[发明专利]一种管材充液多向挤压成形装置及方法

说明书

本发明公开了一种管材充液多向挤压成形装置及方法，为水平冲头设置垂直滑轨结构，由上下模和前后滑块四部分组成模具主体，此结构解决了成形异形变截面管件过程中管坯轴心下降时难以密封、无法成形多侧内凹管件的问题；在液压通路中加装了挤压压力控制系统，解决了无法实现挤压过程中压力线性变化的问题，在合模过程中，当管坯内腔容积变化时可实现压力按指定路线加载，可获得壁厚分布更均匀、成形精度更高的成形件；采用先充入加压液体后闭合模具的顺序，管坯在模具的机械压力和管内液压的共同作用下成形为所需形状；本发明提供的管材充液多向挤压成形装置及方法，在降低成本的同时成形出高强度、高精度、壁厚均匀的多向内凹异形变截面管件。

技术领域

本发明涉及金属管材成形技术领域，特别是涉及一种管材充液多向挤压成形装置及方法。

背景技术

由于能源消耗和废气排放的严格限制，以及碰撞安全性提高，使汽车结构轻量化显得日益重要，已经成为世界汽车发展的潮流。对于轿车，每减轻重量10％，油耗可降低8％-10％，排放下降4％。由于汽车采用铝合金、镁合金等轻质材料减重成本大幅提高，汽车减重的主要途径是通过设计合理的受力结构实现减重。

空心变截面构件是一种典型的轻量化结构，传统制造技术是“多块成形+焊接”的技术途径，无法制造复杂截面。并且，存在工序多、零件数量多、成本高、整体性和疲劳性能差等缺点。

内高压成形正是在这样的背景下发展起来的一种制造轻量化空心整体构件的先进技术。其基本过程是在把管坯放置到模具内，闭合模具，通过端部的冲头实现管端密封和注入液体介质，在管内高压液体介质和两端密封冲头轴向补料的共同作用成形为所需形状的构件。内高压成形的突出特点是把管材圆形截面变形异型截面，可以一次整体成形沿构件轴线截面形状有变化的整体化空心构件，已广泛应用于汽车底盘、车身结构和排气系统，例如副车架、仪表盘支架、前支梁、排气管等。

随着新型高强度材料的不断研发和应用，内高压成形采用的管材强度也越来越高，这样通过减少壁厚可保证在不改变结构性能的情况下进一步实现轻量化，因此，获得了快速的发展和应用。但随着材料强度的提高，造成内高压成形过程所需的液体压力也大幅度升高，不但带来合模压力机的合模力大幅度提高，增大了设备的吨位，增加了设备的成本，而且，由于液体压力的增加，造成管坯和模具之间的摩擦力大幅度增加，使得材料流动更加困难，造成壁厚分布不均加剧，甚至出现开裂等缺陷，增加了产品成形的风险。另外，液体压力的升高同时对设备管路的密封要求提高，增加了管材密封的难度，增大了模具的磨损，降低模具寿命，带来成形效果变差的问题。

为解决上述问题，项目团队提出了管材充液压制成形新方法，首先在管坯内部充满液体介质，然后闭合上模，使管坯在模具机械压制和管内液体支撑的共同作用下发生变形。此方法区别于内高压成形，它采用“先充液后合模压制”的方式替代“先合模后充液加压”，变形机理发生了本质改变，摩擦的影响也发生了本质改变，管坯和模具之间的摩擦力也由内高压成形的“阻碍材料向圆角区域流动”变为“促进材料向圆角区域流动”，从而显著降低成形的压力，减少设备的吨位，降低生产成本，提高生产效率。因此，管材充液压形逐渐取代管材内高压成形成为高强钢空心管件的有效成形方法。

但是目前的管材充液压制方法仍然存在以下问题：(1)管坯轴心下移问题，由于产品截面尺寸变化，在合模过程中会造成管坯的轴心下移，而现有的所有装置结构中密封冲头只能沿轴线方向移动，不能上下移动，这就会使管坯发生弯曲变形而导致密封失效。为了避免密封失效，不得不增加过渡段以保证和冲头接触的密封段不发生下移，造成不必要的材料浪费，增加成本。(2)内凹形状构件难以成形问题，单纯依靠上下模的压制方式无法成形多侧内凹、存在负角的产品管件，同时上下压制方式还极易产生飞边缺陷，大大限制了此成形方法的使用范围；(3)管内液体压力急剧增加的问题，在合模过程中，由于管坯内腔容积变化造成腔内液体压力急剧上升，无法实现按照固定曲线加载，影响壁厚分布，降低成形精度。