专利名称：液压成形模具组件及形成不狭缩管件的方法
技术领域：
本发明通常涉及液压成形模具组件，更具体地说是涉及能在模具组件闭合过程中防止液压形成的金属管状坯料狭缩的一种液压成形模具组件。
液压成形方法通常是将一管状金属坯料形成具有预定构形的管状零件。具体地说，一典型的液压成形操作涉及将一管状金属坯料放入液压成形模腔并向坯料内部提供高压流体，使坯料向外膨胀与限定模腔的表面一致。更具体地说，将管状金属坯料纵向相对的端部封闭，高压水通过密封一个管端的液压成形注口或压头提供。提供在管中的流体由一常规的增强器加压。
通常模具组件包括一下半模和一上半模。上半模向下移动与下半模一起在其之间形成封闭的模腔。在上半模降下之前将管状金属坯料放在下半模中以在腔中封闭管状坯料。
对许多应用场合来说，通常具有圆形截面的管状坯料经液压成形成为由模腔限定的具有盒形或矩形截面的管状部件或零件。由于管状坯料的周边比限定模腔的表面的周边或截面周长小许多，因此当上半模降下以封闭模腔时经常需要在模腔中略微挤压或变形管状坯料。在挤压管件膨胀之前在模腔中略微变形管状坯料部分是由于需要使管状坯料的截面周边更接近限定模腔的表面的截面周长或周边，以在液压成形操作的挤压阶段中减少对管状坯料金属材料的膨胀或伸展的需要。另外，使管状坯料的截面周边与模腔的周边更接近(可以看做在金属材料中提供一些“宽松”以方便其膨胀至与模腔一致)方便了管状坯料膨胀至模腔的“死”角中。
当模腔闭合时管状坯料变形过程中所面临的一个问题是当模腔封闭时变形的管状坯料可能在上、下半模之间狭缩。对此问题的一种解决方案在美国专利No.4,829,803中公开。此专利描述了一种方案，其中在上半模下降之前必须对管状坯料施加足够的压力，而且坯料的外表面必须充分光滑，这样在上半模闭合之前管状坯料中的内压就至少很充分以克服闭合模具部件时而由模具部件施加在坯料上的摩擦力。这种结构对管状坯料内的压力和各种摩擦表面的光滑度设定了一种临界状态。另外，由于在模腔封闭之前模具组件使管件变形，仍存在狭缩问题。
在美国专利No.5,339,667中的另一种方案同样需要在模腔封闭之前使管状坯料变形。这也使得在模腔闭合时挤压管件。另外，此专利提供了具有特殊轮廓的模腔，以考虑到挤压管状坯料的可能性。这样这种方法只能形成形状很有限的管状零件。
美国专利No.5,239,852还提供了另一种方法来解决此问题。但在此方案中两个模装置必须以高精确度组合在一起，以使模腔的每个侧壁与相对的模装置的密封表面紧密接合。另外，此结构在模装置的模架与底部之间的过渡处提供有很尖的角度。由此尖角度形成的角使模装置具有相对弱的部分，在长期使用后会破裂或变碎。
本发明的目的是克服上述现有技术中的问题。本发明通过提供至少三个能共同在其中限定可设有一金属管状坯料的模腔的分开的模装置而实现这一目的。第一模装置可以移动以封闭模腔，而在模腔封闭后，第一和第二模装置可以移动以减小模腔的截面积，从而使金属管状坯料可以在模腔中变形。
另外根据本发明，设有两个可动的模装置和一单独的固定的模装置以限定模腔。第一和第二可动装置之间的相对运动封闭模腔。在腔封闭后，第一模装置相对于固定模装置的运动减小了模腔的截面积以使模腔中的金属管变形。
本发明的另一个目的是提供一种液压成形一金属管的方法。此方法包括将金属管放入具有三个分开的模装置的液压成形模具组件中，三个模装置能共同限定一模腔；移动第一模装置以封闭模腔；接着移动第一和第二模装置以减小模腔的截面积；并随着模腔的截面积的减小使金属管变形。
本发明的还一个目的是提供一种液压成形模具组件，包括一下模组件，限定一下模腔部，在其中可以放置一金属管，所述下模组件提供限定所述下模腔部相对侧的侧壁以及限定所述下模腔部下表面的一下壁；一上可动模装置，具有密封表面，可以移动以与所述下模组件在所述下模腔部的相对侧上配合，以封闭所述下模腔部并从而提供一封闭的模腔；下模组件与上模装置可以共同减小所述封闭模腔的尺寸以在模腔封闭后使所述金属管变形。
本发明的其它目的和特征将根据下面的详细描述、附图和权利要求而实现。
图1是本发明液压成形模具组件的一分解立体图；图2是本发明液压成形模具组件一纵向端部的视图，其中上模装置处于抬起或打开状态；图3是与图2相似的一视图，但示出了在上模装置完全降下或闭合之前上模装置处于一初始闭合的状态；图4是沿图1中4-4线的剖面图，但示出完全装配的零件，其中与图2一样上模装置处于抬起或打开的状态；图5是与图4相似的一视图，但示出了液压成形过程的下一步骤，其中与图3一样上模装置处于初始闭合状态；图6是与图5相似的一剖视图，但示出了本发明液压成形的下一步，其中上模装置处于完全降下状态而要进行液压成形的管状坯料由形成本发明模腔的模装置的相对运动略微变形或挤压；图7是与图6相似的一剖视图，但示出了随后的液压成形过程，其中受压流体将管状坯料膨胀与模腔一致；而图8是沿图1中8-8线的纵向剖视图，但示出了完全组装的零件，其中一管状坯料设在下模组件中，一对液压压头与管状坯料相对端配合，而上模装置位于一抬起状态。
如图1所示是通常以10表示的本发明一液压成形模具组件的分解图。液压成形模具组件10通常包括一可移动的上模装置12、一可移动的下模装置14、一固定模装置16、一固定模装置16固定在其上的固定基底18以及多个安装下模装置14以在固定基底18上运动的商业可得的氮弹簧柱20。上模装置12、下模装置14以及固定模装置16一起在其之间限定具有基本成盒形横截面的一纵向模腔，对此将结合图5至7详细描述。最好上模装置12、下模装置14、固定模装置16以及固定基底都由一种合适的钢材如P-20钢制成。
如图1所示，上模装置12在其纵向相对的端部具有一对支架区31。支架区31的形状及设置方式使得可以容纳并接收位于上模装置12纵向相对端部的上夹紧装置26。尤其是，每个夹紧装置26通过多个允许在夹紧装置26和上模装置12之间有相对垂直运动的氮弹簧柱而在各支架区31同上模装置12相连。例如，如图2所示，氮弹簧柱27以略间隔开、相对于上模装置12弹性偏置的方式安装夹紧装置26。
下模装置14在其纵向相对的端部具有相似的支架区33，支架区33以相似的方式构造和设置以容装下夹紧装置28。
每个下夹紧装置28具有一纵向延伸通常为弧形或半圆形的朝向上方的表面34。表面34构造和设置成可以配合并支撑设置在下模装置中的一管状坯料的下侧。因为下夹紧装置28中的每个弧形表面34纵向向液压模具组件10的中心内延伸，因此它们过渡至基本为正方形或盒形的U形表面结构36。
上管件夹紧装置26基本与下夹紧装置28相同，只是向其倒置。更具体地说，如图1至3可见，每个上夹紧装置26具有一弧形或半圆形纵向延伸但朝向下方的表面38，过渡至一倒置的盒状U形表面结构39。当上模装置12开始降下时，每个夹紧装置26的弧形表面38与下夹紧装置28中相应一个的表面34一起形成一包住并卡紧一管状坯料40的相对端部的柱缸形夹紧表面(参见图3)。
从图4的剖视图可见，在上支架区31之间上模装置12限定了一具有基本为倒置的U形横截面的纵向槽37。槽37由隔开的彼此平行的纵向延伸垂直侧面43以及基本水平的在其之间纵向延伸的一表面66限定。
从图1以及图2和图3的后视图可见，限定支架区33的下模装置14的纵向相对的端部具有基本为U形的横截面。但从图4的剖视图可见下模装置14有一贯穿其U形纵向端部之间的中间开口42。下模装置14上的竖直内表面41在四个侧边上限定并环绕上述的中间开口42。更具体地说，一对纵向延伸的侧表面41限定开口42的横端。这些表面竖直设置并平行，彼此互相面对，这从图4至7中可见。尽管未示出，可以理解一对横向侧表面41(未示出)限定开口42的纵端并且竖直平行设置，彼此面对。还可以理解四个表面41向开口42提供基本为矩形的俯视图结构。
下面回到图1，可以理解固定基底18基本为矩形金属板形状，而且固定模装置16由多个螺栓44固定在固定基底18的一上表面40上。固定模装置16是一细长结构，沿固定基底18的上表面46主体长度方向延伸，通常沿固定基底18的横向中心线延伸。固定模装置16从固定基底18向上伸出并在其相对的纵向侧边具有基本竖直的侧表面52(在图1中只示出一个这样的侧表面)。固定模装置16还在其纵向相对的端部具有基本垂直的端部表面54。固定模装置16构造和设置成可以在下模装置14的开口42中以在限定开口42的基本竖直的表面41和固定模装置16的竖直侧表面52和54之间最小的间隙延伸。固定模装置16进一步包括一通常水平的纵向延伸的上模表面56，上模表面56构造和设置成可以以相对于上模装置12上的纵向延伸的模表面66相间隔的方式延伸。
最好，上述侧表面41、固定模装置16的上表面56和表面43以及上模装置12和下表面66一起提供一具有基本贯穿其纵向通常为盒形截面构造的模腔60(见图5和6)以形成具有贯穿其纵向基本为一封闭盒形截面构造的液压成形件。固定模装置16的模表面56和上模装置12的模表面66分别为模腔60提供下、上模表面。参照图1，可以理解尽管固定模装置16的上表面56如上所述通常为水平，而且实际上在其相对的纵向端部具有基本水平并通常平行的表面部分62，但在其之间设有一弧形的向下延伸的表面部分64。因此可以看出如果需要管形液压成形件可以设有不规则的形状。
图2是液压成形模具组件10的一端视图，其中上模装置12位于一打开或抬高的状态。在此状态中，液压成形模具组件10使一管状坯料40放置在下模装置14中。坯料40最好在放入下模装置14中之前在其一中间部分预弯。预弯的坯料40构形通常与弧形的相对的模表面56和66一致。从图1、4和5可以看出进行液压成形的管状坯料40开始放入液压成形模具组件10中时由下夹紧装置28悬置略高于固定模装置16的上表面56延伸。
当坯料放入下模装置14中时，坯料40相对的端部位于在下模装置14两端的下夹紧装置28的各表面36上(见图8)。最好，表面36构造和设计成可以与管状坯料40的各相对端部的下部形成一过盈配合。随后，上模装置降下以使如图2所示由氮柱27保持在延伸状态的上夹紧装置与管状坯料40的各相对端部的上部形成一过盈配合。此时，管状坯料的两个端部在上模装置12降下至其完全闭合状态之前都夹持在夹紧装置26和28之间。
在此位置，管状坯料40基本刚性地夹持到位以使在图8中如59所示的液压成形缸可以伸缩地和密封地插入管40两端，而基本不用移动管以及不用完全降下上模装置12至其完全闭合或降下状态。液压成形缸最好在连续降下上模装置12或与其同时对管状坯料40预先注入液压流体(如图3、5、6和7中标号下所示)但不产生多大的压力。最好使用水做为液压流体。尽管为了减少循环时间和取得一更加光滑形成的部件，最好进行预先注入，但本发明可以使上模装置12在流体注入管40内部之前完全降下。
如图5所示，上模装置12最好包括一对横向相隔的平行的边部70，边部70从模表面66上相对侧边向下伸出并沿上模装置12的全长延伸。当上模装置12进一步下降时，在上夹紧装置26与管40和下夹紧装置28初始配合后(见图3)，氮柱27压缩而棱边70在开口42的相对侧边与下模装置12的上模表面72接触，以密封模腔60(如图5所示)。棱边70形成一可以承受约10000个大气压的非常高的腔压的强有压力的密封。根据需要可以与棱边70一起在开口42的相对的纵向侧边的模表面72上设置相似的棱边。任何情况下，由于液压成形模具组件10利用了三个(也可以更多)模装置12、14和16以形成模腔60，因此本发明的不狭缩的液压成形模具组件10不需要设置具有薄断面的任何区域，否则在经过几次液压成形操作之后容易碎裂或破裂。
在棱边70与模表面72开始配合后，上模装置12向下的连续运动使下模装置14被迫顶着安装有下模装置14和氮弹簧柱20与其一起向下。其两端夹在上模装置12与下模装置14之间的管40同样向下运动。下模装置14被迫的向下运动可使用上模装置12的剪切重量或通过提供一使上模装置12向下的液压系统来完成。上模装置12和下模装置14继续向下运动，直到这种运动在下模装置配合在由固定基底18提供的一阻挡装置上时停止。在上模装置12和下模装置14连续向下的运动过程中，上模装置12的模表面66向固定模装置16的模表面56运动以减少模腔60的尺寸，同时在腔中保持基本周边密封。最后，坯料40的下部向下移动并与模装置16的模表面56配合。
在坯料40的下部与模表面56配合后，模装置12和14连续向下的运动使坯料40变弯。如图6所示，当上模装置12和下模装置14最后到达完全降下或闭合的位置时，腔60变得足够小以使管状坯料40略微受到挤压。管状坯料的这种略微挤压使得圆柱形的管状坯料40可以具有与最终的模腔60的盒形截面周边的形状更加接近的一周边。由于管状坯料40在挤压前预先注有液压流体，可以基本避免由于挤压在管件中形成的皱折，并且可以形成具有基本光滑轮廓的液压成形部分。
如图7所示，在上模装置12到达其完全降下的位置后，其中使下模装置14与固定基底18配合以使其不再移动，挤压的坯料40内的液压流体通过管状坯料40的一端以任何已知的方式(例如，通过使用一液压增压器或高压泵)由液压系统增压。或者，管状坯料40的扩张或液压成形可以在上模装置12完全降下之前并在挤压管状坯料40之前开始。更具体地说，本发明使得管状坯料40的扩张可以在上模装置12降至其密封表面70与下模装置14的模表面72配合的位置后立即开始，如图5所示。通过使扩张在此较早的时候开始，可以减少整个液压成形过程的时间。此外，由于同当上模装置12和下模装置14处于完全降下位置(见图6)时相比当夹紧装置26和上模装置12开始配合在下模装置14上时(见图5)模腔具有一较大的截面，管状坯料的这种较早的扩张使坯料在竖直方向径向扩张(即成为一椭圆形构形)超过上模装置12在完全降下状态中的情况。由于这种增大的扩大能力，管状坯料40的截面周边与最终的模腔60的截面周边更加一致，就更容易将管状坯料40扩张至模腔的角上。具体地说，由于管状坯料40如上所述在与模表面66配合之前扩张以与其截面周边一致，管状坯料可以扩张至模腔的角上而不用在坯料40外部金属材料表面与上、下模表面56和66摩擦配合时移动坯料的金属材料。结果，至模腔60角上的扩张更容易实现，而且可以获得较光滑的最终产物。
在管状坯料40液压成形扩张的过程中，流体F进行充足增压以径向向外扩张坯料使其与限定模腔60的模表面一致。最好使流体压力位于约2000和3500大气压之间，而坯料扩张成使液压成形的零件的截面积比坯料原料大10％或更多。另外，管状坯料的纵向相对的端部彼此纵向向内挤压以当其扩张时使管的壁厚得到补充，这在1994年9月28日递交的美国专利No.08/314,496中得以描述，在此做为参考。当坯料40受到增压并扩张时，上模装置12继续被迫向下以保持封闭的腔60的形状，例如由一液压的动力活塞，以抵抗由增压管件40而产生的向上的力。
在管件40液压成形后，上模装置12升起。由于液压成形的零件被迫与形成模腔60周边的模表面配合，零件可以与上模装置12的表面41和43形成一基本刚性的过盈配合。在此情况中，管40与上模装置12一起升起并必须从中抽出。为此，上述装置12设有一弹出装置80，如图1所示。弹出装置80装在上模装置12中一支架区内并以连续成形的方式形成模腔60的一部分。弹出装置80从其模装置12中的支撑位置可在垂直方向移动以有效弹出液压成形零件。弹出装置可以由一液压活塞移动。
同样，下模装置14可以设有一对弹出装置(未示出)，它们装在下模装置中以限定侧表面41的一部分，其中侧表面41限定模装置14中的开42。弹出装置起在完成一液压成形操作后零件挤在或固定在下模装置14的内部模表面上时弹出液压成形零件的作用。
应理解上述最佳实施例的详细描述和附图只是示例性的，本发明包括所有处于所描述的实施例和权利要求的宗旨和范围内的其他实施例。例如，尽管具体描述的实施例提供了三个分开的模装置共同形成模腔，可以理解在本发明范围内也可以使用四个或更多个模装置。
权利要求
1．一种液压成形模具组件，包括一第一可动模装置；一第二可动模装置；一固定的模装置；所述第一可动模装置、所述第二可动模装置以及所述固定模装置能一起限定一模腔，其中可以放置一金属管；其特征在于所述第一和第二可动模装置之间的相对运动封闭所述模腔；以及在所述模腔封闭后，所述第一可动模装置相对于所述固定模装置的运动逐渐减小所述模腔的横截面积，以在所述模腔中使所述金属管变形。
2．如权利要求1所述的液压成形模具组件，进一步包括构造和设置成可以向所述金属管内部提供增压流体以使所述金属管向外膨胀与限定所述腔的表面一致的液压成形注口部件。
3．如权利要求2所述的液压成形模具组件，其特征在于所述液压成形注口部件能在其之间相对运动以使所述液压成形注口部件在其之间纵向压缩所述金属管，以当管膨胀时使所述金属管的金属材料在纵向流动以补充管的壁厚。
4．如权利要求1所述的液压成形模具组件，其特征在于所述固定模装置容装在所述第二可动模装置中的一个开口内，而所述第一模装置移动与所述第二模装置配合以封闭所述模腔。
5．如权利要求4所述的液压成形模具组件，其特征在于所述第二可动模装置安装在多个可压缩的弹簧部件之上，所述第一可动模装置向下移动与所述第二模装置配合以封闭所述模腔，而且在配合后所述第一可动模装置的继续向下的运动使所述第二可动模装置与其一起抵抗所述弹簧部件的一偏置作用向下运动，以及所述第一可动模装置继续向下的运动与所述第二可动模装置向下的运动减小所述模腔的截面积，以使所述金属管件变形。
6．如权利要求5所述的液压成形模具组件，其特征在于所述可压缩的弹簧部件包括氮弹簧柱。
7．如权利要求5所述的液压成形模具组件，进一步包括安装在所述第二可动模装置之上并构造和设置成可以在所述金属管相对纵向端部与其下部配合的一对相对的下夹紧装置，其特征在于在所述第一可动模装置向下移动与所述第二可动模装置配合之前所述下夹紧装置将所述金属管悬置在所述固定模装置之上。
8．如权利要求7所述的液压成形模具组件，其特征在于所述下夹紧装置由弹簧柱安装在所述第二可动模装置上以使所述下夹紧装置和所述第二可动模装置之间产生相对运动。
9．如权利要求7所述的液压成形模具组件，其特征在于所述下夹紧装置与所述金属管的相对纵向端部形成一过盈配合。
10．如权利要求8所述的液压成形模具组件，进一步包括安装在所述第一可动模装置之上并构造和设置成当所述第一可动模装置移动与所述第二模装置配合时可以与在相对纵向端部与所述金属管的上表面配合的一对相对的夹紧装置，所述安装在所述第一可动模装置上的相对的夹紧装置与所述安装在所述第二可动模装置上的所述下夹紧装置一起在相对端部夹住所述金属管的外表面。
11．一种液压成形模具组件，包括一第一模装置；一第二模装置；一第三模装置；所述第一、第二和第三模装置能共同限定其中可设有一金属管的模腔；所述第一模装置可移动以封闭所述模腔；其特征在于在所述模腔封闭后，所述第一和第二模装置可以移动以减小所述模腔的截面积而使所述模腔中的所述金属管变形。
12．如权利要求11所述的液压成形模具组件，其特征在于当所述第一模装置移动的封闭所述模腔时所述第二模装置保持静止。
13．如权利要求12所述的液压成形模具组件，其特征在于当所述第一和第二模装置移动以逐步减小所述模腔的截面积时所述第三模装置保持固定。
14．如权利要求11所述的液压成形模具组件，进一步包括构造和设置成可以向所述金属管内部提供增压流体以向外扩张所述金属管与限定所述腔的表面一致的液压成形注口部件。
15．如权利要求14所述的液压成形模具组件，其特征在于所述液压成形注口部件之间的相对运动纵向压缩在其之间的所述金属管以使当所述金属管扩张时使其金属材料在纵向流动以补充管件的壁厚。
16．如权利要求11所述的液压成形模具组件，其特征在于所述模装置容装在所述第二可动模装置的一开口中，而且所述第一模装置移动与所述第二模装置配合以封闭所述模腔。
17．如权利要求16所述的液压成形模具组件，其特征在于所述第二模装置安装在多个可压缩的弹簧部件上，所述第一模装置向下移动与所述第二模装置配合以便在所述配合之后所述第一可动模装置的连续向下的运动使所述第二模装置与其一起向下运动抵抗所述弹簧部件的偏置，而且所述第一模装置连续向下的运动和所述第二可动模装置向下的运动减小了所述模腔的截面积。
18．如权利要求17所述的液压成形模具组件，其特征在于所述可压缩的弹簧部件包括氮弹簧柱。
19．一种液压成形一金属管的方法，包括将金属管放入具有三个分开的模装置、且所述三个模装置共同限定一模腔的一液压成形模具组件中；移动所述模装置中的第一个以封闭所述模腔；接着移动所述模装置中的第一个和第二个以减小所述模腔的截面积；以及随着减小所述模腔的截面积而使所述金属管变形。
20．如权利要求19所述的方法，进一步包括在使所述金属管变形之前向所述金属管内部提供增压流体以在金属管变形时向其提供内部支撑。
21．一种液压成形模具组件，包括一下模组件，限定一下模腔部，在基中可以放置一金属管，所述下模组件提供限定所述下模腔部相对侧的侧壁以及限定所述下模腔部下表面的一下壁；一上可动模装置，具有密封表面，可以移动以与所述下模组件在所述下模腔部的相对侧上配合，以封闭所述下模腔部并从而提供一封闭的模腔；所述下模组件与所述上模装置可以共同减小所述封闭模腔的尺寸以在所述模腔封闭后使所述金属管变形。
全文摘要
一种模具组件,具有可以共同限定一可在其中放置一金属管状坯料的模腔的模装置。一第一模装置可以移动以封闭模腔,在模腔封闭后,第一和第二模装置可以移动以减小模腔的截面积并从而使处于模腔中的金属管状坯料变形。
文档编号B21D26/02GK1233983SQ97199113
公开日1999年11月3日 申请日期1997年8月21日 优先权日1996年8月26日
发明者弗兰克·A·霍顿, 安德烈斯·G·詹森, 詹姆斯·M·克罗斯 申请人:科西马国际公司