[发明专利]一种变截面异形管件充液压制成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属管件的成形制造方法，具体涉及一种用于制造变截面管件的液压成形方法，特别涉及一种截面周长与形状均发生变化的管件充液压制成形方法，属于管材成形制造技术领域。

背景技术

节能减排已成为目前制造业发展的主要趋势，而轻量化是汽车节约燃料、减少废气排放的主要手段之一。实现轻量化的主要途径包括采用轻质材料和轻体结构，对于材料一定的结构，轻量化的主要方法是设计和制造出具有合理几何形状的轻体结构。内高压成形技术是制造空心变截面构件的一种先进工艺方法，已经广泛用于生产汽车轻量化构件，如底盘、车身和排气管件等。

内高压成形是以管材作坯料通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需形状的工件。其主要优点是可以制造出周长及形状均变化的异形截面（矩形、梯形、椭圆形或其它形状）空心轻体结构。内高压成形可以分为成形和整形两个阶段，在成形阶段，管坯大部分已经贴靠模具，只有圆角区域未贴模；在整形阶段，提高压力使得圆角区贴模，达到设计要求的圆角半径。成形阶段的压力较低，整形压力很高。整形压力与材料屈服强度成正比，与圆角半径成反比。当零件带有小圆角半径时，整形压力会很高。对于汽车结构常用的低碳钢（抗拉强度小于440MPa）零件，生产中应用的压力范围在200-300MPa；对于形状复杂或材料强度高的零件，整形压力会超过300MPa，甚至达到400MPa。过高的压力，给批量生产带来一系列问题，包括：需要大合模力的压力机、投资大；需要大尺寸模具、且模具磨损严重，模具寿命低；液体介质压缩量大、发热严重，难于实现压力精确闭环控制。这些问题综合作用使得内高压件成本高，限制了内高压成形技术更广泛的应用。因此，如何降低整形压力一直是内高压成形技术亟待解决的难题。

近年来，为了进一步实现汽车结构的轻量化，高强钢（抗拉强度大于700MPa）在汽车结构上的应用逐渐增加，而成形高强钢复杂形状零件需要的内压高达1000MPa, 使得降低整形压力变得更为迫切。除此之外，内高压成形过程需要先将管材进行预成形，获得合理的预制坯形状，以预先分配材料及使管材顺利放入模具型腔内。预制坯形状一般为内凹形状，由于高强钢材料的屈服强度高，而回弹大，使得内压卸除后内凹形状无法展平，如图1所示。因此迫切需要开发适合于高强钢异形管件的液压成形技术。

针对降低整形压力的问题，国内外研究人员提出了以下方法：

1、文献Gary Morphy. Tube Hydroforming: Efficiency and Effectiveness of Pressure Sequence Hydroforming. SAE Technical Paper，1998，doi: 10.4271/982328（加里墨菲，管材液压成形：压力顺序成形的效率和效果。SAE的技术文件，1998，DOI: 10.4271/982328）提出了一种低内压成形方法（称为“Pressure Sequence Hydroforming，即压力顺序成形），该方法通过压力机闭合模具产生的机械压力和管内液体压力的共同作用来实现管材的塑性成形，其本质是利用动摩擦代替内高压成形时的静摩擦，可降低压力30-50%；但是该方法只适合成形截面形状简单且截面周长基本不发生变化的管件，且成形过程中需要控制合模位移与内压的匹配曲线，设备昂贵、工艺复杂。

2、专利US005630334A提出了一种低内压成形装置（称为Liquid Impact Tool Forming Mold，液体压力成形模具），该装置与管坯均置于液体容腔内，随着模具闭合，管坯内压在截面积减小的情况下被动产生，管件在合模压力与内压的共同作用下成形；在闭合模具的过程中，管内液体体积逐渐减小，内压随之逐渐增大，在该装置的油路控制系统中并未设置恒压控制单元，且成形过程无胀形发生，不能成形周长发生变化的变截面管件。

3、专利CN103464562A提出了一种腔体件低内压成形方法，该方法通过控制合模压床使夹紧头将管坯两端夹紧实现密封并向管内充液，再次控制合模压床下行成形管件；在上模下行过程中，腔体内的液体介质压力须按照设定的工艺要求变化，对油路控制系统要求较高，且成形过程无胀形发生，不能成形周长发生变化的变截面管件。

发明内容

本发明为了解决现有低内压成形工艺仅能成形截面周长不变的管件，同时先进高强钢变截面管件内高压成形时存在压力高、回弹大、模具磨损严重的问题，进而提供一种变截面异形管件充液压制成形方法。