本發(fā)明涉及金屬薄壁管件環(huán)向截面形狀和壁厚控制，具體涉及一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、管材熱態(tài)氣壓成形工藝是一種高效的金屬加工技術(shù)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬薄壁復(fù)雜異形截面管件的成形。在航空航天、汽車等制造領(lǐng)域，利用管材熱態(tài)氣壓成形工藝能夠生產(chǎn)出輕質(zhì)、高強(qiáng)度且具有復(fù)雜截面特征的零部件。例如，航空領(lǐng)域中飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身和尾翼部分采用大尺寸復(fù)雜異形截面薄壁管件時(shí)可以減輕重量同時(shí)可保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車的底盤、車身結(jié)構(gòu)件等部件，需要進(jìn)一步輕量化和提高強(qiáng)度，以提升汽車的動(dòng)力性能和安全性。因此，管材熱態(tài)氣壓成形工藝在航空航天和汽車工業(yè)的大尺寸復(fù)雜異形截面薄壁零部件的成形中具有突出優(yōu)勢(shì)。

2、大尺寸薄壁復(fù)雜異形截面管件在熱氣壓成形前，放置到熱氣壓成形模具中的管坯往往經(jīng)過(guò)彎曲、壓扁、預(yù)成型等多個(gè)前序工序的處理。在熱氣壓成形開始時(shí)，管坯軸向不同位置處的截面外輪廓要小于模具型腔中對(duì)應(yīng)位置的截面輪廓，且各位置處管坯截面形狀與模具型腔中對(duì)應(yīng)位置處截面形狀的差異程度各不相同。管件熱氣壓成形過(guò)程本質(zhì)上是管坯截面逼近對(duì)應(yīng)模具型腔截面的過(guò)程，該過(guò)程直接決定了熱氣壓成形后管件各處的質(zhì)量貼模程度、壁厚分布等。因此，需要對(duì)原始管坯進(jìn)行合理的預(yù)成形以實(shí)現(xiàn)預(yù)制坯截面形狀與對(duì)應(yīng)模腔截面形成良好的匹配關(guān)系。

3、此外在熱態(tài)下，因?yàn)椴牧系那?qiáng)度較低，其傳遞載荷的能力也被削弱，所以管坯相鄰區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)大的載荷傳遞受拉減薄、受壓起皺。當(dāng)管坯的直徑較大時(shí)，管坯環(huán)向上各處的變形相互不影響，管坯雖然是封閉結(jié)構(gòu)，但已無(wú)法傳遞環(huán)向應(yīng)力，管坯的變形在某種程度上變?yōu)榘迮髯冃?。即?dāng)管坯上某一區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)存有較多材料時(shí)，則在貼合模具內(nèi)壁后容易形成無(wú)法展平的褶皺，而當(dāng)管坯上某一區(qū)域內(nèi)存儲(chǔ)的材料較少時(shí)，則容易因材料過(guò)度減薄而出現(xiàn)開裂。由于管坯在熱態(tài)下無(wú)法通過(guò)相鄰區(qū)域內(nèi)材料的相互載荷傳遞實(shí)現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移，因此很容易因初始管坯上各處的材料分配不合理而出現(xiàn)嚴(yán)重的局部褶皺和局部減薄缺陷。

4、為了解決大尺寸長(zhǎng)度方向和直徑方向薄壁管件快速熱氣壓成形時(shí)，預(yù)制坯形狀與模腔匹配難度高及管坯在熱態(tài)下相鄰區(qū)域材料難以相互轉(zhuǎn)移、容易出現(xiàn)嚴(yán)重的局部褶皺和局部減薄缺陷的問(wèn)題，需要一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制裝置及方法，為實(shí)現(xiàn)預(yù)制坯形狀與對(duì)應(yīng)模腔截面形成良好匹配及解決熱態(tài)下管坯相鄰區(qū)域材料因轉(zhuǎn)移困難導(dǎo)致的局部褶皺和局部減薄缺陷的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制裝置，包括管坯環(huán)向截面控制裝置和控制材料環(huán)向流動(dòng)的終成形模具實(shí)現(xiàn)局部沖壓；

3、所述管坯環(huán)向截面控制裝置控制截面形狀，其包括升降組件、橫移組件、內(nèi)擠壓組件、外擠壓組件和限位鎖緊組件；目標(biāo)管材通過(guò)限位鎖緊組件固定，內(nèi)擠壓組件和外擠壓組件通過(guò)升降組件和橫移組件移動(dòng)至待沖壓位置，進(jìn)行沖壓；

4、所述終成形模具用于控制壁厚，其形狀與目標(biāo)沖壓形狀隨形，其上設(shè)置冷卻水道30，用于實(shí)現(xiàn)熱氣壓成形過(guò)程中局部迅速降溫。

5、所述升降組件包括豎直操作圓盤1、升降螺桿2、主支撐板3、圓塊4、定位桿5和阻擋環(huán)6；升降螺桿2一端連接豎直操作圓盤1，另一端過(guò)主支撐板3后接觸圓塊4；圓塊4固定于機(jī)構(gòu)支撐底板28上；主支撐板3兩端分別穿過(guò)一定位桿5；定位桿5一端固定于機(jī)構(gòu)支撐底板28上，定位桿5另一端安裝阻擋環(huán)6；操縱豎直操作圓盤1使升降螺桿2旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)主支撐板3升降。

6、所述橫移組件包括水平操作圓盤7、橫移螺桿8、水平移動(dòng)支撐架9、保護(hù)環(huán)10；橫移螺桿8一端連接水平操作圓盤7，另一端過(guò)水平移動(dòng)支撐架9后連接保護(hù)環(huán)10；所述水平移動(dòng)支撐架9為倒l形，其頂端面安裝外擠壓組件；操縱水平操作圓盤7帶動(dòng)橫移螺桿8旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)水平移動(dòng)支撐架9橫向移動(dòng)，保護(hù)環(huán)10用于限位以及保證橫移螺桿8旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

7、所述的外擠壓組件包括豎直液壓缸19、外壓球20；豎直液壓缸19帶動(dòng)外壓球20做升降運(yùn)動(dòng)。

8、所述內(nèi)擠壓組件包括水平液壓缸11、梯形塊12、內(nèi)壓球支撐板13、內(nèi)擠壓固定框架14、滑槽15、滑桿16、滑塊17和內(nèi)壓球18；內(nèi)擠壓固定框架14一端兩側(cè)上設(shè)有滑槽15，另一端內(nèi)安裝水平液壓缸11；水平液壓缸11一端連接梯形塊12一側(cè)，梯形塊12另一側(cè)接觸內(nèi)壓球支撐板13；內(nèi)壓球支撐板13兩端連接滑塊17，滑桿16固定于滑槽15內(nèi)，滑塊17于滑桿16上移動(dòng)；內(nèi)壓球支撐板13上固定18；水平液壓缸11推動(dòng)梯形塊12水平移動(dòng)，內(nèi)壓球支撐板13在梯形塊12的推動(dòng)下進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)內(nèi)壓球18進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。

9、所述限位鎖緊組件包括局部連接架21、橫向連接板22、上壓緊環(huán)23、下支撐環(huán)24、穩(wěn)定環(huán)25、穩(wěn)定桿26；局部連接架21固定于升降組件的主支撐板3上；局部連接架21固連橫向連接板22一端，橫向連接板22另一端固連上壓緊環(huán)23；下支撐環(huán)24固定于機(jī)構(gòu)支撐底板28上；局部連接架21帶動(dòng)橫向連接板22上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)上壓緊環(huán)23上下運(yùn)動(dòng)；上壓緊環(huán)23與下支撐環(huán)24共同作用對(duì)管坯實(shí)現(xiàn)限位鎖緊；穩(wěn)定環(huán)25固定在上壓緊環(huán)23上，穩(wěn)定桿26固定在機(jī)構(gòu)支撐底板上；穩(wěn)定環(huán)25和穩(wěn)定桿26控制上壓緊環(huán)23上下運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，防止偏移。

10、所述管坯環(huán)向截面控制裝置還包括控溫組件；所述控溫組件為感應(yīng)線圈27。

11、一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制方法，通過(guò)大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制裝置實(shí)現(xiàn)，具體包括以下步驟：

12、步驟一、對(duì)目標(biāo)管材進(jìn)行截面分析，確定管坯局部變形的位置和形狀；通過(guò)對(duì)管材的截面分析，設(shè)計(jì)內(nèi)壓球18和外壓球20的形狀和大小，確定水平液壓缸11和豎直液壓缸19的尺寸和進(jìn)給量；

13、步驟二、設(shè)計(jì)上壓緊環(huán)23和下支撐環(huán)24；根據(jù)管坯兩端的截面形狀，設(shè)計(jì)上壓緊環(huán)23和下支撐環(huán)24的夾持凹槽，確保上壓緊環(huán)23和下支撐環(huán)24在閉合時(shí)對(duì)管坯的有效鎖緊；

14、步驟三、終成形模具水路的設(shè)計(jì)；根據(jù)熱力學(xué)仿真計(jì)算，在終成形模具型腔局部凸起圓角區(qū)倆側(cè)邊緣處設(shè)置冷卻水道30，使得管坯能夠在終成形過(guò)程局部降溫；

15、步驟四、管坯的裝配；將管坯放到下支撐環(huán)24上，操縱豎直操作圓盤1使上壓緊環(huán)23對(duì)管坯進(jìn)行鎖緊；操縱水平操作圓盤7，將水平液壓缸移動(dòng)到管材需要局部變形的部位；

16、步驟五、管坯的局部沖壓；待管坯升溫到設(shè)定溫度后，感應(yīng)線圈27斷電；啟動(dòng)水平液壓缸11和豎直液壓缸19，分別推動(dòng)內(nèi)壓球18和外壓球20對(duì)管坯進(jìn)行局部沖壓；

17、步驟六、取出成形管坯；退回水平液壓缸11和豎直液壓缸19，操縱豎直操作圓盤1使上壓緊環(huán)23上升，取出成形后的管材；

18、步驟七、管坯轉(zhuǎn)移到終成形模具，在冷卻水道30中通入冷卻水，在終成形過(guò)程中對(duì)管坯進(jìn)行局部降溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管坯壁厚的控制。

19、所述步驟四與步驟五之間，增設(shè)以下步驟：管坯加熱；感應(yīng)線圈通電27，監(jiān)測(cè)管坯的溫度變化。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、一、本發(fā)明提出的一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制方法，使管材截面變化更加靈活與多樣化。本發(fā)明通過(guò)內(nèi)壓球和外壓球的協(xié)同作用，使得管坯截面同時(shí)產(chǎn)生局部凸起和局部凹陷特征，如需要其它截面形狀只需改變壓球的形狀即可，允許管坯在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更加靈活和多樣化的截面設(shè)計(jì)，能夠滿足特定應(yīng)用的定制化需求，因此可以顯著提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

22、二、本發(fā)明提出的一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制方法，適用于大尺寸復(fù)雜截面形狀管坯的加工。針對(duì)特定形狀和直徑的管坯，只需改變上壓緊環(huán)和下壓緊環(huán)夾持凹槽。通過(guò)提出的方法，可提高管坯加工過(guò)程中的穩(wěn)定性。

23、三、本發(fā)明提出的一種大尺寸薄壁管件熱氣壓成形管件截面形狀和壁厚控制方法，可以使成形后的管件截面壁厚分布更加均勻。通過(guò)對(duì)終成形模具的冷卻水道進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使得管坯特定位置在熱氣壓成形時(shí)的局部迅速降溫，提高管坯特定位置材料的流動(dòng)性來(lái)協(xié)調(diào)其相鄰區(qū)域材料的局部大變形小圓角充填，從而有效防止管坯的局部減薄開裂現(xiàn)象。