技术领域
[0001] 本
发明设计一种用于薄壁管件的自密封体局部内压成形装置及其成形方法，具体涉及管材零件的成形装置及成形方法。
背景技术
[0002] 大直径薄壁空心构件类空心构件在航空航天领域中有着广泛的应用，例如飞机的进气道、油箱、舱体等部件，目前采用内高压整形的方法，其基本工序为：(1)下料；(2)制坯；(3)组装
焊接；(4)内高压成形；(5)切割成形零件。内高压成形技术是在轻量化背景下提出的一种制造复杂空心变截面构件的先进成形技术，应用在航空航天及
汽车等领域。内高压成形工艺制造的零件具有强度、
刚度高，重量轻，节约材料等优点。管材内高压成形是通过向端部密封的管材内部施加高压液体介质，在内压的作用下使管材填充模具型腔，最终成形为所需形状的
工件。相比于传统薄壁空心构件先成形后焊接的工艺，内高压成形工艺可以有效地避免焊接过程中出现的
缺陷，同时又能保证成形零件的
精度。
[0003] 传统的内高压成形往往采用直接向管材内部通入
流体高压介质，在模具与冲头等共同作用下，管材整体在均布的内压作用下进行胀形，管件两端非胀形区的材料由于受到法向内压的作用，不能自由地向胀形区流动，导致
变形区局部减薄严重，甚至开裂等缺陷的产生。若采用增加轴向补料的方法提高管件的膨胀量，由于薄壁管件抗压缩失稳能
力较弱，极易引起失稳起皱等缺陷。对于某些复杂的变截面且轴线为曲线的空心构件内高压成形，由于壁厚较小导致抗压缩失稳能力较差，同时在成形过程中，复杂的变截面零件形状会引起材料流动不均匀，且
管坯各部分与模具的
接触顺序不一致，导致管材未贴模部分区域的材料面积多于其对应的模具型腔表面的面积，材料会堆积在最后贴模的区域；同时，由于成形件的轴线为曲线，管材弯曲内侧受到压
应力，产生严重的压缩变形。这些因素均会引起该区域的起皱缺陷，使成形结果不稳定，降低成形件的合格率。对于较为严重的皱纹，即使成形后续采用矫形也无法将皱纹展开。
发明内容
[0004] 本发明的目的是通过对内压加载区域的控制，解决薄壁管件在内压成形中由变形不均匀和压应力状态可能导致的局部严重减薄、起皱等问题，进而提出了用于薄壁管件的自密封体局部内压成形装置及其成形方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0006] 一种用于薄壁管件的自密封体局部内压成形装置，所述成形装置包括模具上模、模具下模、上模板、下模板、待通入高压介质的自密封体、左挡
块、右挡块；模具上模和模具下模合模后形成完整的模具型腔，并在上模板和下模板之间；模具上模与上模板连接，模具下模与下模板连接；自密封体的高压接头连接到与内压
增压器相连的高压液体介质通道上，并置于薄壁管件内；自密封体的左右两端通过位于薄壁管件内的左挡块、右挡块限定其沿轴向变形；其中，左挡块和右挡块分别连接到成形装置的左右油缸上；在成形阶段，高压介质在内压
增压器的作用下经由高压液体介质通道通入到自密封体中，自密封体的结构可保证内部的高压液体不发生
泄漏；在左挡块和右挡块约束作用下，自密封体在通入高压液体介质沿其轴向的伸长变形被限制，因而自密封体的变形主要集中在填充上模和下模所组成的模具型腔的变形上，在自密封体的内部
支撑作用下使薄壁管件在径向上逐渐贴合模具型腔，同时薄壁管件两端的材料沿轴向相向自由收缩，并向胀形区流动。
[0007] 进一步地，左挡块和右挡块于自密封体接触的端面直径d、管坯内径D满足以下关系：D-t≤d≤D，其中t为自密封体的厚度。
[0008] 进一步地，右挡块需设有通孔，以便于自密封体和高压液体介质通道相连。
[0009] 进一步地，薄壁管件为环向封闭的壳体或环向非封闭的壳体。
[0010] 进一步地，所述自密封体为由具有高弹性材料制成的自密封体。
[0011] 进一步地，所述具有高弹性材料为天然
橡胶、丁基胶或聚
氨酯材料。
[0012] 进一步地，为了避免成形过程中自密封体的应力集中，以及成形后能够将自密封体从成形件内顺利地取出，自密封体的两端需带有一定的圆
角。
[0013] 进一步地，高压液体介质通道中的液体介质为
水、油或乳化液。
[0014] 一种基于上述成形装置的用于薄壁管件的自密封体局部内压成形方法，所述成形方法包括以下步骤：
[0015] 1)安装模具：将模具下模安装在下模板上、模具上模安装在上模板上，再分别安装在压力机床上，下模与压机
工作台固定不动，开模并调整上模至设定高度使上模与下模之间留出充足的空间放置薄壁管件；
[0016] 2)放置管件：将自密封体置于薄壁管件内，并一同放入模具下模的型腔中，自密封体上的
接口与高压液体介质通道连通，高压液体介质通道的另一端连接到内压增压器上；
[0017] 3)充液：控
制模具上模向下移动直至合模，同时开动内压增压器，并通过高压液体介质通道向自密封体内通入流体介质，使流体介质充满自密封体内型腔，并控制与左右油缸相连的左挡块、右挡块的位移，限制自密封体沿轴向的变形；
[0018] 4)内高压成形：施加一定的合模力，按照设定的加载路径施加液压
载荷，直至成形结束，薄壁管件在自密封体的内部支撑作用下逐渐贴合模具；
[0019] 5)卸荷：成形结束后，通过内压增压器卸去自密封体的内压至0MPa后，控制压机主滑块卸去合模力，并带动上模上行至适合高度；
[0020] 6)取件：将高压液体介质通道从自密封体上卸下，将成形后的薄壁管件从模具下模中取出，并取出薄壁管件内部的自密封体；完成薄壁管件的成形。
[0021] 进一步地，对于初始截面不封闭并有一定搭接量的管件，其后续的成形过程还包括以下步骤：
[0022] 7)线切割：薄壁管件的搭接部分通过线切割方式去除；切割后的管件切口经打磨后保证光滑平齐；
[0023] 8)焊接：将薄壁管件的切口拼接在一起，经焊接工艺后，得到各个截面环向封闭的完整管件；
[0024] 9)内高压整形：将焊接后的薄壁管件至于内高压整形模具内，施加合模力并在管件内通入高压液体介质，直至管件贴合模具后完成内高压整形；整形后取出管件至此完成了初始截面不封闭并有一定搭接量的管件的成形。
[0025] 本发明与
现有技术相比具有以下有益效果：
[0026] 本发明装置在模具闭合状态下，上下模具组成的型腔和左右挡块共同限制了管内自密封体沿轴向延伸，可以保证自密封体在内部高压介质的作用下使管件充满模具型腔。采用该成形装置解决了薄壁管件在内压成形过程中，管件内部的自密封体在高压介质的作用下沿轴向伸长的问题。该成形方法的优点是：管件两端无需通过冲头或对管材端部焊接堵头密封，且管件两端无需过渡成规则形状，从而提高材料利用率，节约材料；管件的加载区域集中在变形区，有利于管件材料由向变形区流动，提高了变形的均匀性，可以有效抑制壁厚严重减薄甚至开裂等缺陷，突破了管件内压成形对于
膨胀率的限制。
[0027] 本发明建立了一种在内压成形之前能够预先分配合理的材料流动及应力应变状态，从而较好的控制成形、显著提高成形
质量的方法。选用截面不封闭并有一定搭接量的管坯在其内部自密封体的支撑作用下成形，材料可以柔性流动，逐渐填充模具型腔，实现成形过程中材料的合理分配，有效避免了起皱、开裂等缺陷。采用这种方法成形，管坯内部选用的自密封体往往具有较强的弹性，在较小的压力下极易发生变形且难以控制。因此需要采用合理的模具结构约束自密封体的变形，使其更加有效地推动管坯贴合模具型腔的形状，提高该成形方法的可行性和有效性。解决了薄壁管件在内压成形中由变形不均匀和压应力状态可能导致的局部严重减薄、起皱等问题。
附图说明
[0028] 图1是将本发明装置中上模、下模、自密封体和管材离散开的示意图；
[0029] 图2是将内置自密封体的管材放置在下模模腔内，且自密封体与内压增压器通过高压液体介质通道相连接的初始状态的示意图；
[0030] 图3是本发明管材内部充满液体介质的状态的示意图；
[0031] 图4是本发明的原理示意图，是管材在自密封体支撑作用下成形的结束状态的示意图；
[0032] 图5是本发明成形结束卸载自密封体局部内压的最终状态的示意图；
[0033] 图6是本发明成形方法的示意图；
[0034] 图7是截面不封闭并有一定搭接量的管件示意图；
[0035] 图8是ABAQUS有限元模拟传统内高压胀形、橡胶囊支撑整体加载和局部加载(本发明)三种胀形结果比较图，图中：a为传统内高压胀形结果图，b为橡胶囊支撑整体加载胀形结果图，c为橡胶囊支撑局部加载胀形结果图。
[0036] 图中，1为模具上模；2为模具下模；3为上模板；4为下模板；5为自密封体；6为左挡块；7为右挡块；8为内压增压器；9为高压液体介质通道；10为薄壁管件。
具体实施方式
[0037] 具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式中的一种用于薄壁管件的自密封体局部内压成形装置，所述成形装置包括模具上模1、模具下模2、上模板3、下模板4、待通入高压介质的自密封体5、左挡块6、右挡块7；模具上模1和模具下模2合模后形成完整的模具型腔，并在上模板3和下模板4之间；模具上模1与上模板3连接，模具下模2与下模板4连接；自密封体5的高压接头连接到与内压增压器8相连的高压液体介质通道9上，并置于薄壁管件10内；自密封体5的左右两端通过位于薄壁管件10内的左挡块6、右挡块7限定其沿轴向变形；其中，左挡块6和右挡块7分别连接到成形装置的左右油缸上；在成形阶段，高压介质在内压增压器8的作用下经由高压液体介质通道9通入到自密封体5中，自密封体5的结构可保证内部的高压液体不发生泄漏；在左挡块6和右挡块7约束作用下，自密封体5在通入高压液体介质沿其轴向的伸长变形被限制，因而自密封体5的变形主要集中在填充上模1和下模2所组成的模具型腔的变形上，在自密封体5的内部支撑作用下使薄壁管件10在径向上逐渐贴合模具型腔，同时薄壁管件10两端的材料沿轴向相向自由收缩，并向胀形区流动。
[0038] 具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式中的一种用于薄壁管件的自密封体局部内压成形装置，左挡块6和右挡块7于自密封体5接触的端面直径d、管坯内径D满足以下关系：D-t≤d≤D，其中t为自密封体5的厚度。
[0039] 具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式中的一种用于薄壁管件的自密封体局部内压成形装置，其特征在于：右挡块7需设有通孔，以便于自密封体5和高压液体介质通道9相连。
[0040] 具体实施方式四：结合具体实施方式一和图1说明本实施方式，本实施方式中所述的管件8为环向封闭的壳体、带有两侧端口或多侧端口的管状壳体、带有一侧端口的半封闭壳体以及环向非封闭的壳体，如图7。其他组成与连接方式与具体实施方式五相同。
[0041] 具体实施方式五：结合具体实施方式一和图1说明本实施方式，本实施方式中所述的自密封体5所用材料为天然橡胶、丁基胶或聚氨酯等具有高弹性的材料。为了避免成形过程中自密封体的应力集中，以及成形后能够将自密封体从成形件内顺利地取出，自密封体的两端需带有一定的圆角。其他组成与连接方式与具体实施方式六相同。
[0042] 具体实施方式六：结合具体实施方式一和图1说明本实施方式，本实施方式中所述的高压液体介质通道9中的液体介质为水、油或乳化液。其他组成与连接方式与具体实施方式七相同。
[0043] 具体实施方式七：结合具体实施方式一和图1至图6说明本实施方式，本实施方式采用一种用于薄壁管件的自密封体局部内压成形方法，包括以下步骤：
[0044] 1)安装模具：将模具下模2安装在下模板4上、模具上模1安装在上模板3上，再分别安装在压力机床上，下模与压机工作台固定不动，开模并调整上模至设定高度使上模与下模之间留出充足的空间放置薄壁管件10。
[0045] 2)放置管件：将自密封体5置于薄壁管件10内，并一同放入模具下模2的型腔中，自密封体5上的接口与高压液体介质通道9连通，高压液体介质通道9的另一端连接到内压增压器8上，如图4所示。
[0046] 3)充液：控制模具上模1向下移动直至合模，同时开动内压增压器8，并通过高压液体介质通道9向自密封体5内通入流体介质，使流体介质充满自密封体5内型腔，并控制与左右油缸相连的左挡块6、右挡块7的位移，限制自密封体5沿轴向的变形，如图5所示。
[0047] 4)内高压成形：施加一定的合模力，按照设定的加载路径施加液压载荷，直至成形结束，薄壁管件10在自密封体5的内部支撑作用下逐渐贴合模具，如图6所示。
[0048] 5)卸荷：成形结束后，通过内压增压器8卸去自密封体5的内压至0MPa后，控制压机主滑块卸去合模力，并带动上模上行至适合高度，如图7所示。
[0049] 6)取件：将高压液体介质通道9从自密封体5上卸下，将成形后的薄壁管件10从模具下模2中取出，并取出薄壁管件10内部的自密封体5。
[0050] 具体实施方式八：结合具体实施方式七和图1至图7说明本实施方式，本实施方式采用初始截面不封闭并有一定搭接量的管件，其后续的成形过程还包括以下步骤：
[0051] 7)线切割：薄壁管件10的搭接部分通过线切割方式去除。切割后的管件切口经打磨后保证光滑平齐。
[0052] 8)焊接：将薄壁管件10的切口拼接在一起，经焊接工艺后，得到各个截面环向封闭的完整管件。
[0053] 9)内高压整形：将焊接后的薄壁管件10至于内高压整形模具内，施加合模力并在管件内通入高压液体介质，直至管件贴合模具后完成内高压整形。整形后取出管件至此完成了初始截面不封闭并有一定搭接量的管件的成形。
[0054] 本发明的上下模块型腔尺寸以及模具下模凸台尺寸随着管件的形状和尺寸的变化而发生相应的变化，本发明中管件和模块形状和尺寸是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0055] 为了说明本发明的技术效果，进行如下对比实验：
[0056] 选取初始直径为76mm，壁厚为0.5mm，长度为200mm的304不锈
钢薄壁管件，胀形后的形状为直径为120mm的球形件，最大膨胀量为0.58。通过ABAQUS有限元模拟比较了传统内高压胀形、橡胶囊支撑整体加载和局部加载(本发明)，三种条件下的壁厚分布结果，如图8所示。其中橡胶材料材料模型为Mooney-Rivlin超弹性模型。采用传统内高压胀形，胀形区中间截面的壁厚最小值为0.342mm，壁厚减薄率为31.6％。采用橡胶囊支撑整体加载成形，壁厚最小值为0.332mm，壁厚减薄率为33.6％。采用橡胶囊支撑局部加载成形，壁厚最小值为0.395mm，壁厚减薄率为21.0％。通过对比可知，采用局部加载成形，壁厚减薄率明显减小，管件变形更加均匀。同时，采用局部加载得到的成形件沿轴向的长度小于整体加载的管件长度。在局部加载
下管件两端的轴向收缩量各为14mm。在整体加载条件下管件端部的收缩量为7mm。由该结果可以得出，在整体加载条件下管件的两端在径向压力的作用下，材料向胀形区的流动收到限制，轴向收缩量较小。因此采用局部加载有利于促使材料由非变形区向变形区流动，提高变形的均匀性。
