一种变截面管件低压液压成型装置及其成型方法

1.本发明涉及管件成型制造技术领域，特别是涉及一种变截面管件低压液压成型装置及其成型方法。


背景技术：

2.汽车工业是中国国民经济的支柱产业，是我国实现“双碳”目标的中坚力量。汽车轻量化是实现汽车节省燃料和降低碳排放的重要途径。汽车轻量化的一个主要途径是结构上采用“以空代实”，即采用空心结构取代实心结构，从而充分利用材料的强度和刚度的同时又能减轻重量，节约材料，实现轻量化。内高压成型技术就是在这种趋势下发展起来的可批量制造此类空心结构管件的先进液压成型技术。内高压成型技术是利用流体压力作用于管坯内部，使管坯在内部流体压力的作用下贴覆模具型腔，由此制造出在轴线方向具有不同截面形状的管状零件。近年来，为了进一步实现汽车结构的轻量化，高强钢在汽车结构上的应用逐渐增加。由于内高压成型压力与构件的圆角半径成反比，与材料的屈服强度成正比，原始管坯屈服强度的提高必然导致采用单纯胀形成型构件需要的内压也相对较高，而工艺所需的设备合模力与构件成型压力和投影面积的乘积有关，因此内高压成型往往所需的设备吨位大，模具尺寸大，投资大。
3.低压液压成型技术是近年来发展起来的一种可以大幅降低变截面管件成型压力的液压成型技术。具体工作原理是通过使管件内部充满液体介质并增压至一定的支撑压力后，模具闭合进行管件压制，管件将在模具的机械压力和内部液体支撑压力的共同作用下发生变形，成为所需要的形状构件。低压液压成型，构件没有胀形过程，因此管件截面变化很小或无变化，特别适合大多数高强钢结构构件的形状特点，且与高压液压成型技术相比，低压液压成型工艺却可大幅度降低模具和设备的尺寸和成本。常规低压液压成型中，由于模具在对管件压制前，管件内部需要充满液体介质并增压至一定的支撑压力，因此此时管件两端必须完成密封。管件成型时，管件密封是随着模具的运动做相应的运动，例如专利文件cn111195673b公开的一种变截面异形管件的充液压制成型装置中，将管材对中放入整体凹模中，上模座和安装其上的凸模下行至与管材贴合；左密封油缸、右密封油缸带动左密封冲头、右密封冲头前进至管材填充位置，保证管端密封的随动性会导致模具结构复杂。另外单纯的单方向压制必然带来管件摩擦，而这会影响构件的表面质量。且常规低压液压成型工艺依然需要密封油缸，增压系统，这导致成本依然没有太大的优势，限制了低压液压成型的进一步应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种变截面管件低压液压成型装置及其成型方法，以解决上述现有技术存在的问题，使得管件密封与合模方向同向，管件支撑内压自动建立，无需密封油缸和增压系统，充分简化了整个装置结构，并降低了制作和管件成型制作的成本。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种变截面管件的低压液
压成型装置，包括动模组件、下密封座、驱动所述动模组件和下密封座合模的合模驱动机构，所述下密封座上开设有用于密实插接所述管件底端的环形密封槽，所述环形密封槽的内周侧开设有与所述管件内部相连通的流体通道，所述流体通道连通有提供低压液压介质的供给机构和稳压机构，所述动模组件包括上密封座、用于压制所述管件成型的压制部，所述上密封座沿合模方向连接在所述压制部远离所述下密封座的一侧，所述管件顶端穿过所述压制部并与所述上密封座相连接，所述上密封座开设有用于密实插接所述管件顶端的密封开槽，所述环形密封槽的外周侧壁和所述密封开槽的内周侧壁均与所述管件的外周侧壁之间设有密封组件，所述密封组件呈结构沿远离所述管件的方向逐渐变大的锥形结构。
6.优选的，所述密封组件包括分别设置在所述环形密封槽底端和所述密封开槽顶端的密封圈，且所述环形密封槽和所述密封开槽内还设有用于压制各所述密封圈的定位挡环。
7.优选的，所述密封圈为y形密封圈，所述y形密封圈的密封唇沿所述管件轴线方向背向所述管件的端部。
8.优选的，所述压制部包括上定位环和下定位环、位于所述上定位环和所述下定位环之间且呈分瓣结构的内模，所述内模包括若干沿所述管件周向间隔均布的分瓣，相邻两所述分瓣之间连接有支撑弹簧，所述上定位环和/或所述下定位环与所述内模之间设有供所述分瓣沿所述管件径向滑动的第一导向槽和第一导向键，所述内模的外周侧套设有驱动各所述分瓣沿所述管件轴心处移动的外模。
9.优选的，所述分瓣的外侧面呈由上至下沿所述管件外周侧倾斜的倾斜状结构，所述外模呈套设在所述内模外周侧的筒状结构，所述外模包括与所述分瓣的外侧面结构相适配的倾斜段、驱动所述分瓣滑动的限位段，所述限位段呈直筒状并位于所述倾斜段上方，且抵接在所述分瓣的外侧面上。
10.优选的，所述下定位环连接有套接在所述管件外周侧的导向套筒，所述外模的底端连接有与所述导向套筒同轴设置的环形定位挡板，所述环形定位挡板滑动套设在所述导向套筒的外周壁上，并带所述外模移动。
11.优选的，所述上定位环设有若干用于连接所述上密封座的支撑杆，各所述支撑杆环绕在所述管件的外周侧。
12.优选的，所述上密封座顶端抵接有用于抵消其受到的液体反力的氮气弹簧，所述氮气弹簧远离所述上密封座的一侧设有用于对其支撑的施力结构。
13.优选的，所述施力结构为筒状结构，所述施力结构套设在所述氮气弹簧和所述上密封座的外周侧，并与所述外模相连接。
14.还提供一种变截面管件低压液压成型装置的成型方法，包括如下步骤：
15.放置初始管坯：按设计要求，将下密封座固定在合模驱动机构上，将上密封座、模具、下密封座和导向套筒组装后，放置在相连接的施力结构和外模内侧，进而组成位于所述下密封座上方的动模组件，将动模组件整体放置合模驱动机构上，合模驱动机构带动模组件上行至设定高度；
16.连接初始管件和下密封座：将管件放入所述空间中，并将管件的底端插入下密封座中；
17.合模：将管件插入导向套筒和模具中，合模驱动机构带所述动模组件与所述下密
封座合模，带动上密封座与管坯接触，使得管件位于上密封座的密封圈下方；
18.介质填充、排气：将下密封座与供给机构和稳压机构相连，通过供给机构对管件进行介质填充，管件内的气体经密封圈与上密封座之间的缝隙处排出，同时完成排气工作；
19.稳定压力：合模驱动机构继续动模组件与下密封座合模，至上密封座完成管件顶端密封，管件内的介质被压缩，管件内腔体自行建立支撑压力，支撑压力大小达到设定值后，由稳压机构稳定介质压力；
20.加载压制：合模驱动结构带所述动模部分继续下行，各分瓣沿管件径向同步动作，对管件进行加载压制，管件在分瓣机械压力与内腔体介质压的共同作用下贴模成型为变截面管件，管件体积减小，其内部介质被压缩，支撑压力升高至预设的工作压力，稳压系统对达到工作压力后的介质保压；
21.完成成型工作：卸去管件内压，合模驱动机构驱动动模组件上移，动模组件与下密封座打开，取出成型后的管件，将变截面管件切割，获得满足设计要求的变截面管件。
22.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
23.第一，由于合模驱动机构驱动动模组件和下密封座合模，且动模组件包括压制部和上密封座，上密封座沿合模方向连接在压制部远离下密封座的一侧，管件的底端密封连接在下密封座上，管件的顶端穿过压制部密封连接在上密封座上，合模驱动机构对动模组件和下密封座的合模方向与管件两端的密封同向设置，即管件两端的密封依靠合模驱动机构施加的合模力实现，且由于密封组件呈锥状结构，管件受合模力作用与上密封座和下密封座接触越紧密，密封组件对管件两端的密封作用越强，使得上密封座和下密封座实时通过合模力完成对管件两端的密封，无需现有技术再成型过程中，管件密封是随着模具的运动做相应的运动，进而无需设置密封油缸及其驱动密封座移动的装置，而且在下密封座上设有流体通道，并连通有提供低压液压介质的供给机构和稳压机构，在管件两端密封后，实现了管件支撑内压自动建立，充分简化了整个装置结构，并降低了制作和管件成型制作的成本。
24.第二，密封组件包括分别设置在环形密封槽底端和密封开槽顶端的密封圈，且环形密封槽和密封开槽内还设有用于压制各密封圈的定位挡环，通过设置密封圈以完成对管件端部的周向密封，并通过定位挡环对密封圈进行压制，以对密封圈进行定位，避免其错位导致管件端部不能穿插在密封圈内，造成密封效果失效。
25.第三，密封圈为y形密封圈，y形密封圈的密封唇沿管件轴线方向背向管件的端部，在定位挡环的压制作用下，使得y形密封圈沿管件径向扩展，以提高对管件的密封效果。
26.第四，压制部包括上定位环和下定位环、位于上定位环和下定位环之间且呈分瓣结构的内模，内模包括若干沿管件周向间隔均布的分瓣，相邻两分瓣之间连接有支撑弹簧，上定位环和/或下定位环与内模之间设有供分瓣沿管件径向滑动的第一导向槽和第一导向键，内模的外周侧套设有驱动各分瓣沿管件轴心处移动的外模，通过支撑弹簧对各分瓣连接，并沿周向对分瓣进行施力，保证各分瓣移动的同步性和均匀性，且通过设置第一导向槽和第一导向键保证各分瓣定向移动，保证对管件压制的有效性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明中变截面管件的结构示意图
29.图2为本发明变截面管件低压液压成形装置三维总体外形图
30.图3为本发明变截面管件低压液压成形装置结构组成示意图
31.图4为本发明中成形装置分瓣内模组成图
32.图5为本发明中成形装置分瓣内模1零件图
33.图6为本发明中成形装置上定位环零件图
34.图7为本发明中成形装置下定位环零件图
35.图8为本发明中成形装置整体内模结构图
36.图9为本发明中成形装置整体内模和上密封冲头连接结构图
37.图10为本发明中成形装置外模零件图
38.图11为本发明中内模成形零件的流程示意图
39.图12为本发明中成形方法示意图
40.其中，1、管件；2、施力结构；3、氮气弹簧；4、下密封座；5、密封圈；6、定位挡环；7、上密封座；8、支撑杆；9、上定位环；10、拉杆；11、下定位环；12、支撑弹簧；13、分瓣；14、外模；15、环形定位挡板；16、单向阀；17、变频水泵；18、稳压溢流阀；19、卸荷电磁阀；20、箱体。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。
42.本发明的目的是提供一种变截面管件低压液压成型装置及其成型方法，以解决上述现有技术存在的问题，使得管件密封与合模方向同向，管件支撑内压自动建立，无需密封油缸和增压系统，充分简化了整个装置结构，并降低了制作和管件成型制作的成本。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.请参考图1至图12，本实施例提供一种变截面管件的低压液压成型装置，管件1优选材料：spfh440，壁厚：2.0mm，整个装置包括动模组件、下密封座4、驱动动模组件和下密封座4合模的合模驱动机构，下密封座4上开设有用于密实插接管件1底端的环形密封槽，环形密封槽的内周侧开设有与管件1内部相连通的流体通道，流体通道连通有提供低压液压介质的供给机构和稳压机构，动模组件包括上密封座7、用于压制管件1成型的压制部，上密封座7沿合模方向连接在压制部远离下密封座4的一侧，管件1顶端穿过压制部并与上密封座7相连接，上密封座7开设有用于密实插接管件1顶端的密封开槽，环形密封槽的外周侧壁和密封开槽的内周侧壁均与管件1的外周侧壁之间设有密封组件，密封组件呈结构沿远离管件1的方向逐渐变大的锥形结构，由于合模驱动机构驱动动模组件和下密封座4合模，且动模组件包括压制部和上密封座7，上密封座7沿合模方向连接在压制部远离下密封座4的一
侧，管件1的底端密封连接在下密封座4上，管件1的顶端穿过压制部密封连接在上密封座7上，合模驱动机构对动模组件和下密封座4的合模方向与管件1两端的密封同向设置，即管件1两端的密封依靠合模驱动机构施加的合模力实现，且由于密封组件呈锥状结构，管件1受合模力作用与上密封座7和下密封座4接触越紧密，密封组件对管件1两端的密封作用越强，使得上密封座7和下密封座4实时通过合模力完成对管件1两端的密封，无需现有技术再成型过程中，管件1密封是随着模具的运动做相应的运动，进而无需设置密封油缸及其驱动密封座移动的装置，而且在下密封座4上设有流体通道，并连通有提供低压液压介质的供给机构和稳压机构，在管件1两端密封后，实现了管件1支撑内压自动建立，充分简化了整个装置结构，并降低了制作和管件1成型制作的成本。
45.其中，密封组件包括分别设置在环形密封槽底端和密封开槽顶端的密封圈5，且环形密封槽和密封开槽内还设有用于压制各密封圈5的定位挡环6，通过设置密封圈5以完成对管件1端部的周向密封，并通过定位挡环6对密封圈5进行压制，以对密封圈5进行定位，避免其错位导致管件1端部不能穿插在密封圈5内，造成密封效果失效。
46.进一步的，密封圈5为y形密封圈5，y形密封圈5的密封唇沿管件1轴线方向背向管件1的端部，在定位挡环6的压制作用下，使得y形密封圈5沿管件1径向扩展，以提高对管件1的密封效果，且方便管端插拔和密封。
47.进一步的，压制部包括上定位环9和下定位环11、位于上定位环9和下定位环11之间且呈分瓣13结构的内模，内模包括若干沿管件1周向间隔均布的分瓣13，相邻两分瓣13之间连接有支撑弹簧12，上定位环9和/或下定位环11与内模之间设有供分瓣13沿管件1径向滑动的第一导向槽21和第一导向键，内模的外周侧套设有驱动各分瓣13沿管件1轴心处移动的外模14，通过支撑弹簧12对各分瓣13连接，并沿周向对分瓣13进行施力，保证各分瓣13移动的同步性和均匀性，且通过设置第一导向槽21和第一导向键保证各分瓣13定向移动，保证对管件1压制的有效性。且由于支撑弹簧12的作用，分瓣13内模初始状态为完全张开至最大状态。优选上定位环9和下定位环11之间连接有若干均匀设置的拉杆10。
48.作为优选的，分瓣13的外侧面呈由上至下沿管件1外周侧倾斜的倾斜状结构，外模14呈套设在内模外周侧的筒状结构，外模14包括与分瓣13的外侧面结构相适配的倾斜段、驱动分瓣13滑动的限位段，限位段呈直筒状并位于倾斜段上方，且抵接在分瓣13的外侧面上，通过倾斜段与分瓣13的配合滑动，使得控制上密封座7与管件1顶端的位置关系，先未完全接触，形成排放管件1内部气体的空间，再通过限位段对分瓣13进行抵压，驱动分瓣13朝其内侧移动，进而上密封座7完成对管件1顶端的密封。优选的外模14与相应的分瓣13之间设有用于供外模14移动导向的第二导向槽和第二导向键。
49.其中，下定位环11连接有套接在管件1外周侧的导向套筒，外模14的底端连接有与导向套筒同轴设置的环形定位挡板15，环形定位挡板15滑动套设在导向套筒的外周壁上，并带外模14移动，而且通过导向套筒保证对外模14移动定位，以有效完成对分瓣13的驱动工作，且优选在导向套筒的顶部沿周向设有环形凸缘，环形凸缘卡接在外模14底端内侧，以避免外模14反向脱离导向套筒。
50.进一步的，上定位环9设有若干用于连接上密封座7的支撑杆8，各支撑杆8环绕在管件1的外周侧，通过支撑杆8完成压制部与上密封座7的连接，进而完成对管件1顶部的定位和密封作用，且各支撑杆8的均布，保证了上定位环9和上密封座7的受力均匀。
51.进一步的，上密封座7顶端抵接有用于抵消其受到的液体反力的氮气弹簧3，氮气弹簧3远离上密封座7的一侧设有用于对其支撑的施力结构2，其作用力抵消上密封座7受到的液体反力。
52.作为优选的，施力结构2为筒状结构，施力结构2套设在氮气弹簧3和上密封座7的外周侧，并与外模14相连接，即形成与外模14随动的结构，以在外模14移动压制各分瓣13的过程中，施力结构2对氮气弹簧3进行压制，保证其充分抵消上密封座7受到的液压返利。
53.作为优选的，供给机构和稳压机构设有单向阀16、变频水泵17、稳压溢流阀18、卸荷电磁阀19和箱体20。变频水泵17的输入端通过管路与箱体20连接，用于吸取介质；变频水泵17的另一端通过管路以及单向阀16与下密封座4相连。其中稳压溢流阀18的压力控制范围为5-25mpa。
54.进一步的，还提供一种变截面管件1低压液压成型装置的成型方法，包括如下步骤：
55.放置初始管坯：按设计要求，将下密封座4固定在合模驱动机构上，将上密封座7、模具、下密封座4和导向套筒组装后，放置在相连接的施力结构2和外模14内侧，进而组成位于下密封座4上方的动模组件，将动模组件整体放置合模驱动机构上，合模驱动机构带动模组件上行至设定高度；
56.连接初始管件1和下密封座4：将管件1放入空间中，并将管件1的底端插入下密封座4中；
57.合模：将管件1插入导向套筒和模具中，合模驱动机构带动模组件与下密封座4合模，带动上密封座7与管坯接触，使得管件1位于上密封座7的密封圈5下方；
58.介质填充、排气：将下密封座4与供给机构和稳压机构相连，通过供给机构对管件1进行介质填充，管件1内的气体经密封圈5与上密封座7之间的缝隙处排出，同时完成排气工作；
59.稳定压力：合模驱动机构继续动模组件与下密封座4合模，至上密封座7完成管件1顶端密封，管件1内的介质被压缩，管件1内腔体自行建立支撑压力，支撑压力大小达到设定值后，由稳压机构稳定介质压力；在管坯内腔体自行建立起支撑压力同时，氮气弹簧3开始工作，其作用力抵消上密封座7受到的液体反力；
60.加载压制：合模驱动结构带动模部分继续下行，各分瓣13沿管件1径向同步动作，对管件1进行加载压制，管件1在分瓣13机械压力与内腔体介质压的共同作用下贴模成型为变截面管件1，管件1体积减小，其内部介质被压缩，支撑压力升高至预设的工作压力，稳压系统对达到工作压力后的介质保压；
61.完成成型工作：卸去管件1内压，合模驱动机构驱动动模组件上移，动模组件与下密封座4打开，取出成型后的管件1，将变截面管件1切割，获得满足设计要求的变截面管件1。
62.本实施例与常规内高压成形方式的对比说明如下：
63.第一，本实施例的成形内压为10mpa，若采用常规内高压成形，根据公式pc＝t
×
σs
×
rc获得整形压力约为120mpa。第二，本实施例采用局部液压成形，成形长度为100mm,，而常规内高压成形采用整体成形，成形长度为600mm，两者对比为6：1。综上，本实施例如采用常规内高压成形，设备吨位至少500吨左右，而采用本发明方法及装置，设备吨位在70吨左
右，而且无需密封油缸和增压系统，降本明显。
64.根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
65.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
66.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。