角半径；
液体体积增量确定单元，用于根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系以及所述期望圆角半径确定液体体积增量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：一种金属内高压成形件尺寸控制方法及系统，通过利用液体体积增量与管件圆角半径之间的定量关系，仅控制注入的液体体积增量实现对内高压成形件圆角尺寸精度进行精确控制，成形过程无需管件圆角贴模，无增压整形阶段，管件圆角尺寸精度不取决于模具精度或者内压大小，而是取决于液体体积增量精度。相比传统以内压这一变量来控制成形件尺寸的控制方法来说，本发明以定量来控制成形件的尺寸，实现实时精确控制尺寸精度、对模具精度要求低、成形内压低、工艺稳定性高、成本低等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的初始阶段模具与管坯位置关系示意图；
图2为本发明所提供的合模阶段模具与管坯位置关系示意图；
图3为本发明所提供的贴模阶段模具与管坯位置关系示意图；
图4为本发明所提供的终成形阶段模具与管坯位置关系示意图；
图5为本发明所提供的通过液体控制方式内高压成形所获得的金属成形件示意图；
图6为本发明所提供的通过液体控制方式内高压成形所获得的金属成形弯管件示意图；
图7为本发明所提供的金属成形件尺寸控制方法流程图；
图8为本发明所提供的目标管件内腔体积V与管坯内腔体积V0之间的关系示意图；
图9为本发明所提供的模具圆角半径R与管件圆角半径r之间的关系示意图；
图10为本发明所提供的金属成形件尺寸控制系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属内高压成形件尺寸控制方法及系统，能够提高对金属成形件尺寸的控制精度，从而提高金属成形件的尺寸精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的初始阶段模具与管坯位置关系示意图，如图1所示，将四个接触式位移传感器8置于四个圆角对应的位移传感器安装槽9内，将上模1与下模3装配于压力机上，下模3固定不动，上模1上行至设定高度，开启空间用于放置管坯6，管坯6材料为高强钢；其中，上模1未与管坯6发生接触，管坯6置于下模3的型腔内，左密封冲头2、右密封冲头5与管坯6水平高度一致，接触式位移传感器8置于位移传感器安装槽9内，下模中的两个位移传感器触点7已与管坯6发生接触。
如图2所示，通过控制压力机主滑块运动使上模1下行合模，四个接触式位移传感器8上的位移传感器触点7与管坯6管坯外侧发生接触，第一密封冲头2和第二密封冲头5在水平缸作用下做相向运动，使管坯6与第一密封冲头2、第二密封冲头5成形封闭腔体，将第二密封冲头5上的注入孔4通过油管与高压源10相连，然后通过注入孔4向管坯6内腔注入介质，使液体介质充满管坯6内腔，控制系统11开始计算液体体积压缩补偿量ΔV，利用液体体积增量-目标管件圆角半径关系通过液体体积压缩补偿量ΔV可计算出需注入管坯6用于成形的液体体积增量ΔVL，同时通过控制系统11反馈传感器8测得的管件截面圆角半径数值，利用几何关系，可计算出当前目标管件内腔体积，在实时目标管件内腔体积已知的条件下，便可利用液体体积增量ΔVL与圆角半径r之间的对应关系通过控制ΔVL的方式实现目标管件尺寸精度的精确控制；其中，上模1下行合模，左密封冲头2、右密封冲头5同时向管坯6的端部进给，两冲头进给量保持一致，直至封住管端，高压源10通过油管向右密封冲头注入孔4内注入介质加压，管坯6内腔充满液体介质。
如图3所示，高压源10继续向管坯6腔内注入液体介质，位移传感器触点7随着管坯6的变形发生移动，控制系统11将反馈的位移信号换算为圆角半径，控制系统11根据液体体积增量ΔVL与圆角半径r之间的对应关系式对此时内高压成形件的尺寸精度进行测量，进而确定是否继续注入液体介质及需要注入的具体体积，同时控制系统11会根据液体体积增量与圆角半径的实时数据对关系式中其他固定参量可能产生的偏差进行修正，第一、第二密封冲头2、5沿管坯6轴线方向相向进给，对管坯6进行补料，在腔内液体介质和轴向补料的共同作用下，管坯6发生变形，直边基本贴模；其中，对冲头进给量和液体体积增量进行调整，在轴向补料与内腔液体介质的共同作用下管坯6发生胀形，直边部分基本贴模，圆角部分还未充分成形。
如图4所示，高压源10继续向管坯6内腔注入液体介质，管坯6圆角处在内压作用下成形，位移传感器触点7检测到圆角半径达到设计要求，信号反馈至控制系统11，控制系统11下达指令使高压源10停止液体介质的注入，高压源10卸去管坯6内压，主滑块带动上模1上行，第一、第二密封冲头2、5同时沿管坯6轴向后退，使管件6与密封冲头2、5分离，获得尺寸精度满足设计要求的内高压成形件6；利用液体体积增量与圆角半径关系式求得成形目标管件所需的液体体积增量，向管坯6内腔注入所求得体积的液体介质，圆角部分贴模成形，位移传感器触点7测得圆角成形达到设计要求，控制系统获得信号后高压源停止注入液体介质，内高压成形完毕。
图5为本发明所提供的通过液体控制方式内高压成形所获得的金属成形件示意图，此外，还可以在图2所示的内高压成形件成形前进行弯管工艺，最终获得变截面弯管件，截面形状为梯形，最小圆角位于管件截面右下角，如图6所示。
图7为本发明所提供的金属成形件尺寸控制方法流程图，如图7所示，一种金属成形件尺寸控制方法，包括：
步骤701：获取目标管件内腔体积以及管坯内腔体积。
步骤702：在超高压条件下，向所述管坯内注入液体，根据所述目标管件内腔体积确定液体体积压缩补偿量。
步骤703：根据所述目标管件内腔体积、所述管坯内腔体积以及所述液体体积压缩补偿量确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系。
如图8-图9所示，确定管坯直径d0和壁厚t0，测得管坯材料屈服强度σs，计算管坯内腔体积V0；确定内高压成形目标管件截面长a、宽b、过渡圆角半径r，按设计要求计算目标管件内腔体积V。求出目标管件与管坯内腔体积差ΔV0＝V-V0。确定模具内腔过渡圆角半径为R，在模具圆角处设置位移传感器，传感器触点距模具圆角顶点的距离为Δr，则有：
其中，r≥R，同时确定内高压设备中用于成形的液体介质体积模量EV。在管坯内腔充满液体后，需注入用于增压成形的液体体积增量ΔVL。当不考虑压缩补偿时，液体体积增量等于内腔体积差，即：
ΔVL＝ΔV0 (2)
在超高压条件下，需要考虑压缩补偿，则有：
ΔVL＝ΔV0+ΔV (3)
其中，ΔV为液体体积压缩补偿量。液体体积压缩理论计算公式如式(4)所示：
其中，p为内腔压力，EV为液体体积模量，V为目标管件内腔体积，ΔV为液体体积压缩补偿量。
对于内高压成形过程，终成形阶段需要最高内压用于成形小圆角并保证尺寸精度，该阶段所需压力计算公式如式(5)所示：
p＝tσs/r (5)
将式(5)带入式(4)，获得液体体积补偿量与目标管件过渡圆角半径之间的变化关系：
将式(6)带入式(3)，获得液体体积增量与目标管件过渡圆角半径之间的变化关系：
其中，ΔVL表示液体体积增量(单位：L)，V表示内高压成形目标管件内腔体积(单位：L)，V0表示管坯内腔体积(单位：L)，t表示管件壁厚(单位：mm)，σs表示管坯材料屈服强度(单位：MPa)，EV表示液体介质体积模量(单位：MPa)，r表示目标管件截面过渡圆角半径(单位：mm)。
步骤704：根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定液体体积增量。
步骤705：根据所述液体体积增量控制金属管件的尺寸，以成形金属成形件。
本发明通过控制注入管坯内腔的液体体积实现内高压成形件圆角尺寸精度的精确控制，解决了传统基于压力加载的内高压成形技术存在的尺寸分散大、精度差、废品率高的问题。
通过考虑超高压条件下液体体积压缩补偿量，建立内高压成形液体体积增量与圆角半径之间的对应关系。在内高压成形过程中，传感器用于测量管件当前成形圆角半径数值，测得的圆角半径数值反馈至控制系统，控制系统根据液体体积增量与圆角半径之间的关系，计算出需要注入的液体介质体积增量，高压源向管内注入所需液体介质体积，实现成形件尺寸精度的精确控制。同时，成形管件的圆角尺寸精度不取决于模具精度，而是取决于注入的液体体积精度，在成形过程中，管件的圆角半径与注入的液体体积增量一一对应，管件圆角处并不需要贴模，即可满足设计要求，从而简化了操作步骤。
图10为本发明所提供的金属成形件尺寸控制系统结构图，如图10所示，一种金属成形件尺寸控制系统，包括：
内腔体积获取模块1001，用于获取目标管件内腔体积以及管坯内腔体积。
液体体积压缩补偿量确定模块1002，用于在超高压条件下，向所述管坯内注入液体，根据所述目标管件内腔体积确定液体体积压缩补偿量。
所述液体体积压缩补偿量确定模块1002具体包括：液体体积增量获取单元，用于获取所述管坯内注入液体的液体体积增量；液体体积压缩补偿量确定单元，用于根据所述液体体积增量以及所述目标管件内腔体积确定所述液体体积压缩补偿量。
液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定模块1003，用于根据所述目标管件内腔体积、所述管坯内腔体积以及所述液体体积压缩补偿量确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系。
所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定模块1003具体包括：液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定单元，用于利用公式确定液体体积增量-目标管件圆角半径关系；其中，ΔVL为所述液体体积增量，V为所述目标管件内腔体积，V0为所述管坯内腔体积，t为所述管件的壁厚，σs为所述管坯的材料屈服强度，EV为液体介质体积模量，r为所述目标管件的截面过渡圆角半径。
液体体积增量确定模块1004，用于根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系确定液体体积增量。
所述液体体积增量确定模块1004具体包括：期望圆角半角获取单元，用于获取所述目标管件的期望圆角半径；所述期望圆角半径为所述目标管件成形后的圆角半径；液体体积增量确定单元，用于根据所述液体体积增量-目标管件圆角半径关系以及所述期望圆角半径确定液体体积增量。
控制模块1005，用于根据所述液体体积增量控制金属管件的尺寸，以成形金属成形件。
实施例
以DP590高强钢内高压成形管件为例，管坯直径d0为65mm、壁厚t0为2.6mm、管长l0为300mm，材料屈服强度σs为570MPa，截面长a为84mm、宽b为66mm、过渡圆角半径r为7.6±0.1mm(膨胀率40.6％)的正方形截面管件。根据式(7)获得液体体积增量ΔVL与目标管件过渡圆角半径r之间的对应关系，即其中液体体积模量EV为1950MPa，管坯内腔体积将已知参数带入，求得V0＝0.84L。由矩形截面几何关系求得目标管件内腔体积V与圆角半径r的关系式，即V＝[(a-2r-2t0)·(b-2r-2t0)+2(r-t0)(a+b-4r-4t0)+π(r-t0)2]l0，将已知参数带入该式，求得V＝1.22L，则目标管件与管坯内腔体积差ΔV0＝V-V0＝0.38L，将设计要求的过渡圆角半径r＝7.6mm及相关参数带入液体体积增量ΔVL与圆角半径r的关系式，求得ΔVL＝0.52L。即在管坯内充满液体后，需注入管坯用于成形的液体体积ΔVL为0.52L。
步骤一、确定管件相关参数。
步骤二、建立液体体积增量ΔVL与圆角半径r的关系式，在管坯内充满液体后，注入管坯用于成形的液体体积ΔVL为0.52L，将该数值输入至内高压控制系统。
步骤三、将DP590管坯置于胀形模具内。
步骤四、上模下行合模，接触式位移传感器触点与管坯外侧发生接触，密封冲头进给密封，液体介质通过注入孔充满管坯内腔，在液体介质作用下管坯胀形，位移传感器数值发生变化。
步骤五、高压源继续注入液体介质，位移传感器触点测得圆角半径数值发生变化，控制系统对成形精度进行确定，并对液体体积增量ΔVL与圆角半径r的关系式中固定参量的偏差进行修正，密封冲头进给补料，管坯直边贴模。
步骤六、高压源继续注入液体介质至设定值，管坯圆角成形，位移传感器将信号反馈至控制系统，控制系统确定此时成形件过渡圆角半径符合尺寸精度要求，则高压源卸压，模具开模，获得满足设计要求的内高压成形管件。
本发明将液体介质体积与成形件尺寸精度直接关联起来，提供了一种关于内高压成形件圆角尺寸精度控制的金属内高压成形件尺寸控制方法及系统。基本思想为内高压成形过程中由管坯变为目标管件内腔体积变化量是定值，通过实时测量与控制注入管坯内部的液体体积来控制管件的尺寸精度。
采用本发明所提供的金属成形件尺寸方法及系统存在以下优势：
一、通过液体体积加载实现管件圆角半径精度的精确控制。
解决了传统基于压力加载的内高压成形存在的尺寸分散大、精度差、废品率高的问题，使内高压成形件尺寸精度控制途径大幅简化，只需控制体积增量一个工艺参数，就可以使不同批次管坯成形出来的零件尺寸精度满足设计要求。
二、管件圆角成形不需要贴模，大幅降低模具精度要求。
在目标管件圆角半径大于或等于模具圆角半径的条件下，成形圆角不需要贴模，只需控制注入液体体积增量，便可获得满足设计要求的圆角半径。成形管件的圆角精度不取决于模具精度，而是取决于注入的液体体积精度。圆角不贴模，则无需升高内压用于整形，在模具加工精度要求降低的同时，也使成形内压相应降低，使模具寿命得到延长。
三、一套模具可成形不同圆角半径尺寸的管件。
由于管件的圆角半径与注入的液体体积增量存在一一对应的关系，在目标管件圆角半径大于或等于模具圆角半径的前提下，给出预期获得的圆角半径设计值，便可计算出对应的液体体积增量。成形过程中，只需控制注入的液体体积增量，管件便可成形出对应的圆角半径，此过程无圆角贴模，因此，可实现在模具型腔不变的条件下获得多种不同圆角半径尺寸的管件。
同时，本发明所提供的控制装置、控制方法及系统实现步骤简单，工艺技术成熟，易于在生产中实施、推广和应用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。