一种用于实现管坯缩口增厚的成形的方法及装置与流程

本发明涉及管材加工技术领域，特别涉及一种用于实现管坯缩口增厚的成形的方法及装置。

背景技术：

缩口工艺是将管坯的口部直径缩小的成形方法，是管材塑性加工技术中的一种，其广泛应用于航空航天、国防、轻工业等结构件生产制造。

目前管材缩口成形忽略了缩口后管材加工硬化和料厚变化。因此管材成形后缩口处径向无显著增厚，后期需采用焊接或铆接方式连接其他构件。目前飞机操控机构中拉杆成形即采用缩口加铆接螺纹套筒制造，这势必造成飞机连接强度低、重量及成本高，而这是飞机制造工业中极力避免的。

国内外对缩口增厚研究主要是介绍采用先管端增厚，后管端缩口的分布成形方法，其增加了生产成本，降低了生产效率，管端增厚后缩口难度加大。或者用整体模具将管材轴向进给，是管材与模具热挤压后实现先径向缩口再所缩口处增厚的成形办法，其模具成本高，笨重，管材缩口周期长。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本发明提出一种用于实现管坯缩口增厚的成形的方法及装置，大大降低了加工成本，增加了缩口增厚的多样化，降低了缩口增厚的难度，提高了缩口增厚后的零件的表面质量。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种用于实现管坯缩口增厚的成形的装置，该成形的装置包括：

上底板、下底板；上下层叠设置；

第一驱动元件；与上底板传动连接，用于驱动上底板能够沿着下底板的长度方向进行滑动；

模具组件；于模具组件的中心位置处设置用于容纳管坯的待加工部分的型腔；沿模具组件的轴线将其对称分割成左模组件以及右模组件；左模组件、右模组件间隔设置于上底板的上表面；

第二驱动元件；与左模组件、右模组件传动连接，用于驱动左模组件、右模组件能够沿着上底板的宽度方向相向运动直至两者对接；

夹头；设置于下底板的上表面，用于夹紧管坯的外壁面；

冷却装置；位于夹头与模具组件之间；冷却装置的中心位置设置有能够与型腔连通的管坯贯穿孔，在左模组件、右模组件分离时，冷却装置与左模组件、右模组件能够构成u型的围栏；在左模组件、右模组件合模时，管坯贯穿孔、型腔的中心位于同一直线上；冷却装置的侧壁与部分模具组件的侧壁紧密接触。

另外，根据本发明上述地刷还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，第一驱动元件为两个，两个第一驱动元件分别与左模组件、右模组件传动连接；第一驱动元件、第二驱动元件均包括液压缸以及于液压缸上的设置的推头，第二驱动元件上的推头用于与左模组件、右模组件抵触；第一驱动元件上的推头用于与上底板抵触。

根据本发明的一个实施例，成型装置还包括：超声波发生组件；分别设置于第一驱动元件、第二驱动元件上；用于将高频交流电功率转化成的机械功率通过模具组件传递至管坯的待加工部分。

根据本发明的一个实施例，每个第一驱动元件、第二驱动元件上均设置一个超声波发生组件，超声波发生组件包括：超声波发生器、超声波换能器以及变幅杆；其中，超声波发生器与超声波换能器的一端电连接，超声波换能器的另一端与变幅杆的末端连接，变幅杆的前端与第一驱动元件、第二驱动元件上的推头连接。

根据本发明的一个实施例，成型装置还包括：高频脉冲直流电源加热装置；用于加热管坯的待加工部分。

根据本发明的一个实施例，高频脉冲直流电源加热装置包括电源以及与电源电连接的第一导线，第一导线与型腔内的待加工的管坯电连接。

根据本发明的一个实施例，模具组件包括与上底板卡槽连接的外模以及外模的安装槽内安装的内模，在左模组件、右模组件合模时，冷却装置的侧壁与内模的侧壁紧密接触；型腔贯穿于内模内，安装槽的槽底开设与型腔连通的第一导线孔；

外模包括左外半模以及右外半模；内模包括左内半模以及右内半模；

左模组件包括左外半模以及安装于左外半模内的左内半模；

右模组件包括右外半模以及安装于右外半模内的右内半模。

根据本发明的一个实施例，成型装置还包括：第二导线、电极片、云母片；其中，第二导线的一端与电源电连接；第二导线的另一端与电极片电连接，电极片安装于外模的侧壁，云母片夹设于电极片以及外模的侧壁之间。

根据本发明的一个实施例，电极片、云母片通过定位螺栓固定于外模的侧壁上；

下底板呈长方体状，上底板、模具组件、冷却装置分别为两个，且分别对称设置于下底板上表面的边缘，夹头为两个，分别间隔设置于两个冷却装置之间。

本发明第二方面还提供了一种使用如上所述的成形装置实现管坯缩口增厚的成形方法，该成形方法包括以下步骤：

s1：预制管坯；

在满足制造要求的前提下，使用切管机切取一定长度的管坯，切割好的管坯要求端面与管轴垂直，清理管坯外表面，保证端口表面平整且无毛刺，管坯外表面无杂质，防止毛刺与杂质进入型腔损坏模具，增加管坯与型腔的摩擦力，不易于管坯缩口增厚成形；

s2：装置的安装和校正；

先将上底板安装在下底板上，再将冷却装置与上底板进行固定，将外模与上底板进行卡槽连接；

将云母片、电极片使用绝缘螺母固定在外模的侧壁，将内模固定在外模里；冷却装置与合模后的内模紧密接触；

超声波发生器与超声波换能器的一端电连接，超声波换能器的另一端与变幅杆的末端连接，变幅杆的前端与第一驱动元件、第二驱动元件上的推头连接；

将夹头连接在下底板上，管坯与夹头夹紧连接；调节冷却装置的轴心孔与内模的轴心孔对齐，调整管坯的轴心与内模的轴心对齐，防止成形时因轴孔偏移是管坯产生弯曲的问题；

s3：预热和冷却；

给冷却装置通冷却液，进液口和出液口连有塑胶管，冷却液从进液口流进，从出液口流出，通冷却液需适当控制冷却液的流速；第一导线、第二导线连接在电极片和管坯上，打开电源，高频脉冲电流经过管坯的待加工部分，使管坯待加工部分加热；

将管坯经过冷却装置，伸入适合的长度后，用夹头固定；通过第二驱动元件分别推动左模组件、右模组件缓慢合模，实现管坯的缩口成形；

待管坯的缩口后，第一驱动元件缓慢推动上底板进给到预定的位移，完成增厚。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、成形方法更加简便，一般的管材缩口增厚成形工艺是管材先经局部加热镦粗工序后，然后在加热缩口模中缩口，该方法增加了成形的复杂性，增加了生产成本，降低了生产效率，管端增厚后缩口难度加大。或者用整体模具将管材轴向进给，是管材与模具热挤压后实现先径向缩口再所缩口处增厚的成形办法，其模具成本高，笨重，管材缩口周期长。本发明采用的成形方法使管坯缩口增厚成形的过程更加快速、便捷、成形工艺更加简单；

2、加热装置使用高频电脉冲直流电源放电加热，不但可以加快管坯加热的速度，而且电脉冲可以产生电致塑形，改善材料内部原子和位错的可动性，导致塑性和成型性大幅度改善，降低变形抗力，降低生产成本，提高生产效率，减少碳排放，改善环境；

3、采用超声振动辅助进给减小管坯缩口增厚过程中的成形载荷，极大地改善了管坯成形过程中的受力状况，使管坯缩口处径向增厚后直接攻螺纹，取代铆接螺纹套筒，提高了管坯的加工质量高，显著增加飞机拉杆的连接强度、降低构件重量、提高材料的利用率、减少机械加工余量。此外还可以通过超声振动的频率大小，提高加工的稳定性和管坯的表面粗糙度；

4、超声振动是有规律的、均匀的发生震动，当管坯由直管端缓慢向型腔区域过渡时，该区域属于管坯缩口的突变区域，管坯受到横向液压缸向前的推力和超声震动的辅助，可以有效防止管坯因受横向压应力向内失稳，从而避免了管坯向内凹陷的现象发生；

5、模具组件采用分块化设计，模具组件可分为左、右外半模和左、右内半模，左、右外半模为通用外模，左、右内半模为成形模具，可根据不同的缩孔增厚尺寸设计不同的内模，并且内模的体积小，加工方便，比整套模具加工多套不同尺寸的模具成本更低、更快速、方便。

6、模具组件采用分块化设计，可视性好，与整体式模具管坯进入后不可观察相比，分块化模具可进行有效的观察管坯缩口过程的缩口变化，并且可清晰地检查模具成形孔是否有破损；

7、模具组件采用分块化设计，润滑液在成形孔表面和管坯表面分布更加均匀，有利于增厚过程的润滑，避免整体式模具中管坯进给挂掉润滑液的问题，且杂质清理更加方便、有效，提高了增厚缩口的表面质量；

8、模具组件采用分块化设计，由于内模的加工成本的低，可实现标准化、精密化生产，大大降低了加工成本，增加了缩口增厚的多样化，降低了缩口增厚的难度，提高了缩口增厚后的零件的表面质量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一个实施例中成形装置的结构示意图；

图2为图1中第一驱动元件与超声波发生组件的装配图；

图3为图1中左模组件的结构示意图；

图4为图1中管坯与第一导线的装配图；

图5为图1中管坯与左模组件的配合图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和/或它们的组合。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“底”、“前”、“上”、“倾斜”、“下”、“顶”、“内”、“水平”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中机构的不同方位。例如，如果在图中的机构翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。机构可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1所示，根据本发明第一方面的实施例，本发明的第一方面提供了一种用于实现管坯缩口增厚的成形装置，该成形装置100包括：

上底板11、下底板12；上下层叠设置；

第一驱动元件13；与上底板11传动连接，用于驱动上底板11能够沿着下底板12的长度方向进行滑动；

模具组件14；于模具组件14的中心位置处设置用于容纳管坯15的待加工部分的型腔140；沿模具组件14的轴线将其对称分割成左模组件141以及右模组件142；左模组件141、右模组件142间隔设置于上底板11的上表面；

第二驱动元件(下面进行详细介绍)；与左模组件141、右模组件142传动连接，用于驱动左模组件141、右模组件142能够沿着上底板11的宽度方向相向运动直至两者对接；

夹头16；设置于下底板12的上表面，用于夹紧管坯15的外壁面；

冷却装置17；用于冷却和保护型腔140外侧的管坯15；位于夹头16与模具组件14之间；冷却装置17的中心位置设置有能够与型腔140连通的管坯贯穿孔170，在左模组件141、右模组件142分离时，冷却装置17与左模组件141、右模组件142能够构成u型的围栏；在左模组件141、右模组件142合模时，管坯贯穿孔170、型腔140的中心位于同一直线上；冷却装置17的侧壁与部分模具组件14的侧壁紧密接触。

在本实施例中，下底板12可以呈长方体状，上底板11、模具组件14、冷却装置17可以分别设置两个，且分别对称设置于下底板12上表面的边缘，夹头16也可以两个，分别间隔设置于两个冷却装置17之间。需要说明的是，两个夹头16位于同一直线上，两个夹头16分别夹持管坯15的外壁面，且当管坯15被悬空固定在两个夹头16之间时，管坯15的中心与管坯贯穿孔170的中心位于同一直线上，这样管坯15的两个端头分别与位于管坯15外侧的冷却装置17上的管坯贯穿孔170相对应，以使得管坯15的端头能够顺利导入管坯贯穿孔170中。

根据本发明的一个实施例，第一驱动元件13至少为两个，两个第一驱动元件13分别与左模组件141、右模组件142传动连接；第一驱动元件12、第二驱动元件结构相同，不同之处在于第一驱动元件13分别位于下底板12的宽度方向上，用于驱动左模组件141、右模组件142沿着下底板12的宽度方向运动，第二驱动元件位于下底板12的长度方向上，用于驱动上底板11沿着下底板12的长度方向运动。具体地，第一驱动元件12、第二驱动元件均包括液压缸120以及于液压缸120上的设置的推头121，第二驱动元件12上的推头121用于与左模组件141、右模组件142抵触；第一驱动元件12上的推头121用于与上底板11抵触。具体地，液压缸120作为本实施例中的主要动力源，产生推动左模组件141、右模组件142、上底板12使得管坯15成形的挤压力。

需要说明的是，本实施例以液压缸120以及推头121作为第一驱动元件12、第二驱动元件。当然，第一驱动元件12、第二驱动元件也可以是电机或者其他结构，本实施例在此不做限定，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。

根据本发明的一个实施例，如图2～3所示，成型装置100还包括：超声波发生组件(下面进行详细介绍)；分别设置于第一驱动元件12、第二驱动元件上；用于将高频交流电功率转化成的机械功率通过模具组件14传递至管坯15的待加工部分。

在本实施例中，每个第一驱动元件12、第二驱动元件上均设置一个超声波发生组件，超声波发生组件包括：超声波发生器18、超声波换能器19以及变幅杆20；其中，超声波发生器18与超声波换能器19的一端电连接，超声波换能器19的另一端与变幅杆20的末端连接，变幅杆20的前端与第一驱动元件12、第二驱动元件上的推头121连接。

根据本发明的一个实施例，如图4～5所示，成型装置100还包括：高频脉冲直流电源加热装置(下面进行详细介绍)；用于加热管坯15的待加工部分；具体地，高频脉冲直流电源加热装置包括电源21以及与电源21电连接的第一导线22，第一导线22与型腔140内的待加工的管坯15电连接。

继续参照图5，模具组件14还包括与上底板11卡槽连接的外模以及外模的安装槽内安装的内模，其中，外模用于固定内模，内模为陶瓷材质的内模，用于热挤压缩口增厚成形，在左模组件141、右模组件142合模时，冷却装置17的侧壁与内模的侧壁紧密接触；型腔140贯穿于内模内，安装槽的槽底开设与型腔140连通的第一导线孔143；具体地，外模被平均分割成左外半模以及右外半模；内模被平均分割成左内半模以及右内半模；其中，左模组件141、右模组件142互为镜像，左模组件141包括左外半模1410以及安装于左外半模1410内的左内半模1411；右模组件142包括右外半模以及安装于右外半模内的右内半模。

在本实施例中，继续参照图5，左内半模1411包括半圆柱体的模体1412以及沿模体1412的外壁面的轴向分别设置的凸条1413，沿凸条1413的轴向开设取模孔1414，此外，左外半模1410上开设有2个合模孔1415。相应地，右内半模的结构与左内半模1411的结构相同，左外半模1410的结构与右外半模的结构相同。

根据本发明的一个实施例，继续参照图3～5，成型装置100还包括：第二导线23、电极片24、云母片25；其中，第二导线23的一端与电源21电连接；第二导线23的另一端与电极片24电连接，电极片24安装于外模的侧壁，云母片25夹设于电极片24以及外模的侧壁之间。具体地，外模的侧壁为左外半模1410以及右外半模的侧壁，左外半模1410以及右外半模的侧壁均开设有电极片定位孔1416；电极片24、云母片25通过定位螺栓26固定于外模的侧壁上；即电极片24、云母片25通过定位螺栓26与电极片定位孔1416的连接实现与左外半模1410以及右外半模的固定。

在本实施例中，首先将电源21与第一导线22、第二导线23相连，再将第一导线22、第二导线23分别接到电极片24和管坯15的内侧，打开电源21，把电流大小调到指定的强度，使高频脉冲电流流经管坯待加工部分，使管坯15加热，增加管坯15的塑性。

根据本发明第二方面的实施例，本发明的第二方面还提供了一种使用如上所述的成形装置实现管坯缩口增厚的成形方法，包括以下步骤：

s1：预制管坯；

在满足制造要求的前提下，使用切管机切取一定长度的管坯，切割好的管坯要求端面与管轴垂直，清理管坯外表面，保证端口表面平整且无毛刺，管坯外表面无杂质，防止毛刺与杂质进入型腔损坏模具，增加管坯与型腔的摩擦力，不易于管坯缩口增厚成形；

s2：装置的安装和校正；

先将上底板安装在下底板上，再将冷却装置与上底板进行固定，将外模与上底板进行卡槽连接；

将云母片、电极片使用绝缘螺母固定在外模的侧壁，将内模固定在外模里；冷却装置与合模后的内模紧密接触；

超声波发生器与超声波换能器的一端电连接，超声波换能器的另一端与变幅杆的末端连接，变幅杆的前端与第一驱动元件、第二驱动元件上的推头连接；

将夹头连接在下底板上，管坯与夹头夹紧连接；调节冷却装置的轴心孔与内模的轴心孔对齐，调整管坯的轴心与内模的轴心对齐，防止成形时因轴孔偏移是管坯产生弯曲的问题；

s3：预热和冷却；

给冷却装置通冷却液，进液口和出液口连有塑胶管，冷却液从进液口流进，从出液口流出，通冷却液需适当控制冷却液的流速；第一导线、第二导线连接在电极片和管坯上，打开电源，高频脉冲电流经过管坯的待加工部分，使管坯待加工部分加热；

将管坯经过冷却装置，伸入适合的长度后，用夹头固定；通过第二驱动元件分别推动左模组件、右模组件缓慢合模，实现管坯的缩口成形；

待管坯的缩口后，第一驱动元件缓慢推动上底板进给到预定的位移，完成增厚；

s4：加工完成；

完成加工后，切断电源，切断冷却液，分开模具组件，取出最后成形的管坯。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、成形方法更加简便，一般的管材缩口增厚成形工艺是管材先经局部加热镦粗工序后，然后在加热缩口模中缩口，该方法增加了成形的复杂性，增加了生产成本，降低了生产效率，管端增厚后缩口难度加大。或者用整体模具将管材轴向进给，是管材与模具热挤压后实现先径向缩口再所缩口处增厚的成形办法，其模具成本高，笨重，管材缩口周期长。本发明采用的成形方法使管坯缩口增厚成形的过程更加快速、便捷、成形工艺更加简单；

2、加热装置使用高频电脉冲直流电源放电加热，不但可以加快管坯加热的速度，而且电脉冲可以产生电致塑形，改善材料内部原子和位错的可动性，导致塑性和成型性大幅度改善，降低变形抗力，降低生产成本，提高生产效率，减少碳排放，改善环境；

3、采用超声振动辅助进给减小管坯缩口增厚过程中的成形载荷，极大地改善了管坯成形过程中的受力状况，使管坯缩口处径向增厚后直接攻螺纹，取代铆接螺纹套筒，提高了管坯的加工质量高，显著增加飞机拉杆的连接强度、降低构件重量、提高材料的利用率、减少机械加工余量。此外还可以通过超声振动的频率大小，提高加工的稳定性和管坯的表面粗糙度；

4、超声振动是有规律的、均匀的发生震动，当管坯由直管端缓慢向型腔区域过渡时，该区域属于管坯缩口的突变区域，管坯受到横向液压缸向前的推力和超声震动的辅助，可以有效防止管坯因受横向压应力向内失稳，从而避免了管坯向内凹陷的现象发生；

5、模具组件采用分块化设计，模具组件可分为左、右外半模和左、右内半模，左、右外半模为通用外模，左、右内半模为成形模具，可根据不同的缩孔增厚尺寸设计不同的内模，并且内模的体积小，加工方便，比整套模具加工多套不同尺寸的模具成本更低、更快速、方便。

6、模具组件采用分块化设计，可视性好，与整体式模具管坯进入后不可观察相比，分块化模具可进行有效的观察管坯缩口过程的缩口变化，并且可清晰地检查模具成形孔是否有破损；

7、模具组件采用分块化设计，润滑液在成形孔表面和管坯表面分布更加均匀，有利于增厚过程的润滑，避免整体式模具中管坯进给挂掉润滑液的问题，且杂质清理更加方便、有效，提高了增厚缩口的表面质量；

8、模具组件采用分块化设计，由于内模的加工成本的低，可实现标准化、精密化生产，大大降低了加工成本，增加了缩口增厚的多样化，降低了缩口增厚的难度，提高了缩口增厚后的零件的表面质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。