一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置及方法

技术领域

本发明涉及管类加工领域，具体讲是一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置及方法。

背景技术

变截面空心薄壁细长管轴类零件被广泛应用于航空航天、高端装备等领域的传动系统，承担高温、高转速、高载荷情况下传递动力的关键核心作用。但由于其大深径比、薄壁、变截面的结构特征，使得该类零件的高精度、高性能制造成为困扰工业界的技术难题。该类零件的传统制造工艺为“深孔钻削+热处理”，但由于钻头或刀柄过长、切削振动等不可控因素导致内孔钻大、钻斜等尺寸超差问题使得深孔钻削工艺下的零件报废率极高，此外还有材料利用率低、生产周期长等问题，难以满足日益庞大的市场需求。为此，采用精密塑性成形方法替代传统深孔钻削工艺生产大深径比变截面空心薄壁细长管轴类零件，具有高零件性能、高材料利用率、高生产效率的特征，已经成为全球市场驱动下的必然趋势。

目前用于制备空心管轴类零件的塑性成形方法有楔横轧、径向锻造、挤压等，但对于深径比≥30且内孔形位尺寸精度要求较高的零件，楔横轧和径向锻造方法在零件加工过程中会显著影响零件内孔圆度和同轴度；单道挤压成形会因为过大的深径比造成“挤压芯杆承载过大，进而造成芯杆弯曲，影响内孔直线度”，而多道挤压成形需要多副挤压模具的应用，造成成本上升，同时零件在多次定位后，也会影响零件的内孔形位精度，多次定位的同轴度易发生偏差。

目前，已有相关文献针对大深径比空心管轴类零件提出塑性成形解决方案。专利公开号为CN109332410A的《一种大长径比空心薄壁轴挤压制备装置及方法》提出了一种新型的大长径比空心薄壁轴挤压装置及方法，通过简单的结构提高原材料利用率、缩短生产周期、降低生产成本，但该结构装置只能用于制造内径恒定的空心轴。专利公开号为CN105921671A的《一种阶梯空心轴类件的反挤压成形方法及模具》采用一模两工序、二道连续挤压成形方法制造变截面空心轴零件，能够加快生产速度、分担冲头挤压力、提升生产节拍，但所成形的变截面空心轴零件不适用于大深径比特征。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于加工大深径比的变截面空心管，并且保证不同截面的同轴度的一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置及方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置，包括成形机构、夹持机构和挤压机构，所述成形机构呈固定设置，所述夹持机构设于成形机构的一侧，所述挤压机构设于成形机构的另一侧，所述成形机构上设有用于放置加热后的坯料的坯料腔，所述坯料腔靠近夹持机构的一侧设有成形空心管外径的成形孔，所述夹持机构靠近成形机构的一侧设有成形空心管的端部的成形腔，所述空心管的端部外径呈变径设置，向空心管的端部方向外径扩大，所述夹持机构沿着成形孔的轴线方向移动连接，所述挤压机构上设有挤压筒和穿孔芯轴，所述挤压筒移动插接于坯料腔中用于挤压坯料向成形孔方向移动，所述穿孔芯轴移动连接在成形孔的轴线上用于成形空心管的内径，所述空心管的内径呈变径设置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在生产过程中，空心管的外径变径结构通过成形腔挤压成形，只需要保证成形腔结构的同轴性，就可以保证外径的同轴性，成形腔结构的同轴性为模具结构，只需要经过高精度的加工成型，就可以稳定应用于同心管的加工，从而保证外径的同轴性，而空心管的内径变径结构通过穿孔芯轴穿孔成形，只需要保证穿孔芯轴的不同外径的同轴性以及穿孔芯轴与空心管外壁的同轴性，就可以保证空心管的内径的同轴性，首先穿孔芯轴也是模具结构，可以采用不易变形的高强度材料制作而成，同时在加工过程中，采用周期较长的慢走丝进行加工，保证穿孔芯轴上的尺寸精度以及不同外径的同轴性，而后坯料在坯料腔中经挤压向成形孔方向移动，使得坯料通过成形孔压缩聚集，消除坯料中的空气，使得坏料腔与成形孔内的坏料结构更加均匀，当穿孔芯轴穿过坯料加工变径孔时，穿孔芯轴的移动更稳定，不会因为周向上受力不匀而造成穿孔芯轴的偏移，保证空心管变径内径与空心管变径外径的同轴性，从而保证空心管内径变径结构的高质量成形，而该成形过程并不受空心管的长度影响，适用于穿孔芯轴的不同加工深度，从而使得该成型装置适用于不同长度的变截面空心管，大深径比的变截面空心管也同样适用。

作为本发明的一种改进，所述夹持机构远离成形机构的一侧设有用于驱动夹持机构移动的第一驱动液压缸，所述第一驱动液压缸与夹持机构之间设有第一导向座，所述第一导向座与成形机构之间设有多根第一导向杆，所述夹持机构移动连接在多根第一导向杆上，通过所述改进，可以保证夹持机构移动的稳定性，当夹持机构向成形机构移动时，可以保证成形腔与成形孔对位的准确性，当夹持机构远离成形机构移动成形空心管长度结构时，可以保证空心管的直线度，保证空心管的质量。

作为本发明的一种改进，所述第一驱动液压缸通过第一牵引杆与夹持机构驱动连接，所述第一牵引杆的轴线上设有顶针，所述顶针用于与穿孔芯轴相抵，成形完整的空心管内径，所述顶针远离穿孔芯轴的一端设有弹簧，通过所述改进，在进行空心管的长度拉伸时，空心管内径的变径结构会脱离成形孔区域，从而就会造成穿孔芯轴端部无稳定支撑的状态，而通过顶针的设计，可以在未拉伸空心管长度时，穿孔芯轴的端部稳定连接在成形孔区域，此时顶针与穿孔芯轴的端部相抵，而后在穿孔芯轴的端部穿过成形孔区域后，保证穿孔芯轴的端部稳定性，从而避免穿孔芯轴出现向下弯曲的情况，进而避免了空心管的内径弯曲成形的问题，而弹簧的设计，可以保证顶针的与穿孔芯轴之间的抵接力，并且避免顶针与穿孔芯轴之间出现过度挤压造成顶针或者穿孔芯轴变形的情况，从而保证了空心管内径的高质量成形，同时，顶针也可用于成形空心管部分内径区域。

作为本发明的一种改进，所述夹持机构包括移动连接在第一导向杆上的夹持座、用于组成成形腔的上模和下模、所述上模通过一个液压缸移动连接在夹持座内的上半部，所述下模通过另一个液压缸移动连接在夹持座的下半部，所述上模的两侧设有上定位销柱，所述下模的两侧设有下定位销柱，所述夹持座的上半部设有与上定位销柱移动限位连接的上限位槽，所述夹持座的下半部设有与下定位销柱移动限位连接的下限位槽，当上定位销柱与上限位槽的下端相抵，下定位销柱与下限位槽的上端相抵时，上模与下模相抵形成成形腔，通过所述改进，因为空心管的端部外径呈变径设置，向空心管的端部方向外径扩大，在空心管的端部成型后，采用能分模的上模与下模结构设计，可以在避免破坏空心管的端部结构的情况下完成取件，在上模与下模进行合模时，采用双向驱动合模，用于驱动上模的液压缸和用于驱动下模的液压缸在驱动过程中可能存在压力差，通过上定位销柱与上限位槽的配合设计以及下定位销柱与下限位槽的配合设计，可以保证合模高度的准确性。

作为本发明的还有一种改进，所述上定位销柱与上模之间采用螺纹连接，下定位销柱与下模之间也采用螺纹连接，所述上定位销柱远离上模的一端直径大于上限位槽的宽度且上定位销柱远离上模的一端内侧与夹持座相抵，所述下定位销柱远离下模的一端直径大于下限位槽的宽度且下定位销柱远离下模的一端内侧与夹持座相抵，通过所述改进，在液压缸驱动过程中，上模与下模之间可能会出现对位偏移，从而造成成形腔偏差，通过上定位销柱远离上模的一端直径大于上限位槽的宽度且上定位销柱远离上模的一端内侧与夹持座相抵，下定位销柱远离下模的一端直径大于下限位槽的宽度且下定位销柱远离下模的一端内侧与夹持座相抵的设计，可以使上模与下模的移动过程中仅能进行纵向移动，避免了横向偏移，从而保证了上模与下模之间的对位准确性，保证了成形腔的高质量合模，而上定位销柱与上模之间采用螺纹连接，下定位销柱与下模之间也采用螺纹连接，可以在出现合模偏移时，对上模与下模进行调整，恢复合模的对位。

作为本发明的还有一种改进，所述挤压机构远离成形机构的一侧设有用于驱动挤压机构移动的第二驱动液压缸，第二驱动液压缸内设有为两个驱动液压缸，一个驱动液压缸用于驱动挤压筒移动，另一个驱动液压缸用于驱动穿孔芯轴移动。

作为本发明的还有一种改进，所述第二驱动液压缸与挤压筒之间通过连接座固定连接，所述第二驱动液压缸与连接座之间设有第二导向座，所述连接座与成形机构之间设有移动座，所述挤压筒的一端固定连接在连接座上，所述挤压筒的挤压端移动连接在移动座上，所述第二导向座与成形机构之间设有多根第二导向杆，所述连接座与移动座均移动连接在多根第二导向杆上，所述连接座内设有居中套，所述居中套套接在穿孔芯轴用于保证穿孔芯轴沿着成形孔的轴线方向移动，通过所述改进，可以保证连接座与移动座移动的稳定性，当挤压筒向坯料腔方向移动时，可以保证挤压筒与坯料腔对位的准确性，挤压坯料时受力更均匀、更稳定，当穿孔芯轴向成形孔方向移动时，保证穿孔芯轴与成形孔之间的同轴度，从而保证空心管内径的高质量成形。

作为本发明的一种改进，所述移动座与连接座之间设有压缩弹簧，所述压缩弹簧套接在第二导向杆上，通过所述改进，因为移动座与连接座之间存在相对移动，并且连接座需要驱动移动座进行移动，通过压缩弹簧的设计，可以避免移动座与连接座之间发生直接撞击，保护移动座与连接座。

作为本发明的一种改进，所述挤压筒的挤压端还连接固定有耐高温的挤压环，所述挤压环上设有供穿孔芯轴通过的通孔，通过所述改进，通过挤压环的设计，可以保护挤压筒的挤压质量的情况下，降低挤压筒的生产成本，在挤压环受损时，也只需要更换挤压环，不需要更换整个挤压筒。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为，一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型方法，适用于一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置，其步骤如下：

S1：驱动上模与下模合模；

S2：启动第一驱动液压缸，驱动夹持机构向成形机构方向移动，并使成形腔与成形孔相

抵并联通；

S3：关闭第一驱动液压缸；

S4：在坯料腔中放置经过加热到合适温度的坯料；

S5：启动第二驱动液压缸，连接座带动挤压筒向坯料腔方向移动；

S6：连接座与压缩弹簧相抵，带动移动座向成形机构方向移动，直至移动座与成形机构

相抵；

S7：连接座继续带动挤压筒向前移动，挤压筒穿过移动座，进入坯料腔，与坯料相抵，

暂停驱动挤压筒；

S8：驱动穿孔芯轴向坯料腔方向移动，直到穿孔芯轴穿透坯料，进入到夹持机构与顶针

相抵，暂停驱动穿孔芯轴；

S9：驱动挤压筒，使挤压环在坯料腔中挤压坯料，使坏料变形，通过成形孔向成形腔方

向流动，直至填满成形腔；

S10：反向驱动第一驱动液压缸，使夹持机构与成形机构分离，在挤压筒的同步作用下，将坏料不断从成形孔中拉出，穿孔芯轴也进行同步驱动，使穿孔芯轴始终保持与顶针的相抵状态；

S11：待坏料腔中坏料全部挤出后，待成型的空心管冷却，上模与下模相分离，使成形腔

与空心管的变径端部相分离，夹持机构继续远离成形机构；

S12：反向驱动第二驱动液压缸，空心管随着穿孔芯轴向第二驱动液压缸方向移动，空心

管的变径端部与成形孔相抵后，穿孔芯轴与空心管相分离；

S13：从成形机构上取下空心管，完成空心管的加工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在生产过程中，空心管的外径变径结构通过成形腔挤压成形，只需要保证成形腔结构的同轴性，就可以保证外径的同轴性，成形腔结构的同轴性为模具结构，只需要经过高精度的加工成型，就可以稳定应用于同心管的加工，从而保证外径的同轴性，而空心管的内径变径结构通过穿孔芯轴穿孔成形，只需要保证穿孔芯轴的不同外径的同轴性以及穿孔芯轴与空心管外壁的同轴性，就可以保证空心管的内径的同轴性，首先穿孔芯轴也是模具结构，可以采用不易变形的高强度材料制作而成，同时在加工过程中，采用周期较长的慢走丝进行加工，保证穿孔芯轴上的尺寸精度以及不同外径的同轴性，而后坯料在坯料腔中经挤压向成形孔方向移动，使得坯料通过成形孔压缩聚集，消除坯料中的空气，使得坏料腔与成形孔内的坏料结构更加均匀，当穿孔芯轴穿过坯料加工变径孔时，穿孔芯轴的移动更稳定，不会因为周向上受力不匀而造成穿孔芯轴的偏移，保证空心管变径内径与空心管变径外径的同轴性，从而保证空心管内径变径结构的高质量成形，而该成形过程并不受空心管的长度影响，适用于穿孔芯轴的不同加工深度，从而使得该成型装置适用于不同长度的变截面空心管，大深径比的变截面空心管也同样适用。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明整体结构准备阶段剖视结构示意图。

图3是本发明挤压初始阶段成形机构连接结构示意图。

图4是本发明顶针与穿孔芯轴相抵结构示意图。

图5是本发明夹持机构截面剖视结构示意图。

图6是本发明挤压机构剖视结构示意图。

图7是本发明空心管成型时结构示意图。

图中所示：1、成形机构，1.1、坯料腔，1.2、成形孔，2、夹持机构，2.1、成形腔，2.2、夹持座，2.2.1、上限位槽，2.2.2、下限位槽，2.3、上模，2.3.1、上定位销柱，2.4、下模，2.4.1、下定位销柱，3、挤压机构，3.1、挤压筒，3.1.1、挤压环，3.1.2、通孔，3.2、穿孔芯轴，4、第一驱动液压缸，4.1、牵引杆，4.2、顶针，4.2.1、居中孔，4.3、弹簧，5、第一导向座，6、第一导向杆，7、第二驱动液压缸，8、连接座，8.1、居中套，9、第二导向座，10、移动座，11、第二导向杆，12、压缩弹簧，13、空心管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

如图1-3所示，一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置，包括成形机构1、夹持机构2和挤压机构3，所述成形机构1呈固定设置，所述夹持机构2设于成形机构1的一侧，所述挤压机构3设于成形机构1的另一侧，所述成形机构1上设有用于放置加热后的坯料的坯料腔1.1，所述坯料腔1.1靠近夹持机构2的一侧设有成形空心管13外径的成形孔1.2，所述夹持机构2靠近成形机构1的一侧设有成形空心管13的端部的成形腔2.1，所述空心管13的端部外径呈变径设置，向空心管13的端部方向外径扩大，所述夹持机构2沿着成形孔1.2的轴线方向移动连接，所述挤压机构3上设有挤压筒3.1和穿孔芯轴3.2，所述挤压筒3.1移动插接于坯料腔1.1中用于挤压坯料向成形孔1.2方向移动，所述穿孔芯轴3.2移动连接在成形孔1.2的轴线上用于成形空心管13的内径，所述空心管13的内径呈变径设置。

所述夹持机构2远离成形机构1的一侧设有用于驱动夹持机构2移动的第一驱动液压缸6，所述第一驱动液压缸6与夹持机构2之间设有第一导向座5，所述第一导向座5与成形机构1之间设有多根第一导向杆6，所述夹持机构2移动连接在多根第一导向杆6上。

如图2、图4所示，所述第一驱动液压缸6通过牵引杆4.1与夹持机构2驱动连接，所述牵引杆4.1的轴线上设有顶针4.2，所述顶针4.2用于与穿孔芯轴3.2相抵，成形完整的空心管13内径，所述顶针4.2远离穿孔芯轴3.2的一端设有弹簧4.3，穿孔芯轴3.2与顶针4.2相抵的一端呈锥形，可以更好的穿过坯料，同时顶针4.2与穿孔芯轴3.2相抵的一端设有居中孔4.2.1，可以更好的保证穿孔芯轴3.2的居中性，保持穿孔芯轴3.2在成形空心管13时，保证空心管13内径的同轴性。

如图1、图2、图5所示，所述夹持机构2包括移动连接在第一导向杆6上的夹持座2.2、用于组成成形腔2.1的上模2.3和下模2.4、所述上模2.3通过一个液压缸移动连接在夹持座2.2内的上半部，所述下模2.4通过另一个液压缸移动连接在夹持座2.2的下半部，所述上模2.3的两侧设有上定位销柱2.3.1，所述下模2.4的两侧设有下定位销柱2.4.1，所述夹持座2.2的上半部设有与上定位销柱2.3.1移动限位连接的上限位槽2.2.1，所述夹持座2.2的下半部设有与下定位销柱2.4.1移动限位连接的下限位槽2.2.2，当上定位销柱2.3.1与上限位槽2.2.1的下端相抵，下定位销柱2.4.1与下限位槽2.2.2的上端相抵时，上模2.3与下模2.4相抵形成成形腔2.1，所述上定位销柱2.3.1与上模2.3之间采用螺纹连接，下定位销柱2.4.1与下模2.4之间也采用螺纹连接，所述上定位销柱2.3.1远离上模2.3的一端直径大于上限位槽2.2.1的宽度且上定位销柱2.3.1远离上模2.3的一端内侧与夹持座2.2相抵，所述下定位销柱2.4.1远离下模2.4的一端直径大于下限位槽2.2.2的宽度且下定位销柱2.4.1远离下模2.4的一端内侧与夹持座2.2相抵，上模2.3的两侧各设有两根上定位销柱2.3.1，下模2.4的两侧各设有两根下定位销柱2.4.1，可以更好的保证上定位销柱2.3.1对上模2.3移动的稳定性，下定位销柱2.4.1对下模2.4移动的稳定性。

如图1、图2、图6所示，所述挤压机构3远离成形机构1的一侧设有用于驱动挤压机构3移动的第二驱动液压缸7，第二驱动液压缸7内设有为两个驱动液压缸，一个驱动液压缸用于驱动挤压筒3.1移动，另一个驱动液压缸用于驱动穿孔芯轴3.2移动，所述第二驱动液压缸7与挤压筒3.1之间通过连接座8固定连接，所述第二驱动液压缸7与连接座8之间设有第二导向座9，所述连接座8与成形机构1之间设有移动座10，所述挤压筒3.1的一端固定连接在连接座8上，所述挤压筒3.1的挤压端移动连接在移动座10上，所述第二导向座9与成形机构1之间设有多根第二导向杆11，所述连接座8与移动座10均移动连接在多根第二导向杆11上，所述连接座8内设有居中套8.1，所述居中套8.1套接在穿孔芯轴3.2用于保证穿孔芯轴3.2沿着成形孔1.2的轴线方向移动，所述移动座10与连接座8之间设有压缩弹簧12，所述压缩弹簧12套接在第二导向杆11上，所述挤压筒3.1的挤压端还连接固定有耐高温的挤压环3.1.1，所述挤压环3.1.1上设有供穿孔芯轴3.2通过的通孔3.1.2。

如图3所示，坯料腔1.1的模具可拆卸连接在成形机构1内，在进行挤压时，坯料腔1.1的模具限位在成形机构1内，在进行下料取件时，坯料腔1.1的模具可以进行拆卸。

上述第一导向杆6与第二导向杆11可以为同一根导向杆，可以更好的保证移动的同轴性。

如图2、图3、图7所示，一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型方法，适用于一种用于制备变截面空心管的热挤拉成型装置，其步骤如下：

S1：驱动上模2.3与下模2.4合模；

S2：启动第一驱动液压缸6，驱动夹持机构2向成形机构1方向移动，并使成形腔2.1与成形孔1.2相抵并联通；

S3：关闭第一驱动液压缸6；

S4：在坯料腔1.1中放置经过加热到合适温度的坯料；

S5：启动第二驱动液压缸7，连接座8带动挤压筒3.1向坯料腔1.1方向移动；

S6：连接座8与压缩弹簧12相抵，带动移动座10向成形机构1方向移动，直至移动座10与成形机构1相抵；

S7：连接座8继续带动挤压筒3.1向前移动，挤压筒3.1穿过移动座10，进入坯料腔1.1，

与坯料相抵，暂停驱动挤压筒3.1；

S8：驱动穿孔芯轴3.2向坯料腔1.1方向移动，直到穿孔芯轴3.2穿透坯料，进入到夹持

机构2与顶针4.2相抵，暂停驱动穿孔芯轴3.2；

S9：驱动挤压筒3.1，使挤压环3.1.1在坯料腔1.1中挤压坯料，使坏料变形，通过成形

孔1.2向成形腔2.1方向流动，直至填满成形腔2.1；

S10：反向驱动第一驱动液压缸6，使夹持机构2与成形机构1分离，在挤压筒3.1的同步作用下，将坏料不断从成形孔1.2中拉出，穿孔芯轴3.2也进行同步驱动，使穿孔芯轴

3.2始终保持与顶针4.2的相抵状态；

S11：待坏料腔中坏料全部挤出后，待成型的空心管13冷却，上模2.3与下模2.4相分离，

使成形腔2.1与空心管13的变径端部相分离，夹持机构2继续远离成形机构1；

S12：反向驱动第二驱动液压缸7，空心管13随着穿孔芯轴3.2向第二驱动液压缸7方向移动，空心管13的变径端部与成形孔1.2相抵后，穿孔芯轴3.2与空心管13相分离；

S13：从成形机构1上取下空心管13，完成空心管13的加工。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。