本发明涉及汽车零部件生产工艺技术领域，具体涉及一种基于体积膨胀力的管材胀形方法及模具。
背景技术
轻量化是汽车未来发展主要方向，而管材胀形是实现汽车轻量化的有效途径之一。由于现有技术中为达到某种特定形状，管材拼接主要通过焊接、套设等方式，焊接处质量增加，故通过管材膨胀成型可降低焊接处质量，达到轻量化目的，管材胀形也叫内高压成形，内高压成形通过以空心代替实心、以变截面代替等截面、以整体成形代替拼焊来实现汽车轻量化。目前现有的内高压采用是液压油加轴向进给来实现管材胀形，其需要大吨位的液压机，对系统的密封性要求很高，且控制系统复杂，生产成本高、开发周期长(试制周期一般在6个月左右)，很显然，现有的内高压成型一次性投入太大，不适合新产品的研制，如何缩短管材胀形开发周期、降低试制成本是产品试制要解决的问题之一。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于体积膨胀力的管材胀形方法及模具。
本发明采用的技术方案是：一种基于体积膨胀力的管材胀形方法：在密封的管材中充水，降温使水结冰，管材在模具的型腔内导向下膨胀成所需形状。
具体步骤为：
(1)、在管材中预先充入常温水，两端进行密封；
(2)、将预先充入常温水的管材放入带凹模腔的模具，模具闭合，冷却，在冷却过程中，水慢慢结成冰，所产生的体积胀形力对管材进行胀形；
(3)、待管材膨胀至与凹模腔贴合后，将管材从模具中取出，放置在常温下，冰开始慢慢融化，在利用水的流动性，将使水从管材型腔中流出，获得所需的胀形管件。
上述步骤(2)中，通过液氮对其进行冷却。
上述步骤(1)中，所述充入常温水的量由管材胀形后几何形状决定。
上述步骤(2)中，控制管材胀形力的最大值使管材变形充分，管材胀形力最大值满足如下关系式：
其中，pmax为管材胀形力的最大值，p屈服为管材的屈服强度。
上述步骤(2)中，冷却速度由胀形力加载曲线控制，建立胀形力与管材长度之间的关系式：
其中，p胀形为管材胀形力，p屈服为管材的屈服强度，c为水的比热容，ρ为水的密度，r为管材半径，l为管材长度，δt为水结成冰温度变化，p冷为冷却功率，p0为是单位质量水结成冰所能形成的胀形力。
进一步地，所述管材的材质为钢或铝。
进一步地，所述管材两端通过法兰进行密封，当管材放入模具中后，所述法兰两端上下表面分别与上模、下模内壁表面接触。
一种基于体积膨胀力的管材胀形模具，所述模具包括上模和下模，所述上模和下模分别形成凹模腔。
进一步优选的结构，所述上模和下模包括两端用于将管材夹持限位的导向部，导向部之间的管材膨胀变形部。
进一步优选的结构，导向部的轮廓线与管材的外轮廓线相匹配(相同)，管材膨胀变形部的轮廓线是向管材径向外侧凸出的弧线。
本发明充分利用了水的热缩冷胀特性，利用水结冰时所产生的体积胀形力来胀开管材，使管材贴合模具表面；本发明降低了管材胀形对设备的要求(密封、高压液源等)，缩短了试制周期，降低了开发成本，为管材胀形提供一种新的工艺方法。
附图说明
图1为体积胀形力管材胀形工艺过程示意图；
图2为体积胀形力加载曲线示意图；
图3为4种胀形力加载曲线对比示意图；
图4为胀形力与管材长度的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明一种基于体积膨胀力的管材胀形方法，包括：在密封的管材中充水，降温使水结冰，管材在模具的型腔内导向下膨胀成所需形状。
具体步骤为：
(1)、在管材中预先充入常温水，两端进行密封，参见图1中步骤a；
(2)、将预先充入常温水的管材放入带凹模腔的模具，模具闭合，冷却，在冷却过程中，水慢慢结成冰，所产生的体积胀形力对管材进行胀形，参见图1中步骤b、c、d、e；
(3)、待管材膨胀至与凹模腔贴合后，将管材从模具中取出，放置在常温下，冰开始慢慢融化，在利用水的流动性，将使水从管材型腔中流出，获得所需的胀形管件，参见图1中步骤f。
上述步骤(2)中，通过液氮对其进行冷却。
上述步骤(1)中，所述充入常温水的量由管材胀形后几何形状决定。
上述步骤(2)中，控制管材胀形力的最大值使管材变形充分，管材胀形力最大值满足如下关系式：
其中，pmax为管材胀形力的最大值，p屈服为管材的屈服强度。
上述步骤(2)中，冷却速度由胀形力加载曲线控制，建立胀形力与管材长度之间的关系式：
其中，p胀形为管材胀形力，p屈服为管材的屈服强度，c为水的比热容，ρ为水的密度，r为管材半径，l为管材长度，δt为水结成冰温度变化，p冷为冷却功率，p0为是单位质量水结成冰所能形成的胀形力。
所述管材的材质为钢或铝。
所述管材两端通过法兰进行密封，当管材放入模具中后，所述法兰两端上下表面分别与上模、下模内壁表面接触。
一种基于体积膨胀力的管材胀形模具，所述模具包括上模和下模，所述上模和下模分别形成凹模腔。
如图1所示，所述上模和下模包括两端用于将管材夹持限位的导向部a，导向部a之间的管材膨胀变形部b。
导向部a的轮廓线与管材的外轮廓线相匹配(相同)，管材膨胀变形部b的轮廓线是向管材径向外侧凸出的弧线。
本发明采用体积胀形力来替代现有技术的内高压中高压液源，其具体成形过程参见图1。水是一种热缩冷胀的物质，在4℃时密度最大，当水达到0℃时会结冰，密度减小，根据质量守恒定律可知，水由液态变成固态体积会增大，水的膨胀系数为2.1×10-4/℃，水结成冰单位质量体积胀形力为960kg/cm2，也就是1g水结成冰其在1cm2的面积上可以产生960公斤的力，约为96mpa，当在管材中充入一定量的液态水，通过周围环境的冷却，使管材中的水充分膨胀，通过膨胀所产生的力来使管材变形。
利用冰流动性差的特点来降低传统内高压对密封的要求。只有管材中水所产生的体积胀形力大于管材的屈服强度时，管材才能产生塑性变形，产生塑性变形后，管材的体积会有所增加，体积胀形力会降低，因此，成型前后或管材的体积变化率过大，则无法保证管材成型充分。根据管材变形情况可以将胀形力划分为4个阶段(参见图2)，即线性增长区1、塑性变形区、线性增长区2以及稳态区，若管材最大胀形力小于管材屈服强度，则胀形力经过线性增长区1后直接过渡到稳态区。如图2所示，随着水凝固比例越来越高，体积胀形力不断增加，此过程中发生弹性变形，当胀形力达到材料屈服强度后，材料发生一定的变形，体积胀形力会有所下降，材料的体积不会发生明显变化，随着冰的占比增多，胀形力又会升高，管材继续发生塑性变形，该过程一直持续到管材变形充分为止，当管材与凹模型腔贴合后，管材不会在发生体积变化，所以胀形力不断增加，最后水全部转化为冰后，胀形力达到极限。
为提升生产效率和降低能耗，尽可能地缩短管材的变形过程，即压缩塑性变形区的时间占比，在实际分析时，可将其忽略为单个时间点。管材中预存水的冷却速度直接关系到胀形力的加载曲线，因此，冷却速度可以转化为胀形力加载曲线，本实施例分析了四种加载方式(参见图3)下管材的变形情况，加载曲线1、2、4到达极值前是按正弦变化，将其归为正弦加载方式，曲线3是梯形加载方式。曲线上升速度间接反映的是管材中水的冷却速度，曲线上升越快，冷却的速度越快，胀形力的最大值可通过管材长度、半径加以控制。经验证正弦加载方式管材的变形最为充分。但胀形力的最大值过小或过大均使管材变形不充分，在一定范围内，随着胀形力的增加，管材的变形越充分，在该范围内，胀形力的增加能有效的使管壁与模具贴合，管材成形后的尺寸稳定性高。经分析，若管材胀形力最大值满足如下关系式，管材的成型性最好，
其中，pmax为管材胀形力的最大值，mpa；p屈服为管材的屈服强度，mpa。
控制胀形力的措施有3个：(1)管材中的预先充水量；(2)管材的长度；(3)管材半径。在实际生产中为保证管壁受力均匀，预先的冲水量必须填满整根管材，因此，只能通过改变管材的长度来控制胀形力的加载路径，为此，建立了胀形力与管材长度之间的关系式：
其中，p胀形为管材胀形力，p屈服为管材的屈服强度，c为水的比热容，ρ为水的密度，r为管材半径，l为管材长度，δt为水结成冰温度变化，p冷为冷却功率，p0为是单位质量水结成冰所能形成的胀形力(常量)；p冷由液氮的输入量确定，其由液态变成气态所产生的能量除以时间得到功率，具体地：p冷＝v液氮ρ液氮×c液氮×δt/t，其中，v液氮为液氮的体积，ρ液氮为液氮的密度，c液氮为液氮的比热容，δt为水结成冰温度变化，t为时间。参见图4为关系式模拟效果图。
本发明能够明显降低管材胀形对密封的要求，且胀形控制系统简单，为管材胀形提供一种新的工艺方案，应用前景广阔。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。