本发明涉及材料成型领域，尤其涉及一种热塑性异形管材的成型装置及成型方法。
背景技术：
高性能热塑性塑料管具有耐高温、耐化学溶剂、耐低温、耐辐照、抗老化、机械性能高等优点，在航空、航天和核工业等领域广泛应用，可以替代铝合金管材达到结构减重的目的，如油路系统管材、液冷系统管材、蒸汽系统管材等。但上述管材系统在机器或设备中进行组装过程中常遇到异形结构等问题，而且往往有时需要现场进行异形管材成型并装配。
现有技术中，高性能热塑性异形管材成型一般是采用注塑成型，即将熔融的原料通过加压、注入、冷却、脱离等操作制作一定形状的异形管材，因此，需要首先将原料熔融，且不同异形结构需要不同模具，故工艺成本过高，也存在脱模困难的问题，无法满足现场成型并装配的需求。由于模具的结构是固定，因此，获得的异形结构也是固定的，无法满足不同结构热塑性异形管材的需求，具有应用的局限性。此外，传统的弯曲成型方法也不适用于机械性能高的高性能热塑性异形管材成型，容易产生定型后回弹的现象，而且该方法还存在弯曲位置发生凹陷、褶皱、折断、严重失圆等问题。
因此，现在需要一种成型装置，能实现对高性能热塑性管材进行现场快速弯曲成型，并满足不同结构热塑性异形管材的需求，并避免出现褶皱、凹陷、折断、失圆，以及定型后回弹的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种热塑性异形管材的成型装置及成型方法，本发明提供的热塑性异形管材的成型装置，能实现精确控制弯曲弧度的同时，可以根据不同结构热塑性异形管材需求现场快速成型，避免出现褶皱、凹陷、折断、失圆和定型后回弹的问题，成型效率高且成本低，能实现现场成型并装配。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种热塑性异形管材的成型装置，包括支撑底板1、至少两个限位块2、成型块3和挤压调节装置4；
所述支撑底板1为水平方向呈“t”形的平板；
所述限位块2可拆卸地设置于所述支撑底板1的“t”形中“—”部的两端，且可相对于支撑底板1的竖直方向轴向旋转；所述限位块2的一个侧面设置有弧形凹槽5；
所述成型块3可拆卸地设置于所述“t”形中的“|”部上，且可在所述“|”部的平面上垂直于“—”部的方向双向滑动；所述成型块3具有弧形侧面，所述弧形侧面与“t”形中“—”部相对设置，所述弧形侧面上设置有弧形凹槽6；
所述挤压调节装置4设置于所述“t”形中的“|”部的端头，与所述成型块3连接，控制成型块3的滑动；
所述热塑性异形管材的成型装置的组成材料包括铁、不锈钢和碳钢中的一种或多种。
优选地，所述支撑底板1设置有限位孔7；所述限位孔7用来可拆卸地安装所述限位块2。
优选地，所述挤压调节装置4上有刻度线，且每推进一个刻度线对应所述待弯曲的管材的弯曲形状的弧度增大0.5～1.5rad。
优选地，所述弧形凹槽5的弧度和直径与待弯曲成型的管材的直径相匹配。
本发明还提供了一种热塑性异形管材的成型方法，包括以下步骤：
(1)将金属弹簧作为内部支撑材料，放置于热塑性管材的内部，得到待弯曲热塑性管材；
(2)将所述步骤(1)中的待弯曲热塑性管材组装到上述技术方案中所述的成型装置中，加热至变形温度进行弯曲，得到变形的热塑性管材；
(3)将所述步骤(2)中的变形的热塑性管材冷却，拆卸成型装置，抽出内部支撑材料，得到热塑性异形管材。
优选地，所述步骤(1)中金属弹簧与热塑性管材之间的间隙为0.05～1mm。
优选地，所述步骤(2)中加热为程序升温，所述程序升温的速率为5～30℃/min。
优选地，所述步骤(2)中变形温度为150～330℃。
优选地，所述步骤(1)中热塑性管材为结晶型高性能热塑性材料时，所述步骤(3)中冷却的方式为：3～8℃/min的速率降温至所述结晶型高性能热塑性材料的玻璃化转变温度；所述步骤(1)中热塑性管材为非晶型高性能热塑性材料时，所述步骤(3)中冷却的方式为：10～55℃/min的速率降温至室温。
优选地，所述金属弹簧包括碳钢弹簧、合金钢弹簧、铜合金弹簧和镍合金弹簧中的一种。
本发明提供了一种热塑性异形管材的成型装置，包括支撑底板、至少两个限位块、成型块和挤压调节装置，所述支撑底板1为水平方向呈“t”形的平板；
所述限位块2可拆卸地设置于所述支撑底1的“t”形中“—”部的两端，且相对于支撑底板1的竖直方向轴向旋转；所述限位块2的一个侧面设置有弧形凹槽5；
所述成型块3可拆卸地设置于所述“t”形中的“|”部上，且可在所述“|”部的平面上垂直于“—”部的方向双向滑动；所述成型块3具有弧形侧面，所述弧形侧面与“t”形中“—”部相对设置，所述弧形侧面上设置有弧形凹槽6；
所述挤压调节装置4设置于所述“t”形中的“|”部的端头，与所述成型块3连接，控制成型块3的滑动；
所述热塑性异形管材的成型装置的组成材料包括铁、不锈钢和碳钢中的一种或多种。
本发明利用设置在支撑底板的“t”形中“—”部的两端的限位块的弧形凹槽和“|”部上成型块的弧形凹槽固定待弯曲的热塑性管材，加热后，利用挤压调节装置控制成型块的滑动，以实现待弯曲的热塑性管材的精确弯曲，冷却后拆卸成型装置，避免定型后回弹，实现了现场快速成型的目的，且本申请提供的成型装置中的限位块和成型块均可拆卸替换，限位块可相对于支撑底板的竖直方向轴向旋转，成型装置的各部件由耐高温、机械强度高的铁、不锈钢和碳钢中的一种或多种材料组成，适用于机械性能高的高性能热塑性管材的异形成型，同时能够满足不同结构热塑性异形管材的需求，限位块的弧形凹槽和成型块的弧形凹槽使管材在挤压弯曲过程中受力均匀，避免出现褶皱、凹陷、折断、失圆的问题，成型效率高且成本低，能实现现场成型并装配。实施例的结果显示，利用本申请提供的成型装置，能够现场快速成型，获得了不同结构的高性能热塑性异形管材，且获得的异形管材的弯曲弧度精确可控，管壁光滑，没有出现褶皱、凹陷、折断、失圆的问题，与目标形状一致，抽出弹簧后管材回弹仅1～2°。
附图说明
图1为本发明实施例中热塑性异形管材的成型装置的结构示意图，其中1为支撑底板，2为限位块，3为成型块，4为挤压调节装置，5为限位块上的弧形凹槽，6为成型块上的弧形凹槽，7为限位孔；
图2为本发明实施例中不同弧度和直径的成型块的结构示意图；
图3为本发明实施例1得到的热塑性异形管材图；
图4为本发明实施例2得到的热塑性异形管材图；
图5为本发明实施例中使用的金属弹簧结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种热塑性异形管材的成型装置，包括支撑底板1、至少两个限位块2、成型块3和挤压调节装置4；所述支撑底板1为水平方向呈“t”形的平板；所述限位块2可拆卸地设置于所述支撑底板1的“t”形中“—”部的两端，且可相对于支撑底板1的竖直方向轴向旋转；所述限位块2的一个侧面设置有弧形凹槽5；所述成型块3可拆卸地设置于所述“t”形中的“|”部上，且可在所述“|”部的平面上垂直于“—”部的方向双向滑动；所述成型块3具有弧形侧面，所述弧形侧面与“t”形中“—”部相对设置，所述弧形侧面上设置有弧形凹槽6；所述挤压调节装置4设置于所述“t”形中的“|”部的端头，与所述成型块3连接，控制成型块3的滑动；所述热塑性异形管材的成型装置的组成材料包括铁、不锈钢和碳钢中的一种或多种。
如图1所示，在本发明的实施例中，所述热塑性异形管材的成型装置包括支撑底板1。在本发明中，所述支撑底板为水平方向呈“t”形的平板。本发明对所述支撑底板的尺寸没有特殊的限定，根据使用需求进行调节即可。在本发明中，所述支撑底板起底部支撑作用，且支撑底板联合限位块和成型块一起作用，实现固定待弯曲的热塑性管材的目的。
如图1所示，在本发明的实施例中，所述热塑性异形管材的成型装置包括至少两个限位块2。在本发明中，所述限位块2可拆卸地设置于所述支撑底板1的“t”形中“—”部的两端，且可相对于支撑底板1的竖直方向轴向旋转；所述限位块2的一个侧面设置有弧形凹槽5。在使用过程中，所述弧形凹槽5与待弯曲成型的管材接触，所述限位块2随管材的弯曲过程旋转。在本发明中，所述限位块2侧面设置的弧形凹槽5用于固定待弯曲的热塑性管材。在本发明中，通过调节所述限位块2在支撑底板1的“t”形中“—”部的两端的位置，以及限位块2的旋转角度，以实现精确控制不同的弯曲弧度的目的，并满足不同结构热塑性异形管材的需求。
在本发明的一个实施例中，所述弧形凹槽5的弧度和直径与待弯曲成型的管材的直径相匹配。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述支撑底板1上设置有限位孔7；所述限位孔7用来可拆卸地安装所述限位块2。本发明对所述限位块2的安装方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的可拆卸安装的技术方案即可。在本发明的实施例中，所述限位块2通过螺栓固定于所述支持底板上。
如图1所示，在本发明的实施例中，所述热塑性异形管材的成型装置包括所述成型块3。在本发明中，所述成型块3可拆卸地设置于所述“t”形中的“|”部上，且可在所述“|”部的平面上垂直于“—”部的方向双向滑动；所述成型块3具有弧形侧面，所述弧形侧面与“t”形中“—”部相对设置，所述弧形侧面上设置有弧形凹槽6。
本发明对所述成型块3与所述“t”形中的“|”部的连接方式没有特殊的限定，能实现所述成型块3可在所述“|”部的平面上垂直于“—”部的方向双向滑动即可。在本发明中，所述成型块3与所述“t”形中的“|”部的连接方式优选为通过滚动珠、螺纹连接或打孔快插结构连接。
在本发明的实施例中，所述弧形凹槽6的弧度和直径与待弯曲成型的管材的直径相匹配。在本发明中，所述弧形凹槽6协同弧形凹槽5用于固定待弯曲的热塑性管材，并能使管材在挤压弯曲过程中受力均匀，避免出现褶皱、凹陷、折断、失圆的问题，提高成型效率。
在本发明的实施例中，所述成型块3的弧形侧面的弧度与目标异形管材的弯曲形状的最大弧度相匹配。在本发明中，通过调节所述成型块3的弧形侧面的弧度，以及垂直于“—”部的方向双向滑动的位置，以实现精确控制不同的弯曲弧度的目的，满足不同结构热塑性异形管材的需求。
如图1所示，在本发明的实施例中，所述热塑性异形管材的成型装置包括所述挤压调节装置4。在本发明中，所述挤压调节装置4设置于所述“t”形中的“|”部的端头，与所述成型块3连接，控制成型块3的滑动。本发明对所述挤压调节装置4与成型块3的连接方式没有特殊的限定，能保证利用挤压调节装置4精确控制成型块3的滑动距离即可。在本发明中，所述挤压调节装置4与成型块3的连接方式优选为滚动珠连接。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述挤压调节装置4上有刻度线，每推进一个刻度线对应所述待弯曲的管材的弯曲形状的弧度增大0.5～1.5rad。在本发明中，利用热塑性异形管材的成型装置固定待弯曲的热塑性管材后加热，然后调节所述挤压调节装置4上的刻度线，每朝支撑底板1的“—”部端推进一个刻度线，可推动成型块向支撑底板1的“—”部端滑动，以挤压待弯曲的管材，使所述待弯曲的管材的弯曲形状的弧度增大0.5～1.5rad，从而最终通过精确控制成型块3的滑动距离，实现待弯曲的热塑性管材的精确弯曲。
在本发明中，所述热塑性异形管材的成型装置的材质包括铁、不锈钢和碳钢中的一种或多种。本发明将热塑性异形管材的成型装置的组成材料限定在上述范围内，有利于提高成型装置的耐高温和机械性能，从而有利于成型装置适用于机械性能高的高性能热塑性管材的异形成型。
本发明提供的热塑性异形管材的成型装置，能实现精确控制弯曲弧度的同时，可以根据不同结构热塑性异形管材需求现场快速成型，避免出现褶皱、凹陷、折断、失圆和定型后回弹的问题，成型效率高且成本低，能实现现场成型并装配。
本发明还提供了一种热塑性异形管材的成型方法，包括以下步骤：
(1)将金属弹簧作为内部支撑材料，放置于热塑性管材的内部，得到待弯曲热塑性管材；
(2)将所述步骤(1)中的待弯曲热塑性管材组装到上述技术方案中所述的成型装置中，加热至变形温度进行弯曲，得到变形的热塑性管材；
(3)将所述步骤(2)中的变形的热塑性管材冷却，拆卸成型装置，抽出内部支撑材料，得到热塑性异形管材。
本发明将金属弹簧作为内部支撑材料，放置于热塑性管材的内部，得到待弯曲热塑性管材。在本发明中，所述金属弹簧优选包括碳钢弹簧、合金钢弹簧、铜合金弹簧和镍合金弹簧中的一种。本发明将金属弹簧的种类限定在上述范围内，有利于保证金属弹簧的耐高温和机械性能，从而有利于加热条件起到更好的支撑作用，适用于作为机械性能高的高性能热塑性管材的内部支撑材料。本发明对所述金属弹簧的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述金属弹簧的节距优选为0.5～2mm，更优选为1mm；所述金属弹簧的弹簧丝的直径优选为0.5～2mm，更优选为1mm。本发明将金属弹簧的节距和弹簧丝的直径限定在上述范围内，有利于提高金属弹簧的弹性，从而有利于加热条件起到更好的支撑作用，适用于作为机械性能高的高性能热塑性管材的内部支撑材料。本发明对所述金属弹簧的外径没有特殊的限定，能保证金属弹簧的外径小于待弯曲热塑性管材的内径，且将金属弹簧放置于热塑性管材的内部后，在弯曲过程中能起到有效的支撑作用即可。
本发明对所述热塑性管材的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热塑性管材即可。在本发明中，所述热塑性管材优选为结晶型高性能热塑性材料或非晶型高性能热塑性材料；所述结晶型高性能热塑性材优选为聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚醚酮酮或聚苯硫醚；所述非晶型高性能热塑性材料优选为聚醚酰亚胺或聚亚苯基砜。本发明对所述热塑性管材的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述金属弹簧与热塑性管材之间的间隙优选为0.05～1mm，更优选为0.1～0.8mm。本发明将金属弹簧与热塑性管材之间的间隙限定在上述范围内，避免间隙过低，导致弹簧不易取出，同时避免过高而造成无法起到有效的支撑的作用，从而避免异形管材成型的过程中出现褶皱、凹陷、折断、失圆的现象，从而有利于保证管材整体的结构性能不损失。
得到待弯曲热塑性管材后，本发明将所述待弯曲热塑性管材组装到上述技术方案中所述的成型装置中，加热至变形温度进行弯曲，得到变形的热塑性管材。本发明对所述组装的操作没有特殊的限定，能实现利用限位块的弧形凹槽和成型块的弧形凹槽固定待弯曲的热塑性管材目的即可。
本发明对所述加热的装置没有特殊的限定，能实现加热待弯曲热塑性管材即可。在本发明中，所述加热优选为程序升温；所述程序升温的速率优选为5～30℃/min，更优选为10～20℃/min。本发明将加热的方式和程序升温的速率限定在上述范围内，有利于使成型装置和待弯曲的热塑性管材同时升温到变形温度，并避免管材局部受热不均，以防止在后续弯曲过程中出现管材褶皱、凹陷、折断、失圆的现象，有利于弯曲定型的现场操作，也避免了对整体管材进行反复加热导致材料的性能下降的情况。
在本发明中，所述变形温度优选为150～330℃，更优选为200～300℃。本发明将变形温度限定在上述范围内，有利于实现弯曲成型的同时，避免变形温度过高而造成管材材料的性能下降的情况。在本发明的实施例中，所述变形温度根据管材的性能在上述范围内调整选择，变形温度高于待弯曲的热塑性管材的玻璃化转变温度50～100℃。
本发明优选在加热至变形温度后进行保温；所述保温的时间优选为5～15min，更优选为10min。本发明将保温的时间限定在上述范围内，有利于保持成型装置和待弯曲的热塑性管材的温度同时在变形温度范围内。
在本发明中，所述弯曲优选为每隔3～10min调节进给挤压调节装置4上的刻度线的一个刻度；所述间隔的时间更优选为每隔5～8min。本发明将调节刻度的间隔时间限定在上述范围内，有利于缓慢成型，避免异形管材成型的过程中出现褶皱、凹陷、折断、失圆的现象，从而有利于保证管材整体的结构性能不损失。
得到变形的热塑性管材后，本发明将所述变形的热塑性管材冷却，拆卸成型装置，抽出内部支撑材料，得到热塑性异形管材。
在本发明中，所述热塑性管材为结晶型高性能热塑性材料时，所述冷却的方式优选为：3～8℃/min的速率降温至所述结晶型高性能热塑性材料的玻璃化转变温度；所述降温的速率更优选为5℃/min。在本发明中，所述热塑性管材为结晶型高性能热塑性材料时，所述冷却的过程涉及到材料中的结晶链段重排的过程。本发明将结晶型高性能热塑性材料的降温速率限定在上述范围内，有利于得到更高强度的结晶型高性能热塑性异形管材材料，避免降温速率过低而导致成型时间过长，同时避免冷却速率过高而不利于结晶链段形成有利的重排，从而防止降低得到的结晶型高性能热塑性异形管材材料的力学强度，也同时避免定型后回弹的问题。本发明限定冷却降温至所述结晶型高性能热塑性材料的玻璃化转变温度，避免得到的结晶型高性能热塑性异形管材在使用过程中应力释放，从而防止管材产生一定的变形或者力学强度的下降。
在本发明中，所述热塑性管材为非晶型高性能热塑性材料时，所述冷却的方式优选为：10～55℃/min的速率降温至室温；所述降温的速率更优选为40～50℃/min。本发明将非晶型高性能热塑性材料的降温速率限定在上述范围内，有利于快速冷却成型，避免定型后回弹的问题。
本发明对所述拆卸成型装置的方式没有特殊的限定，能实现拆卸的目的即可。在本发明中，所述抽出内部支撑材料的方式优选为旋转抽出。
本发明提供的热塑性异形管材的成型方法，利用金属弹簧作为热塑性管材的内部支撑材料(即穿心)，将热塑性管材组装到热塑性异形管材的成型装置上，然后同时加热热塑性管材和成型装置，再利用成型装置控制热塑性管材的弯曲角度，实现精确控制弯曲弧度的同时，有效的减少弯曲变形、管壁的褶皱、凹陷、折断、失圆以及弯曲之后的应力积累，而且本申请提供的成型方法能够避免热塑性管材整体的结构性能的损失，成型方法简单，可以根据不同结构热塑性异形管材的需求现场快速成型，成型效率高且成本低，实现了现场成型并装配的目的，采用具有耐高温性能的金属弹簧，实现在加热弯曲过程中仍可起到支撑的作用，而且易于抽芯，同时避免了传统水溶芯的后处理中造成的环境污染、工艺复杂的问题。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
如图1所示，热塑性异形管材的成型装置，包括支撑底板1、至少两个限位块2、成型块3和挤压调节装置4；
所述支撑底板1为水平方向呈“t”形的平板；
所述限位块2可拆卸地设置于所述支撑底板1的“t”形中“—”部的两端，且相对于支撑底板1的竖直方向轴向旋转；所述限位块2的一个侧面设置有弧形凹槽5；
所述成型块3可拆卸地设置于所述“t”形中的“|”部上，且可在所述“|”部的平面上垂直于“—”部的方向双向滑动；所述成型块3具有弧形侧面，所述弧形侧面与“t”形中“—”部相对设置，所述弧形侧面上设置有弧形凹槽6；
所述挤压调节装置4设置于所述“t”形中的“|”部的端头，与所述成型块3连接，控制成型块3的滑动；
其中，限位块2的弧形凹槽5的弧度为3.2rad，直径为32mm；成型块3的弧形凹槽6的弧度为3.2rad，直径为32mm；成型块3的的弧形侧面的弧度为2.58rad，直径为160mm；所述热塑性异形管材的成型装置的组成材料均为不锈钢。
应用例1
首先用清洗剂浸润脱脂布，擦拭实施例1的成型装置，保证实施例1的成型装置与管材接触面无污染、杂质。
热塑性异形管材的成型方法，包括以下步骤：
(1)将外径29.9mm、节距为1mm、弹簧丝直径1mm的合金钢弹簧作为内部支撑材料，放置于管外径为32mm、壁厚为1.0mm、管长为800mm的聚醚醚酮塑料管的内部，得到待弯曲热塑性管材；
(2)将所述步骤(1)中的待弯曲热塑性管材组装到实施例1的成型装置中，按20℃/min的速率程序升温至变形温度280℃，保温10min后，每隔5min调节挤压装置进给一个刻度直至达到弧度为2.58rad、直径为160mm的目标异形管材的弯曲形状，得到变形的热塑性管材；
(3)将所述步骤(2)中的变形的热塑性管材以5℃/min的速率冷却至100℃，拆卸成型装置，抽出内部支撑材料，得到热塑性异形管材，且得到热塑性异形管材与目标形状一致，抽出弹簧后管材回弹1～2°。
实施例2
与实施例1的成型装置的区别在于：限位块2的弧形凹槽5的弧度为3.2rad，直径为32mm；成型块3的弧形凹槽6的弧度为3.2rad，直径为32mm；成型块3的弧形侧面的弧度为2.27rad，直径为200mm。
应用例2
首先用清洗剂浸润脱脂布，擦拭实施例2的成型装置，保证实施例2的成型装置与管材接触面无污染、杂质。
热塑性异形管材的成型方法，包括以下步骤：
(1)将外径29.9mm、节距为1mm、弹簧丝直径1mm的合金钢弹簧作为内部支撑材料，放置于管外径为32mm、壁厚为1.0mm、管长为500mm的聚亚苯基砜塑料管的内部，得到待弯曲热塑性管材；
(2)将所述步骤(1)中的待弯曲热塑性管材组装到实施例1的成型装置中，按20℃/min的速率程序升温至变形温度250℃，保温10min后，每隔5min调节挤压装置给进一个刻度直至达到弧度为2.27rad、直径为200mm的目标异形管材的弯曲形状，得到变形的热塑性管材；
(3)将所述步骤(2)中的变形的热塑性管材以50℃/min的速率冷却至室温，拆卸成型装置，抽出内部支撑材料，得到热塑性异形管材，且得到热塑性异形管材与目标形状一致，抽出弹簧后管材回弹1～2°。
由以上实施例和应用例可知，利用本发明提供的成型装置，并按照本发明提供的成型方法，能实现精确控制弯曲弧度的同时，避免出现褶皱、凹陷、折断、失圆的问题，成型方法简单，可以根据不同结构热塑性异形管材的需求现场快速成型，成型效率高且成本低，实现了现场成型并装配，采用具有耐高温性能的金属弹簧，实现在加热弯曲过程中仍可起到支撑的作用，而且易于抽芯，同时避免了传统水溶芯的后处理中造成的环境污染、工艺复杂的问题，最终得到的热塑性异形管材与目标形状一致，抽出弹簧后管材回弹1～2°。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。