一种利用复合填充介质进行管材充液压弯的方法与流程

本发明属于金属压力加工技术领域，特别是涉及一种利用复合填充介质进行管材充液压弯的方法。

背景技术：

航空、航天构件要求高可靠性，高安全性和尽可能轻的质量，因此对结构整体性、结构形式及占用空间提出了苛刻的要求，既要保证结构的整体可靠性，同时还要保证在满足强度要求的基础上采用尽可能轻的质量，在满足结构要求的前提下占用尽可能小的空间。

受结构空间限制，小型航空发动机及无人机的管路要求使用小曲率半径弯管，使用的材料包括铝合金、钛合金和高温合金。小曲率半径弯管既能提高整体性能，实现结构减重，又有效地节省空间，是非常理想的结构形式。小曲率半径弯管常用成形方法有数控弯管机绕弯成形或推弯成形；对于弯曲半径rb≤1(rb为管件弯曲中性层的半径r与管材外径d之比)且有直壁段的管材，大多数采用对半冲压拼焊成形。

数控绕弯、充液压弯在管材弯曲时，弯曲变形区外侧材料受到拉应力的作用而伸长，内侧材料受到压应力的作用而缩短，内压推弯时管材内外侧主要受压应力；数控绕弯和内压推弯时由于管坯内侧有刚性支撑，截面的畸变率低，但是数控绕弯不适应于弯曲半径rb≤1的管材，内压推弯不适用于弯曲直壁段的管材；单纯充液压弯因截面畸变严重，因减薄过大和容易起皱使得应用不多。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供了一种利用复合填充介质进行管材充液压弯的方法。

本发明是这样实现的，

一种利用复合填充介质进行管材充液压弯的方法，包括如下步骤：

步骤一、密封、定位阶段：首先根据管坯变形区域的长度将一定量复合填充介质放入管坯；然后将管坯放在压弯模具的凹模上端面，放置时使管坯有复合填充介质的部分正对模具型腔；左右推头同时运动挤进管坯直至推头顶持复合填充介质；压弯模具上的浮动压料块在竖直方向将管坯压紧；

步骤二、低压支撑合模阶段：通过左右任一推头上的进液口充入液体，使液体经由与管坯内腔连通的介质输入管路进入管坯；液体通过推头外的增压器加压到一定压力p1并保持压力不变，凸模向下缓慢运动直至完成合模；

步骤三、高压胀形阶段：为凸模加载所需的压力，增压器加高压至p2使零件胀形到位；胀形若干分钟后增压器和凸模泄压，此时成形出满足要求的小曲率半径弯管；

步骤四；卸料阶段：凸模上行到位，左右推头退回到弯管外侧；取下弯管将复合填充材料倒出，成形完毕。

该技术方案克服了截面畸变和局部起皱的问题，填充介质和液压同时使用能很好控制零件变形行为，小弯管直壁段越长，避免零件在直壁段局部起皱；此外复合填充介质在管坯内部支撑时使管坯弯曲时受的压应力和拉应力相对减小，周向截面在管坯弯曲的内侧受到压应力，因复合填充介质的存在抵消部分压应力，阻止管坯周向截面随机变椭和周长变短，缩短管坯底端到最终型面的距离；高压胀形时零件底部受到拉应力相对减小，从而减小管坯局部的变形量。

进一步，上述步骤二中低压支撑合模阶段，p1的参考值根据以下方法得出：

其中，t——管坯厚度；d——管坯外径；σs——管坯屈服强度。

进一步，0≤p1≤60mpa；

进一步，p1≤p2≤300mpa；

进一步，所述复合填充介质的具体复合形式包括铜芯管和包裹在铜芯管外的柔性环。

进一步，所述复合填充介质与管坯的单边间隙为0.5-3mm。

进一步，所述推头端部套设有密封用的聚氨酯环，所述聚氨酯环外径比管坯内径大1-2mm。

进一步，步骤一中压弯模具的凸模两侧设有竖直的氮气弹簧；所述浮动压料块设在氮气弹簧下端。

进一步，所述复合填充介质的水平宽度m与管坯外径d的比例在0.12-0.3之间。

更进一步，管坯原料为不锈钢304，管坯外径d＝34mm、壁厚t＝1mm；低压p1＝22mpa，凸模的合模速度2mm/s；步骤三中胀形压力p2＝220mpa、胀形时间为5分钟。

本发明的积极效果和优点：

本发明解决了小曲率半径弯管尤其是rb≤1的弯管成形难的问题，提高了成形精度和稳定性；克服纯柔性成形合模过程中管坯截面的畸变和因刚度不足引起的局部起皱；改变了截面周向相对压应力的大小，使管坯接触上模型面部分的相对压应力变小，缓解接触下模型面胀形时变形量。提高两端直壁段厚度的均匀性，解决弯曲半径rb≤1，t/d≤0.03，弯曲角度90度且有直壁段，本发明方法适合材料有不锈钢、高温合金、铝合金、钛合金以及非金属塑性良好的材料。

附图说明

图1是本发明实施例提供的管坯成形初始位置状态的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的管坯成形最终位置状态的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的复合填充介质的结构示意图；

图4是图3的a-a向剖视图；

图5是本发明实施例提供的管坯的横截面示意图；

图6是本发明实施例提供的液体加压曲线随时间变化示意图；

图7是本发明实施例提供的合模位移与压力p1曲线示意图。

图中、1、管坯；2、复合填充介质；2-1、铜芯管；2-2、柔性环；3、凹模；4、型腔；5、推头；5-1、进液口；5-2、介质输入管路；5-3、聚氨酯环；6、凸模；7、弯管；8、氮气弹簧；9、浮动压料块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图7所示，在利用现有的充液压弯模具的基础上，本发明提供了一种利用复合填充介质进行管材充液压弯的方法，该成形方法包括如下步骤：

步骤一、密封、定位阶段：首先根据管坯1变形区域的长度将一定量复合填充介质2放入管坯1；然后将管坯1放在压弯模具的凹模3上端面，放置时使管坯1有复合填充介质2的部分正对模具型腔4；左右推头5同时运动挤进管坯1直至推头5顶持复合填充介质2；压弯模具上的浮动压料块在竖直方向将管坯1压紧；

步骤二、低压支撑合模阶段：通过左右任一推头5上的进液口5-1充入液体，使液体经由与管坯1内腔连通的介质输入管路5-2进入管坯1；液体通过推头5外的增压器加压到一定压力p1并保持压力不变，凸模6向下缓慢运动直至完成合模；

步骤三、高压胀形阶段：为凸模6加载所需的压力，增压器加高压至p2使零件(零件指成形过程中的管材)胀形到位；胀形若干分钟后增压器泄压，然后凸模6卸压，此时成形出满足要求的小曲率半径弯管7；

步骤四；卸料阶段：凸模6上行到位，左右推头5退回到弯管7外侧；取下弯管7将复合填充材料倒出，成形完毕。

由图2可见，管坯1成形后，管坯1内壁与复合填充介质2之间存在一定间隙，因此容易倒出优选的，为了方便取出复合填充介质，复合填充介质的水平宽度m与管坯外径d的比例在0.12-0.3之间。

以上步骤中左右推头5对复合填充介质2的顶持力一直保持不变；浮动压料块在竖直方向将管坯1压紧是为了防止液体从管坯1的两侧泄露。

优选的，步骤二中低压支撑合模阶段，p1的参考值根据以下方法得出：

其中，t——管坯厚度；d——管坯外径；σs——管坯屈服强度；

计算出0≤p1≤60mpa；

优选的，p1≤p2≤300mpa；

优选的，所述复合填充介质2的具体复合形式包括铜芯管2-1和包裹在铜芯管2-1外的柔性环2-2，柔性环2-2的材料可以是聚氨酯或者橡胶，柔性环2-2的设置是为了避免合模过程中零件内表面被压出痕迹。进一步，所述复合填充介质2外径略小于管坯1的内径，具体的，所述复合填充介质与管坯的单边间隙为0.5-3mm。

优选的，所述管坯1可以采用不锈钢、高温合金、铝合金、钛合金以及非金属等塑性良好的材料；

优选的，以上步骤中的液体可以选择乳化液，也可选择水、油、粘性介质作为填充物的液体介质；

优选的，所述左右推头5端部套设有密封用的聚氨酯环5-3，所述聚氨酯环5-3随左右推头5一起挤入管坯1；为了保证密封效果，聚氨酯环5-3的外径大于管坯1内径约1-2毫米；为了聚氨酯环不被管坯划伤，聚氨酯环5-3的前端还设有倒角；

优选的，步骤一中压弯模具的凸模6两侧设有竖直的氮气弹8；每个氮气弹簧下设有压紧管坯1用的浮动压料块9。

具体实施例：

本实施例以管坯1原料为不锈钢304，管坯外径d＝34mm、壁厚t＝1mm为例，按照上述步骤进行弯管7的充液压弯成形，其中步骤二中的低压p1＝22mpa，凸模6的合模速度2mm/s；步骤三中胀形压力p2＝220mpa、胀形时间为5分钟；可以得到弯曲半径rb＝0.88，直壁段长度为15mm，t/d≤0.03，弯曲角度90度的弯管7。

本发明克服了截面畸变和局部起皱的问题，填充介质和液压同时使用能很好控制零件变形行为，弯管7直壁段越长，避免零件在直壁段局部起皱；此外复合填充介质2在管坯1内部支撑时使管坯1弯曲时受的压应力和拉应力相对减小，周向截面在管坯1弯曲的内侧受到压应力，因复合填充介质2的存在抵消部分压应力，阻止管坯1周向截面随机变椭和周长变短，缩短管坯1底端到最终型面的距离；高压胀形时零件底部受到拉应力相对减小，从而减小管坯1局部的变形量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。