一种低塑性材料波纹管成形装置及其成形方法

技术领域

本发明属于波纹管成形技术领域，具体涉及一种低塑性材料波纹管成形装置及其成形方法。

背景技术

波纹管作为关键零部件常用于管路补偿器、阀门动密封及航天器姿态控制等领域。现有技术中，传统波纹管制造通常采用机械胀形或液压胀形工艺，在室温下成形波纹管。然而，传统工艺存在以下问题：

首先，波纹管成形的基本条件是管坯材料具备良好的塑性。对于低塑性材料来说，如钛合金，它们的室温断后伸长率不大于20%，传统工艺技术无法实现小波高的波纹管成形。这限制了在一些特殊领域对低塑性材料波纹管的使用需求，如发动机轻量化设计和化工领域的管路系统耐腐蚀设计。

为解决这一技术难题，已存在一项公开的发明“一种电流辅助钛合金波纹管成形装置和方法”(授权公告号CN104525660B)。然而，该发明有以下局限：

首先，该发明采用气瓶作为成形压力源，使得最大成形压力受限，无法成形厚壁小口径的波纹管。其次，该发明的电流辅助成形方法是通过电流产生热量提升材料的塑性。然而，多层管坯之间存在间隙，层与层之间贴合情况各不相同，导致各区域产生的电阻热不均匀，因此采用该种方法不适合多层波纹管成形，限制了装置的适用范围。为提升波纹管性能，实际波纹管多为薄壁多层结构。然而，为避免模具导电，电流辅助成形模具采用陶瓷材料。但陶瓷材料韧性差，模具加工精度低，难以满足特种行业的使用要求。

因此，需要一种改进的波纹管制造装置和方法，以解决传统工艺的局限性，满足对低塑性材料的制造需求，适用于多层波纹管的成形，并提高波纹管质量和性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种低塑性材料波纹管成形装置及其成形方法，重点解决应用现有技术无法实现DN100口径以下，低塑性材料多层波纹管成形及成形尺寸精度差的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种低塑性材料波纹管成形装置，包括电液伺服机，加热系统，压力系统以及成形模具，其技术要点是：

所述电液伺服机包括放置平台，支撑柱以及压头；

所述成形模具包括由下至上依次设置在放置平台上的下固定座，外环支撑组件，上固定座，固定杆以及固定平台；固定平台与支撑柱连接；在下固定座上部的中心位置设有法兰固定槽一；在法兰固定槽一内设有与下固定座的侧壁连通的通道；在上固定座的上部设置有与压头螺接的固定柱，在上固定座的下部设有与法兰固定槽一相对应的法兰固定槽二；

所述外环支撑组件包括多个由下至上依次间隔设置的外环，垫块，限位螺栓以及导向柱；在下固定座的上部以及外环上设有螺纹通孔；在下固定座的上部、上固定座以及外环上设有轴向对应的导向柱限位孔；在与螺纹通孔的上方相邻的外环或上固定座上设有与螺纹通孔轴向对应的螺杆通孔一；所述限位螺栓的钉杆穿过与螺杆通孔一与下方的螺纹通孔螺纹连接；螺杆通孔一的直径大于限位螺栓的钉杆直径且小于限位螺栓的螺帽直径；在与螺杆通孔一的上方相邻的外环或上固定座上设有与螺杆通孔一轴向对应的螺帽通孔；螺帽通孔的直径大于限位螺栓对的螺帽直径；所述垫块设置在下固定座与外环之间、外环与外环之间、外环与上固定座之间；所述导向柱从下至上穿过导向柱限位孔与固定杆螺接固定，导向柱将多个外环和上固定座径向限位；

所述加热系统包括大气炉以及固定大气炉的炉体支架；炉体支架与支撑柱固定连接；大气炉为分半结构；所述下固定座，外环支撑组件，上固定座置于大气炉内部。

进一步的，在与螺纹通孔的下方相邻的下固定座或外环上设有与螺纹通孔轴向对应的螺杆通孔二。

进一步的，导向柱限位孔、螺纹通孔、螺杆通孔一以及螺杆通孔二与下固定座中心的径向距离相等。

进一步的，所述压力系统包括气动增压机，与气动增压机连接的加压管路，依次设置在加压管路上的单向阀、截止阀、针阀、压力表。

进一步的，在外环的内侧周向设有内梯台；在外环内设置有与内梯台卡接配合的内膜片，该内膜片由两个相对称的半内膜片组成。

进一步的，在大气炉上端设置有保温盖板；所述大气炉与成形模具接触缝隙处设置有保温石棉。

进一步的，在大气炉的上部、中部、下部分别设置有加温控制组件。

进一步的，低塑性材料波纹管成形装置，其成形方法的步骤包括：

步骤一，用大气炉加热温度在450℃内，断后伸长率仍在30%~50%的低塑性材料作为波纹管的成形材料制作封闭管坯；

步骤二，通过有限元仿真软件计算出成形工艺参数：记录材料单元最大等效应力等于1.2至1.3倍的材料屈服强度时管坯内壁承受压力值为分模压力值；分模压力值的90%至95%为合模压力；材料单元最大总应变不大于材料断后伸长率的80%时，记录分模高度；

步骤三，运用成形装置对低塑性材料成形波纹管：

a.将分半结构的大气炉打开，拆下外环支撑组件；将带有法兰的管坯放置在下固定座上的；将压力系统上的加压管路与管坯下部的法兰连接，使加压管路与管坯内部连通；

b.取与通过分模高度同等高度的垫块，将带有该垫块的外环支撑组重新安装在下固定座上后，拆除垫块后闭合大气炉；

c.通过压力系统向管坯内加压直到管坯内部压力达到分模压力为止，完成管坯分模；

d.将压力系统的压力调整至合模压力；运用电液伺服机缓慢降低压头完成管坯合模；

e. 关闭压力系统，待压力表读数为零时，打开大气炉对成形装置进行降温，拆下外环支撑组件后取出成形后的波纹管。当成形波纹管一致性较差或与仿真计算结果存有微小差异时，通过限位螺栓的旋入深度来调整分模高度，进而控制波纹管外径尺寸后，从步骤三的b开始操作，直到成形波纹管达到成形要求。

本发明的有益效果以及特点：

本发明压力系统中的气动增压机配合针阀、减压阀等为波纹管成形提供动力源，能够有效解决传统成形装置中气瓶成形压力受限的问题，使得装置能够适应厚壁小口径波纹管的成形需求，提高了装置的适用范围；通过分半式三段控温的加热系统完成在高温下成形，能够有效解决部分低塑性材料断后伸长率不达标造成管坯破裂的问题；通过成形模具中的限位螺栓，来精准调整分模高度，以确保模具的加工精度和成形质量，满足特种行业的使用需求；配合上述装置本发明提供了一种低塑性材料波纹管成形的方法，提高了成形过程的稳定性和准确性，使其适用于多层波纹管的制造。

附图说明

图1为本发明整体结构的示意图；

图2为本发明中下固定座、外环以及上固定座的孔位分布示意图；

图3为本发明中部分结构的示意图。

图中主件序号说明：1、电液伺服机；101、放置平台；102、支撑柱；103、压头；2、下固定座；201、法兰固定槽一；202、通道；3、外环支撑组件；301、外环；302、内梯台；303、内膜片；303、外环一；304、外环二；305、外环三；306、外环四；307、外环五；308、外环六；309、外环七；310、外环八；311、外环九；312、垫块；313、限位螺栓；314、导向柱；4、上固定座；401、固定柱；402、法兰固定槽二；5、固定杆；6、固定平台；7、大气炉；8、炉体支架；9、气动增压机；901、加压管路；902、单向阀；903、截止阀；904、针阀；905、压力表；10、螺纹通孔；11、导向柱限位孔；12、螺杆通孔一；13、螺帽通孔；14、螺杆通孔二；15、管坯；16、法兰。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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是本发明的实施例，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，还可根据这些附图获得其他的附图。

实施方式

以下结合图1-3，通过具体实施例详细说明本发明的内容。

实施例

该低塑性材料波纹管成形装置，其中：包括电液伺服机1，加热系统，压力系统以及成形模具；所述电液伺服机包括放置平台101，支撑柱102以及压头103；

所述成形模具包括由下至上依次设置在放置平台上的下固定座2，外环支撑组件3，上固定座4，固定杆5以及固定平台6；固定平台与支撑柱连接，固定平台可在支撑柱上上下滑动，在固定平台与支撑柱连接部分设置有螺栓，拧紧螺栓后可将固定平台限位；在下固定座上部的中心位置设有法兰固定槽一201，该法兰固定槽一用于防止管坯15的下部径向移位；在法兰固定槽一内设有与下固定座的侧壁连通的通道202；在上固定座的上部设置有与压头螺接的固定柱401，在上固定座的下部设有与法兰固定槽一相对应的法兰固定槽二402，该法兰固定槽二用于防止管坯的上部径向移位；

所述外环支撑组件包括多个由下至上依次间隔设置的外环301，垫块312，限位螺栓313以及导向柱314；以本实施例为例，本实施例外环的数量有九个；外环包括由下至上依次间隔排列的外环一303、外环二304、外环三305、外环四306、外环五307、外环六308、外环七309、外环八310以及外环九311；在下固定座的上部以及外环上设有螺纹通孔10，该螺纹通孔的数量为两个，螺纹通孔以轴心为中心分布设置；在下固定座的上部、上固定座以及外环上设有轴向对应的导向柱限位孔11，该导向柱限位孔的数量为三个，导向柱限位孔轴心为中心分布设置；在与螺纹通孔的上方相邻的外环或上固定座上设有与螺纹通孔轴向对应的螺杆通孔一12；所述限位螺栓的钉杆穿过与螺杆通孔一与下方的螺纹通孔螺纹连接，用于对外环之间的分模高度进行二次限位的同时将相邻的两个外环连接固定；螺杆通孔一的直径大于限位螺栓的钉杆直径且小于限位螺栓的螺帽直径；在与螺杆通孔一的上方相邻的外环或上固定座上设有与螺杆通孔一轴向对应的螺帽通孔13；螺帽通孔的直径大于限位螺栓对的螺帽直径，该螺帽通孔防止在合模过程中限位螺栓的螺帽与螺帽上方的外环发生干涉；所述垫块设置在下固定座与外环之间、外环与外环之间、外环与上固定座之间，该垫块用于对外环之间的分模高度进行一次限位，待外环之间的限位螺栓进行二次限位后，将垫块取下；所述导向柱从下至上穿过导向柱限位孔与固定杆螺接固定；

所述加热系统包括大气炉7以及固定大气炉的炉体支架8；炉体支架与支撑柱固定连接；为了方便模具及管坯安装，大气炉为以中轴线为基准的分半结构，炉体由两个对应的半炉体拼接而成，两个半炉体6通过弹簧搭扣互相连接；所述下固定座，外环支撑组件，上固定座置于大气炉内部，下固定座，外环支撑组件，上固定座的材料为35CrMo或其他耐高温合金金属材料。

为了避免限位螺栓在向下拧入时，与螺纹通孔下方的外环发生干涉，在与螺纹通孔的下方相邻的下固定座或外环上设有与螺纹通孔轴向对应的螺杆通孔二14。

优选的，导向柱限位孔、螺纹通孔、螺杆通孔一以及螺杆通孔二与下固定座中心的径向距离相等。

为了使述压力系统可调整压力，所述压力系统包括气动增压机9，与气动增压机连接的加压管路901，依次设置在加压管路上的单向阀902、截止阀903、针阀904、压力表905；加压管路的两端不锈钢毛细管，中部为金属软管，不锈钢毛细管与金属软管通过套管接头连接；一端的不锈钢毛细管与管坯下部的法兰16焊接，另一端的不锈钢毛细管与气动增压机连接，在气动增压机内部设有压力传感器。

为了使外环适用于多种型号波纹管的成形，在外环的内侧周向设有内梯台；在外环内设置有与内梯台卡接配合的内膜片，该内膜片由两个相对称的半内膜片组成，可通过更换不同型号的内膜片来完成多种型号波纹管的匹配。

为了提升大气炉的保温能力，在大气炉上端设置有保温盖板；所述大气炉与成形模具接触缝隙处设置有保温石棉。

为了保证大气炉上、中、下部的温度一致性，在大气炉的上部、中部、下部分别设置有加温控制组件，加温控制组件包括加热电阻丝、测温传感器。

由于采用低塑性材料成形波纹管的理论并未成熟，如成形分模时鼓波压力计算及合模时的成形压力计算方法。一般各企业采用有限元法进行波纹管成形仿真，但如何确定材料仿真物性参数及根据仿真结果确定成形参数的判定方法还没有公布。同时根据图纸要求采用有限元法仿真计算分模尺寸时，实际制造过程难免会存有误差，如何根据现有成形模具调整成形分模尺寸还需进一步说明，结合上述公开的成形装置为了实现低塑性材料成形波纹管，本文同时公开一种低塑性材料波纹管成形方法，该方法与成形装置配合应用，其步骤包括：

步骤一，判定波纹管成形材料是否适用于本方法：采用大气炉对波纹管成形材料进行加热，运用材料拉伸试验机获得高温工况下波纹管成形材料的应力应变曲线参数以及断后伸长率；当加热温度到450℃时，波纹管成形材料的断后伸长率仍低于30%时不适用本方法；当加热温度在450℃内，波纹管成形材料的断后伸长率仍在30%-50%的低塑性材料作为波纹管的成形材料，将该材料的管坯两侧固定法兰使其密封，完成管坯的制作；进行步骤二；

步骤二，通过有限元仿真软件计算出成形工艺参数：将获得应力应变曲线，分模高度等参数输入到软件中，运用有限元法对波纹管成形过程进行分模仿真计算；在分模仿真过程中，记录材料单元最大等效应力等于1.2至1.3倍的材料屈服强度时的管坯内壁承受压力值，该压力值为分模压力值；将成形压力值调整至分模压力值的90%至95%后进行合模仿真计算；在合模仿真过程中，当材料单元最大总应变大于材料断后伸长率的80%时，应减小输入的分模高度，重新进行仿真计算，直至输入的分模高度在合模仿真过程中的材料单元最大总应变不大于材料断后伸长率的80%时，记录分模高度；最终通过仿真计算得到分模压力、合模压力及分模高度的成形工艺参数；

步骤三，运用成形装置对低塑性材料成形波纹管：

a.安装管坯连接压力系统：将低塑性材料波纹管成形装置上的大气炉打开，将外环支撑组件拆下；将带有法兰的管坯放置在下固定座上的；将压力系统上的加压管路与管坯下部的法兰连接，使加压管路与管坯内部连通；

b.调整分模高度：取与通过仿真计算得到的分模高度同等高度的垫块，将带有该垫块的外环支撑组重新安装在下固定座上后，拆除垫块后闭合大气炉；

c.管坯分模：通过压力系统向管坯内加压直到管坯内部压力达到仿真计算得到分模压力为止，完成管坯分模；

d.管坯合模：将压力系统的压力调整至仿真计算得到的合模压力；运用电液伺服机缓慢降低压头完成管坯合模；

e. 关闭压力系统，待压力表读数为零时，打开大气炉运用风扇或其他方法对成形装置进行降温，然后参考管坯安装过程反向依次拆除成形装置取出成形波纹管。当成形波纹管一致性较差或与仿真计算结果存有微小差异时，通过限位螺栓调整分模高度，进而控制波纹管外径尺寸后从步骤三的b开始操作，直到成形波纹管达到成形要求。

本发明的原理

低塑性材料室温工况下的延伸率无法满足波纹管成形要求。为解决该技术问题，运用大气炉对预成形管坯进行加热，通过升温提升管坯的延伸率，为波纹管成形提供基础条件。为了方便模具及管坯安装，大气炉设计为分半结构，为了提升大气炉的保温能力，大气炉上端设置有保温盖板，大气炉与成形模具等接触缝隙处设置有保温石棉。为了保证大气炉上、中、下部的温度一致性，大气炉内腔为三段式温度分区控制。为了实现保温盖板安装，保温盖板设置有配合固定柱和固定杆穿过的通孔。

波纹管成形时管坯温度高，采用传统成型介质如水或油将不再可行。为解决该技术问题，波纹管成形时以气体为成形介质，通过气胀方式实现波纹管成形。波纹管成形过程是内腔容积减小过程，运用传统成形方案使用气瓶对管坯加压缺陷较多，如为避免成形过程波纹管内腔压力波动需设置稳压装置，另外气瓶压力一般不大于15MPa,限制了波纹管成形规格。为解决该技术问题，设计气动增压机配合针阀、减压阀等装置为波纹管成形提供动力源。调节针阀开度实现管坯成形的溢流通道，气动增压机内部设有压力传感器，当压力系统小于设置压力时，气动增压系统可以实现自动增压。该方案压力系统不但可以省去稳压装置，同时可以提供大于气瓶极限压力的稳定压力源。

一般波纹管成形运用密封圈对管坯密封，但成形温度较高时，该方法已经不能满足波纹管成形密封要求。为解决该技术问题，当成形压力较高大于5MPa时运用法兰对管坯封堵，法兰与管坯采用焊接方式连接。当成形压力不大于5MPa时，法兰与管坯采用高温密封胶粘接。管坯与法兰粘接好处如下，为保证焊接成品率，法兰与波纹管常选择同种材料，而常用成形的低塑性材料价格往往较高，如钛合金、铌合金等，而粘接对法兰材料要求较低，可以选择普通碳钢制造法兰，因此采用粘接方案法兰制造成本较低。波纹管成形后对法兰打磨处理，法兰可以多次使用，而焊接法兰由于焊道处材料已经改性，反复多次焊接难度大。因此当成形压力较低时优选粘接方案对管坯封堵。由于法兰与气动增压机之间管路承受高温，同时考虑管路便于安装等特点，选择不锈钢毛细管、金属软管及卡套管接头作为管路的主体零件，不锈钢毛细管与管坯法兰焊接，不锈钢毛细管与金属软管运用卡套管接头连接。

波纹管成形含分模和合模两个阶段，室温工况一般运用垫块与模具配合使用完成管坯分模，管坯鼓波后取出垫块进而对管坯合模。采用上述方案对管坯高温成形时，在大气炉中无法实现垫块抽取，即完成不了波纹管合模过程。为解决该技术问题，设计了专用的成形模具。为避免导向柱承受较大侧向力，引起模具合模时发生卡顿，外环由内模片及外环组成。外环承担管坯成形的主要径向力。为了实现模片拆卸，内模片为分半结构，径向外端面设有阶梯台，内模片与外环Ⅰ~外环Ⅴ配合使用，外环径向外端面设有倒角。管坯成形时，依次安装外环，外环外圆端部设有垫块，运用垫块对外环进行一次限位。调整好外环的位置后，调整限位螺栓的安装尺寸对外环进行二次限位后取出垫块。进而解决了波纹管在大气炉中高温成形时无法取出的技术问题。

第一，通过压力系统中的气动增压机配合针阀、减压阀等为波纹管成形提供动力源。与现有技术中的气瓶加压方案对比，气动增压装置成形压力达30MPa以上，可实现对薄壁多层小通径波纹管成形。

第二，波纹管成形是容积缩小过程，当成形压力较高时，为避免成形压力波动过大，需设置稳压罐。运用气动增压机补气、针阀排气加压方案，通过调整成形速度可以实现成形时波纹管内部压力波动不大于5%，不但满足精密波纹管成形压力控制精度要求，同时避免设置压力稳压罐。

第三，现有技术应用电流辅助成形工艺方案时，多层管坯之间存有间隙、各层管坯贴合情况不同，成形多层波纹管时管坯表面温度一致性极差，不适宜成形多层波纹管，本发明的成形装置不但可以成形多层波纹管，同时成形模具为机加件，波纹管成形质量较好。现有技术没有公开关于低塑性材料成形波纹管分模压力、成形压力及分模尺寸等成形工艺参数。本发明结合材料高温力学性能参数及有限元法，公开了低塑性材料成形波纹管的工艺参数设计方法，为波纹管首件成形提供了成形工艺参数。结合首件波纹管成形尺寸，配合调整限位螺栓旋入外环的深度可以确定批次产品生产的分模尺寸。完善了现有技术成形波纹管外径无法微调的缺陷。