一种波纹管的管轴压成形方法

摘要

一种波纹管的管轴压成形方法，利用锥形模管轴压失稳起皱整体制备金属波纹管，成形过程具有无模约束自由变形的特性，利用临界失稳起皱波波长对接触面半锥角敏感的特性，通过改变下模的半锥角即可调节波纹管的波峰高度和波长，制造径厚比10到62.5规格范围内的波纹管。本发明与传统的金属波纹管成形工艺相比，克服了径厚比的限制，能够满足径厚比较小的金属波纹管的制造加工，实现的技术效果是工艺简单，尺寸稳定性好，即后续起皱波的波峰高度和波长完全一致，大幅降低金属波纹管的生产成本，生产效率高。

权利要求

1.一种波纹管的管轴压成形方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1：制作下模；所述下模的外圆周表面分为锥形的成形段和圆柱形的支撑段；

步骤2：制作上模；所述上模的外圆周表面分为工作段和限位段；

步骤3：安装模具：

步骤4：安装管坯；将管坯安装在上模和下模之间，并使管坯的上端面与所述上模的限位段凸台下平面接触，管坯的下端面与下模的成形段接触；所述上模、下模和管坯三者的同轴度≤φ0.06mm；

步骤5：压缩成形；室温下，通过试验机压头带动上模以2.0mm/min的速度匀速下行对管坯进行轴向压缩，试验机压头向该管坯施加的轴向压力F大于管坯临界失稳值F临界时，管坯出现临界失稳，该临界失稳起皱波波长为lAB，管坯临界失稳时的波峰点C高度为hc；继续压缩，AB段管坯起皱，形成第一个起皱波的波峰点D；试验机压头带动所述上模继续以2.0mm/min的速度对管坯进行轴向压缩，管坯依次形成第一个起皱波的波谷点D'、第二个起皱波的波峰点E和第二个起皱波的波谷点E'；

所述的第二个起皱波挤压第一个起皱波，使该第一个起皱波的波峰点D的高度增大至hd后保持不变；第二个起皱波的波峰点E的高度为he；

上模继续匀速对管坯进行轴向压缩，形成第三个起皱波；该第三个起皱波波峰点F的高度为hf，并且hf＝he；波纹管的波长为lEF；所述的波纹管的波长是相邻两个起皱波波峰之间的弧线长度；

上模继续匀速对管坯进行轴向压缩，该管坯依次形成后续N个起皱波，其波峰的高度均为he，波长均为lEF，直至完成所需要的波纹管；

至此，完成了对波纹管的管轴压成形。

2.如权利要求1所述波纹管的管轴压成形方法，其特征在于，所述下模成形段的半锥角β＝75°～89°；所述下模的总高度为H，其中支撑段的高度为h；所述下模的最大直径为D，最小直径为d；d比管坯内径dG小3～5mm。

3.如权利要求1所述波纹管的管轴压成形方法，其特征在于，所述上模工作段的直径与管坯的内径相同，并使二者之间间隙配合；所述限位段位于该上模的上端，为径向凸出的凸台。

4.如权利要求1所述波纹管的管轴压成形方法，其特征在于，所述安装模具时，将上模安装在电子万能试验机的压头上，将下模安装在试验机的底座上；所述上模与下模同轴，并在下模成形段的外圆周表面涂抹黄油润滑，使该表面的摩擦系数μ达到0.20。

说明书

一种波纹管的管轴压成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及塑性成形领域，具体是一种波纹管的管轴压成形方法。

背景技术

[0002] 波纹管是一种具有横向波纹的管壳零部件，能够补偿管线热变形、减震、吸收管线沉降变形等，在航天、航空、汽车和高技术产业中具有广阔的应用的前景。对于材料强度较高的金属波纹管目前普遍采用焊接成形、橡胶成形(弹性模成形)、液压成形和机械成形等。

[0003] 焊接成形即先在板材上压制波形，然后卷圆焊接，由于焊缝数量较多，易出现焊接裂纹、未焊透和焊缝外观缺欠等缺陷，严重影响了波纹管的成形性能和使用寿命。新型航空航天产品要求性能可靠稳定，因此对波纹管的成形制造要求尽量减少所使用的工艺种类、取消焊缝，并实现整体成形。在橡胶成形方面，虽能实现轴向压缩补偿变形区的材料，壁厚变化不大，波形尺寸稳定，但此成形方法装置相对复杂，生产效率较低。对于液压成形工艺方法而言，需要利用管坯中的液体压力，使管坯在限制环中胀形，表面质量较好，生产效率高，但波纹管壁厚变化较大且波形尺寸不稳定，成品率较低。

[0004] 在机械成形方面，在公开号为CN105537345A的发明创造中公开了一种波纹管内旋压成形方法，将管坯安装于旋压机的主轴上，由主轴带动长薄壁管旋转，管坯内外分别安装内旋轮和外旋轮同步工作，成形所需长度的波纹管。该发明成形精度高、成本低，但成形过程中每个波形都是沿周向逐渐成形，存在局部应力及表面硬化不均的现象。中国专利CN106040811A公开了一种大直径波纹管振动成形装置及方法，对称布置的成形轮径向滚压成形时启动振动装置施加振动激励，可降低变形抗力，抑制破裂的产生与发展。

[0005] 中国专利CN105562493B公开了一种基于形状记忆聚合物的薄壁金属波纹管成形方法。该发明制作波纹形形状记忆聚合物，制作成形凹模，制作芯模及与成形凹模装配，向介质仓中填充橡胶态形状记忆聚合物材料，形状记忆聚合物自然冷却至室温，开模取出成形的波纹管，但该成形方法装置相对复杂，成本较高。

[0006] 为了有效生产径厚比较小的金属波纹管，公开号为CN104858278A的发明中公布了一种金属波纹管的无模成形工艺方法，通过局部环向加热、轴向压缩、冷却定型完成金属波纹管的加工，此发明克服了径厚比的限制，可满足微细金属波纹管的加工制造，但反复的加热冷却会增加工艺复杂性，易导致波纹管的尺寸不稳定，控制难，从而限制金属波纹管的应用范围。

[0007] 锥形模管轴压成形工艺方法，即将常规径厚比和较小径厚比的薄壁圆管放置在简单的下模轴向压缩就可以直接获得足够精确的双层管或多层零件，制造其他方法难以获得的复杂形状零件，已发展成为一种集省能、柔性、高效、精密于一体的先进塑性加工技术(孙志超,杨合，管轴压成形失稳起皱力学过程的研究,机械工程学报,2003,39(6):110-113)。但是，该管轴压成形技术涉及到材料非线性、几何非线性，存在无模约束自由变形区、多种变形模式的转化。当载荷达到临界值时，在管壁传力区，面内变形开始分叉到发生面外弯曲类型变形，即发生局部失稳起皱。可利用管轴压成形过程中易发生失稳起皱的特点，将其应用于金属波纹管的成形中。

发明内容

[0008] 为克服现有技术中存在的装置复杂，制造工艺复杂，尺寸不稳定，生成效率较低的不足，本发明提出一种波纹管的管轴压成形方法。

[0009] 本发明的具体过程是：

[0010] 步骤1：制作下模。所述下模的外圆周表面分为锥形的成形段和圆柱形的支撑段。所述下模成形段的半锥角β＝75°～89°。所述下模的总高度为H，其中支撑段的高度为h。所述下模的最大直径为D，最小直径为d；d比管坯内径dG小3～5mm。

[0011] 步骤2：制作上模。所述上模的外圆周表面分为工作段和限位段。所述上模工作段的直径与管坯的内径相同，并使二者之间间隙配合；所述限位段位于该上模的上端，为径向凸出的凸台。

[0012] 步骤3：安装模具。将上模安装在电子万能试验机的压头上，将下模安装在试验机的底座上。所述上模与下模同轴，并在下模成形段的外圆周表面涂抹黄油润滑，使该表面的摩擦系数μ达到0.20。

[0013] 步骤4：安装管坯。将管坯安装在上模和下模之间，并使管坯的上端面与所述上模的限位段凸台下平面接触，管坯的下端面与下模的成形段接触；所述上模、下模和管坯三者的同轴度≤φ0.06mm。

[0014] 步骤5：压缩成形。室温下，通过试验机压头带动上模以2.0mm/min的速度匀速下行对管坯进行轴向压缩，试验机压头向该管坯施加的轴向压力F大于管坯临界失稳值F临界时，管坯出现临界失稳，该临界失稳起皱波波长为lAB，管坯临界失稳时的波峰点C高度为hc。继续压缩，AB段管坯起皱，形成第一个起皱波的波峰点D；

[0015] 试验机压头带动所述上模继续以2.0mm/min的速度对管坯进行轴向压缩，管坯依次形成第一个起皱波的波谷点D'、第二个起皱波的波峰点E和第二个起皱波的波谷点E'。

[0016] 所述的第二个起皱波挤压第一个起皱波，使该第一个起皱波的波峰点D的高度增大至hd后保持不变；第二个起皱波的波峰点E的高度为he。

[0017] 上模继续匀速对管坯进行轴向压缩，形成第三个起皱波。该第三个起皱波波峰点F的高度为hf，并且hf＝he。波纹管的波长为lEF；所述的波纹管的波长是相邻两个起皱波波峰之间的弧线长度。

[0018] 上模继续匀速对管坯进行轴向压缩，该管坯依次形成后续N个起皱波，其波峰的高度均为he，波长均为lEF，直至完成所需要的波纹管。

[0019] 至此，完成了对波纹管的管轴压成形。

[0020] 本发明的基本原理是：金属圆管的径厚比(平均直径与厚度的比值)的范围为10～62.5，长径比(长度与平均直径的比值)小于5且管坯所受的压力超过材料本身的抗压强度时，管坯内部产生塑性应力波会使管坯发生轴对称失稳(KRF Andrews,GL England,E Ghani.Classification of the axial collapse of cylindrical tubes under quasi-static loading.Int.J.Mech.Sci.1983,25:687-96.)，管坯与模具接触的端部出现均匀的凸肚和内缩，一圈一圈折叠起来，即可形成波纹管状形式。

[0021] 所述的管轴压成形中，可根据不同的下模半锥角β改变金属波纹管的波纹形状，包括波纹的波峰高度和波长。其原理为：管坯受到准静态轴压力，变形后每一步都处于平衡状态，下端部受到的模具表面的摩擦力F1以及支持力F2，合力为F竖直向上，如图4所示。当管坯在失稳前所受轴向压力一样时，随下模半锥角β增加，管坯受到的模具表面分力Fcosβ不断减小，导致管坯下端部外移量逐渐减小，管坯临界失稳起皱波波峰与管坯下端部距离不断增加，因此波峰高度(图5中波峰C的径向位移)及临界失稳起皱波波长(管坯在临界失稳状态下AB之间管坯长度，如图5)增加，进而影响第一个起皱波和后续起皱波的波纹形状，包括波峰高度和波长。

[0022] 本发明的有益效果是：首次利用锥形模管轴压失稳起皱整体制备金属波纹管，成形过程具有无模约束自由变形的特性，利用临界失稳起皱波波长对接触面半锥角敏感的特性，通过改变下模的半锥角即可调节波纹管的波峰高度和波长，制造径厚比10到62.5规格范围内的波纹管。本发明与传统的金属波纹管成形工艺相比，克服了径厚比的限制，能够满足径厚比较小的金属波纹管的制造加工，实现的技术效果是工艺简单，尺寸稳定性好，即后续起皱波的波峰高度和波长完全一致，如附图10，大幅降低金属波纹管的生产成本，生产效率高。

附图说明

[0023] 图1为下模的结构示意图；

[0024] 图2为上模的结构示意图；

[0025] 图3为管坯与模具装配的示意图；

[0026] 图4为管壁受力示意图；

[0027] 图5为启动轴向压缩后临界失稳时的金属波纹管状态图；

[0028] 图6为轴向压缩后第一个起皱波成形过程中的金属波纹管状态图；

[0029] 图7为轴向压缩后第一个起皱波成型时的金属波纹管状态图；

[0030] 图8为轴向压缩后第二个起皱波成形过程中的金属波纹管状态图；

[0031] 图9为轴向压缩后第三个起皱波成形过程中的金属波纹管状态图；

[0032] 图10为轴向压缩后第N个起皱波成型时的金属波纹管状态图；

[0033] 图11为本发明的流程图。

[0034] 图中：1.上模；2.管坯；3.下模；4.试验机的压头；5.试验机的底座；A.管坯下端点；B.管坯临界失稳时的波谷点；C.管坯临界失稳时的波峰点；D.第一个起皱波的波峰点；D'.第一个起皱波的波谷点；E.第二个起皱波的波峰点；E'.第二个起皱波的波谷点；F.第三个起皱波的波峰点。

具体实施方式

[0035] 本发明是一种用于成形波纹管的管轴压成形方法。所述波纹管的管坯为6061-T4的铝合金圆形管材，各实施例中管坯的尺寸如表1：

[0036] 表1各实施例中管坯的尺寸

[0037]

[0038]

[0039] 本发明的具体成形步骤如下：

[0040] 步骤1：制作下模3。所述下模为圆柱状，其外圆周表面分为锥形的成形段和圆柱形的支撑段。所述成形段的半锥角β＝75°～89°。所述下模的总高度为H，其中支撑段的高度为h。所述下模的最大直径为D，最小直径为d，为保证管坯2刚好套装在下模3上并稳定成形，d比管坯内径dG小3～5mm。各实施例中下模的具体尺寸见表2。

[0041] 表2各实施例中下模的尺寸

[0042]实施例 1 2 3
半锥角β° 75 89 80
管坯内径dG mm 36.32 36.32 42.67
下模的最小直径d mm 32.00 32.00 38.00
下模的最大直径D mm 100 100 100
下模的总高度H mm 60 60 60
支撑段的高度h mm 50.89 59.41 54.53

[0043] 所制作的下模材料选用45#钢，表面硬度要求大于42HRC。

[0044] 步骤2：制作上模1。所述上模为圆柱体，其外圆周表面分为工作段和限位段。所述工作段的直径与管坯的内径相同，并使二者之间间隙配合；所述限位段位于该上模的上端，为径向凸出的凸台。

[0045] 本发明中，所述工作段的直径为du，限位段的直径Du；上模的总高度Hu，其中工作段的高度hu，具体尺寸如表3。所述工作段的外圆周表面与限位段的外圆周表面之间的同轴度≤φ0.06mm，工作段的外圆周表面与限位段凸台水平面之间的垂直度≤φ0.03mm。各实施例中上模的具体尺寸见表3。

[0046] 表3各实施例中上模的尺寸

[0047]

[0048]

[0049] 步骤3：安装模具。将上模1安装在CSS-1110电子万能试验机的压头4上，将下模3安装在试验机的底座5上。所述上模1与下模3同轴，并在下模3成形段的外圆周表面涂抹黄油润滑，使该表面的摩擦系数μ达到0.20。

[0050] 步骤4：安装管坯。将管坯2安装在上模1和下模3之间，并使管坯2的上端面与所述上模1的限位段凸台下平面接触，管坯2的下端面与下模3的成形段接触；所述上模、下模和管坯三者的同轴度≤φ0.06mm。

[0051] 步骤5：压缩成形。室温下，通过试验机压头4带动上模1以2.0mm/min的速度匀速下行对管坯2进行轴向压缩，试验机压头向该管坯施加的轴向压力FN大于管坯临界失稳值F临界时，管坯出现临界失稳；所述临界失稳起皱波波长为lAB，该管坯临界失稳时的波峰点C高度为hc。继续压缩，AB段管坯发生明显局部胀形，即开始发生明显起皱，形成第一个起皱波的波峰D，如图6所示。当试验机压头带动所述上模继续以2.0mm/min的速度对管坯进行轴向压缩，管坯2依次形成第一个起皱波的波谷点D'、第二个起皱波的波峰点E和第二个起皱波的波谷点E'。所述生成的第二个起皱波会挤压第一个起皱波，故第一个起皱波的波峰点D的高度增大至hd后保持不变，已成型的第二个起皱波的波峰点E的高度为he。上模继续匀速压缩管坯，形成第三个起皱波；该第三个起皱波波峰F的高度为hf，与第二个起皱波的波峰点E的高度he保持一致，此时波纹管的波长为lEF；所述的波纹管的波长是相邻两个起皱波波峰之间的弧线长度。

[0052] 通过试验机压头4带动上模对管坯继续压缩；铝合金管坯2重复上述起皱过程，依次形成后续N个起皱波，直至完成所需要的波纹管，如图10所示。所述后续N个起皱波波峰的高度hn均与第二个起皱波的波峰点E的高度he相同，并且各所述后续起皱波的波长均为lEF。表4是各实施例波纹管成形的具体参数。

[0053] 表4各实施例所成形波纹管的参数

[0054]

[0055]