一种避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法

技术领域

本发明涉及管材液压成形技术领域，特别是涉及一种避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法。

背景技术

大径厚比三通管符合减重节能的要求，广泛使用在汽车，尤其是航空航天工业中，目前，国内外普通采用的薄壁三通管成形方法是先冲压出两个半片，然后将两个半片焊接的工艺路线。由于焊接三通管件存在纵向焊缝，承压性能差，焊缝应力腐蚀问题严重，可靠性差；由于管件内表面焊缝无法打磨，管件内壁不光滑、流体阻力大，严重影响系统整体性能。

内高压成形是指采用流体作为传力介质代替部分刚性模具，在均布压力作用下将薄壁管坯成形为复杂曲面薄壁管件的一种先进制造工艺方法。与冲压焊接工艺相比，采用内高压成形工艺制造的薄壁三通管件是整体成形件，减少了后续加工工序和焊接量，成形件精度高、装配误差小、可靠性高。另外，由于内表面光滑，可改善管件内流体的流动特性，减小流动阻力。开发并采用薄壁三通管件的整体成形制造技术是提高该类管路元件整体性能及可靠性的重要途径。

内高压成形薄壁三通管通过轴向进给补充材料，避免成形过程支管顶部破裂，当支管高度较高时，轴向进给量也随之增大，模具与管材的摩擦力加大，在轴向进给过程中易发生主管的起皱。对于大径厚比(直径/壁厚D/t)零件稳定性低，更容易产生起皱缺陷，如航天器中某些薄壁三通管件的径厚比往往大于100，此结构特征已经超过了传统内高压成形技术的极限，在成形过程中极易发生起皱。例如：某不锈钢大直径超薄Y型三通管产品，主管直径为200mm，壁厚仅1mm，径厚比达200，成形时起皱。与变径管内高压成形起皱时皱纹向管材外侧外面膨胀不同，三通管成形时由于管材外侧有刚性模具约束，因此此类皱纹均是向管材内部产生的。

提高轴向进给时的内压可以降低起皱倾向，但是，内压过高极易造成支管顶部破裂，因此无法简单的通过增加内压避免起皱。尤其对于非对称Y型三通管，初始阶段钝角一侧支管顶部材料无法接触到支管冲头，属于自由胀形区，极易发生破裂。管材径厚比越大，起皱和破裂的缺陷越容易发生，成形越难以实现，迫切需要新的方法与装置来减少成形缺陷，降低成形难度。

这种三通管成形时的皱纹是在管材内壁局部发生的，体现为皱纹处局部向管材内部凸起，考虑可以通过在管材内部施加支撑，增加约束以避免起皱。但是，增加弹性支撑无法克服局部起皱的凸起应力，难以抑制起皱。而如果在管材内部增加刚性支撑，当支撑件与管材内壁间隙过大时，无法起到内部支撑限制起皱的作用，如果间隙过小，一方面，刚性支撑难以放入管材内部，另一方面，在成形后又难以将刚性支撑取出。因此，在管材内部简单的增加弹性或刚性支撑均无法解决大径厚比三通管内高压成形时的起皱问题。

中国专利“一种高支管高度薄壁三通管内外液压复合成形方法”(专利号：201210494944.X)公开了一种薄壁三通管内外液压复合成形方法，其核心思想是通过在内高压成形管材的内外侧同时施加液压，由于有外压的存在，可以在避免破裂的前提下提高内压，来提高薄壁管材受轴向压力的稳定性，从而避免起皱。但是，该方法的缺点在于：1)通过增大法向压应力避免起皱的效果有限，当管材出现局部起皱凸起倾向时，内压无法抑制管材向内侧起皱的趋势；2)三通管模具装置需要能够实现外压的密封，模具结构复杂，制造成本高；3)内高压成形机要采用两个增压器，同时伺服精确控制内压与外压，内外压之间需要匹配加载，内高压成形设备控制系统复杂，成本高。总的来说，该方法从原理上能够减轻大径厚比管材起皱倾向，但是实际操作中，效果有限，装置与设备复杂，成本高，不易实行。

综上所述，需要有一种有效抑制大径厚比三通管内侧起皱且简单方便操作的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，有效抑制大径厚比三通管内侧起皱，操作简单。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置，包括模具，所述模具的形状与三通管的形状匹配，所述模具内设置有第一冲头、第二冲头和第三冲头，所述第一冲头和所述第二冲头分别位于待成形管材的一端，所述待成形管材的两端的内侧分别设置有第一液袋和第二液袋，所述第一液袋与所述待成形管材之间设置有第一金属套，所述第二液袋与所述待成形管材之间设置有第二金属套，所述待成形管材内部填充有液体。

优选的，所述待成形管材的第一管段与所述第一液袋的位置对应，所述第一液袋的外径为所述第一管段的内径的0.9-0.98倍；所述待成形管材的第二管段与所述第二液袋的位置对应，所述第二液袋的外径为所述第二管段的内径的0.9-0.98倍。

优选的，所述第一金属套与所述第一管段位置对应，所述第一金属套的外径比所述第一管段的内径小0.04-0.2mm；所述第二金属套与所述第二管段位置对应，所述第二金属套的外径比所述第二管段的内径小0.04-0.2mm。

优选的，所述第一冲头中穿设有第一进液管路，所述第一进液管路的一端与所述第一液袋连通，所述第一进液管路的另一端与外部连通；所述第二冲头中穿设有第二进液管路，所述第二进液管路的二端与所述第二液袋连通，所述第二进液管路的另二端与外部连通。

优选的，所述第一液袋设置在第一框架上，所述第一框架位于所述第一金属套内侧，所述第一框架通过若干第一紧固螺栓与所述第一冲头连接，所述第二液袋设置在第二框架上，所述第二框架位于所述第二金属套内侧，所述第二框架通过若干第二紧固螺栓与所述第二冲头连接。

优选的，所述第一框架包括第一底板和第一连接部，所述第一底板与所述第一冲头接触，所述第一紧固螺栓依次穿过所述第一连接部、所述第一液袋和所述第一底板与所述第一冲头螺纹连接。

优选的，所述第二框架包括第二底板和第二连接部，所述第二底板与所述第二冲头接触，所述第二紧固螺栓依次穿过所述第二连接部、所述第二液袋和所述第二底板与所述第二冲头螺纹连接。

优选的，所述第一冲头中设置有内压输入孔道，所述内压输入孔道的一端与所述待成形管材内部连通，所述内压输入孔道的另一端为液体入口。

本发明还提供了一种采用所述的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的方法，包括以下步骤：

步骤一：待成形管材内充入液体，第一冲头和第二冲头向待成形管材施加压力，待成形管材开始变形；

步骤二：当待成形管材内部有起皱倾向时，增大第一液袋和第二液袋内的液压，使第一金属套和第二金属套发生弹性变形，第一金属套和第二金属套与待成形管材接触；

步骤三：第一冲头和第二冲头继续向待成形管材施加压力，完成轴向进给；

步骤四：第一冲头和第二冲头轴向进给结束，卸载第一液袋和第二液袋的液压，第一金属套和第二金属套弹性变形消失，第一金属套和第二金属套的外表面恢复到变形前的状态，第一金属套和第二金属套的外表面与待成形管材的内表面产生间隙；

步骤五：卸载待成形管材内的液压，取出第一冲头、第二冲头、第三冲头、第一液袋、第二液袋、第一金属套和第二金属套，三通管成形过程结束。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过第一液袋和第二液袋在待成形管材内表面施加法向应力，成形时，当待成形管材内侧有起皱倾向时，第一金属套和第二金属套在第一液袋和第二液袋的作用下发生弹性变形，由于第一金属套和第二金属套具有一定的硬度，能够避免待成形管材内表面起皱，成形结束后，第一液袋与第二液袋卸载，第一金属套和第二金属套弹性变形消失，与成形后的管材分离，易于取出；同时，由于将抑制待成形管材起皱的第一液袋和第二液袋内的液体压力与待成形管材内的液体压力分别控制，可同时实现控制待成形管材起皱和避免待成形管材成形后破裂的双重目的。本发明结构简单，操作方便，有效的解决了大径厚比薄壁三通管内侧起皱现象，适用于高支管高度薄壁三通管的液压成形。

附图说明

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法示意图(步骤一)；

图2为本发明的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法示意图(步骤二)；

图3为本发明的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法示意图(步骤三)；

图4为本发明的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法示意图(步骤四)；

图5为本发明的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法示意图(步骤五)；

图6为图1中A处放大图；

图7为图1中B处放大图；

其中：100-避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置，1-液体入口，2-第一进液管路，3-第一液袋，4-第一金属套，5-待成形管材，6-第二框架，7-第二紧固螺栓，8-模具，9-第二冲头，10-第二进液管路，11-第二液袋，12-第二金属套，13-第三冲头，14-第一框架，15-第一紧固螺栓，16-第一冲头，17-第一底板，18-第一连接部，19-第二底板，20-第二连接部。

具体实施方式

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付出创造性劳动的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。

本发明的目的是提供一种避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，有效抑制大径厚比三通管内侧起皱，操作简单。

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。

实施例一

如图1-图7所示：本实施例提供了一种避免大径厚比三通管内高压成形起皱的装置100，包括模具8，模具8的形状与三通管的形状匹配，模具8内设置有第一冲头16、第二冲头9和第三冲头13，第一冲头16和第二冲头9分别位于待成形管材5的一端，待成形管材5的两端的内侧分别设置有第一液袋3和第二液袋11，第一液袋3和第二液袋11采用橡胶制成，第一液袋3和第二液袋11内部充有液体，液体的压力可以加至300-400MPa，第一液袋3和第二液袋11发生的变形较小。第一液袋3与待成形管材5之间设置有第一金属套4，第二液袋11与待成形管材5之间设置有第二金属套12，待成形管材5内部填充有液体，待成形管材5内部填充的液体的压力由第一增压器提供。本实施例通过第一液袋3和第二液袋11施加高压，使第一金属套4和第二金属套12产生弹性变形，又利用第一金属套4和第二金属套12高的表面硬度，避免了待成形管材5内部起皱。第一液袋3和第二液袋11的压力分别由第二增压器和第三增压器提供，压力仅需要保证第一金属套4和第二金属套12发生弹性变形，使第一金属套4和第二金属套12的外表面与待成形管材5的内表面接触，对压力精度要求低，比现有技术中的外压控制要求低很多，对内高压成形设备要求低。当成形三通管非对称时，即待成形管材5左侧与右侧的抗起皱要求不一样时，第二增压器和第三增压器提供的压力不同。

具体地，本实施例中，待成形管材5的第一管段与第一液袋3的位置对应，第一液袋3的外径为第一管段的内径的0.9-0.98倍；待成形管材5的第二管段与第二液袋11的位置对应，第二液袋11的外径为第二管段的内径的0.9-0.98倍。

本实施例中，第一金属套4与第一管段位置对应，初始状态时第一金属套4的外径比第一管段的内径小0.04-0.2mm；第二金属套12与第二管段位置对应，初始状态时第二金属套12的外径比第二管段的内径小0.04-0.2mm，尺寸的设置保证第一金属套4和第二金属套12在安装时可以在待成形管材5内部滑动，不会导致待成形管材5变形，同时，该间隙空间仅能够允许内第一金属套4和第二金属套12外表面发生弹性变形，而不足以产生塑性变形。也就是说，通过第一液袋3和第二液袋11可以使第一金属套4和第二金属套12在需要支撑时，发生弹性变形而在安装与拆卸时，卸载第一液袋3和第二液袋11的内压，第一金属套4和第二金属套12外表面弹性变形恢复，便于取出第一金属套4和第二金属套12与成形的三通管。

由于第一金属套4和第二金属套12的外径基本不可调节，由成形管材的内径确定，通过改变第一金属套4和第二金属套12的壁厚以及更换具有不同弹性模量的材料，保证第一金属套4和第二金属套12的外表面不发生塑性变形。本实施例中第一金属套4和第二金属套12的材料可采用合金钢。

第一金属套4和第二金属套12受内压时，首先在第一金属套4和第二金属套12的内表面进入塑性状态，然后随内压增大，慢慢扩大至外表面，由于第一金属套4和第二金属套12不要求重复使用，仅保证外表面保持弹性变形状态即可，也就是说，成形后第一金属套4和第二金属套12与待成形管材5之间仍有间隙，保证第一金属套4和第二金属套12能够取出。

本实施例中，第一冲头16中穿设有第一进液管路2，第一进液管路2的一端与第一液袋3连通，第一进液管路2的另一端与外部连通；第二冲头9中穿设有第二进液管路10，第二进液管路10的二端与第二液袋11连通，第二进液管路10的另二端与外部连通。

本实施例中，第一液袋3设置在第一框架14上，第一框架14位于第一金属套4内侧，第一框架14通过若干第一紧固螺栓15与第一冲头16连接，第二液袋11设置在第二框架6上，第二框架6位于第二金属套12内侧，第二框架6通过若干第二紧固螺栓7与第二冲头9连接。

本实施例中，第一框架14包括第一底板17和第一连接部18，第一底板17与第一冲头16接触，第一紧固螺栓15依次穿过第一连接部18、第一液袋3和第一底板17与第一冲头16螺纹连接，第一液袋3的形状与第一框架14相匹配。

本实施例中，第二框架6包括第二底板19和第二连接部20，第二底板19与第二冲头9接触，第二紧固螺栓7依次穿过第二连接部20、第二液袋11和第二底板19与第二冲头9螺纹连接，第二液袋11的形状与第二框架6相匹配。

本实施例中，第一冲头16中设置有内压输入孔道，内压输入孔道的一端与待成形管材5内部连通，内压输入孔道的另一端为液体入口1，通过液体入口1和内压输入孔道向待成形管材5内部输入液体，增大待成形管材5的内压，液体依次穿过内压输入孔道、第一底板17、第一液袋3和第一连接部18进入待成形管材5内部。

本实施例在第一液袋3和第二液袋11的外侧增设具有表面足够硬度的第一金属套4和第二金属套12，通过第一液袋3和第二液袋11在待成形管材5内表面施加法向应力，在待成形管材5内侧有起皱倾向时，第一金属套4和第二金属套12外表面在第一液袋3和第二液袋11的作用下发生弹性变形以高法向应力作用在待成形管材5内壁上，由于第一金属套4和第二金属套12具有一定的硬度，同外侧模具8的作用一致，能够避免待成形管材5内表面起皱。本实施例结构简单，操作方便，有效的解决了薄壁三通管起皱现象，适用于高支管高度薄壁三通管的液压成形。

实施例二

如图1-图5所示：本实施例提供了一种采用实施例一的避免大径厚比三通管内高压成形起皱的方法，包括以下步骤：

步骤一：待成形管材5内充入液体，第一冲头16和第二冲头9向待成形管材5施加压力，待成形管材5开始变形；

步骤二：当待成形管材5内部有起皱倾向时，增大第一液袋3和第二液袋11内的液压，使第一金属套4和第二金属套12发生弹性变形，第一金属套4和第二金属套12与待成形管材5接触，第一液袋3和第二液袋11内的液压可高达300MPa，能够通过第一金属套4和第二金属套12施加足够大的法向应力，提高待成形管材5的抗起皱能力，第一金属套4和第二金属套12外表面硬度足够，能够抵御待成形管材5变形时向内侧的局部凸起起皱的倾向；

步骤三：第一冲头16和第二冲头9继续向待成形管材5施加压力，完成轴向进给；

步骤四：第一冲头16和第二冲头9轴向进给结束，卸载第一液袋3和第二液袋11的液压，第一金属套4和第二金属套12弹性变形消失，第一金属套4和第二金属套12的外表面恢复到变形前的状态，第一金属套4和第二金属套12的外表面与待成形管材5的内表面产生间隙；

步骤五：卸载待成形管材5内的液压，取出第一冲头16、第二冲头9、第三冲头13、第一液袋3、第二液袋11、第一金属套4和第二金属套12，三通管成形过程结束。

本说明书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。