一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法及装置，它涉及一种金属管材零件成形技术。为了解决现有方法存在投资成本高、生产效率低、因摩擦作用在成形时易产生起皱、破裂等问题。求得轧辊并确定轧制成形过程中的成形工艺参数；将管坯两端密封并放入上下轧辊的凹槽内；将上轧辊压下并与下轧辊进行咬合，并施加一定合模力；对管材进行充填液体介质；轧辊按预定角速度进行转动，带动管材移动并在轧辊凹槽内部形成所需要的截面特征。利用液体压力的支撑作用，采用轧制的工艺方法对金属管材进行成形，改变传统内高压成形的滑动摩擦为轧制工艺的滚动摩擦，同时改变摩擦的方向，使得摩擦阻碍材料流动变为有利于材料流动，提高产品的成形质量。
1.一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，其特征在于：该方法按以下步骤实施：
步骤一、根据预成形管材各截面形状，进行反求从而得到变截面或非变截面的轧辊并加工；所述预成形管材的两端设计有过渡圆段；
步骤二、确定轧制成形过程中的成形工艺参数，包括轧辊压下量、管材成形内压、轧辊转动角速度；
步骤三、将待成形的管坯两端进行密封，并在密封头处接入充液管道；
步骤五、启动轧机装置，将上轧辊压下并与下轧辊进行咬合，并施加一定合模力；
步骤六、对管材进行充液压，充液内压应低于管材屈服强度；
步骤七、轧辊按预定角速度进行转动，带动管材移动并在轧辊凹槽内部形成所需要的截面特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，所述方法还包括步骤八：轧辊每进行一转便成形出一段由两端向中部凹陷逐渐变大的变截面管件，该段管件被轧辊传送至切割平台内进行快速切割得到单个管件，管件生产结束后，关闭轧机装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，所述方法还包括步骤八：轧辊进行连续转动成形出凹陷相同的变截面管件，然后根据需要被轧辊传送至切割平台内进行快速切割得到单个管件，管件生产结束后，关闭轧机装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，其特征在于：步骤二中所述的管材轧制成形过程中所需要的成形内压小于管材的屈服强度，是管材屈服强度的30～40％；轧辊转动角速度为(0,π/6]rad/S。
5.根据权利要求1所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，其特征在于：在步骤三中，密封头为活动密封形式，并在密封头内接入充液管道对管材进行充液压，密封头可随管材移动而进行自由运动。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，其特征在于：在步骤七中，所述轧辊上带有凹槽用于放置管材，凹槽的径向截面形状通过对管材的设计截面进行反求得到，轧辊用于成形的工作区即凹槽的径向截面形状沿轧辊的环向不断发生变化，并与管材的横向截面在轴向上的分布一一对应。
7.根据权利要求2所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，其特征在于：步骤八中所述的轧辊周长与成形管材的设计长度一致，仅在端部留有部分切割余量，即轧辊在工作状态下旋转一周，管材在轧辊工作区凹槽内部成形，并有轧辊向前带动，成形出一根完整的异形变截面管材。
8.一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形装置，所述装置包括：闭环伺服控制系统(1)、增压器(2)、机械传动机构(3)、压下装置(4)、上模架(5)、导柱(6)、密封头(8)、送料平台(9)、底座(10)、一对轧辊(11)、夹具(12)、切割机(13)和切割平台(14)；压下装置(4)、上模架(5)、导柱(6)、底座(10)和一对轧辊(11)构成轧机；
上模架(5)位于底座(10)上方且一对轧辊(11)位于二者之间，上模架(5)可沿安装在底座(10)上的导柱(6)上下移动，压下装置(4)设置在上模架(5)上，一对轧辊(11)中的上轧辊、下轧辊的外表面沿圆周方向设有环槽，上轧辊、下轧辊的环槽各截面形貌与预成形管材各截面形状吻合；上轧辊、下轧辊对合后形成的型腔用于供管材(7)通过，密封头(8)用于管材(7)的端部进行密封，送料平台(9)位于轧机轧入侧，其高度可进行调节，使管材轴心高度与工作轧辊凹槽轴心高度一致；切割平台(14)位于轧机轧出侧，切割平台(14)的两侧带有夹具(12)，当一根完整管材成形轧出后，轧辊停止运动，由夹具对管材进行固定后，通过切割机(13)对其进行切割；闭环伺服控制系统(1)通过机械传动机构(3)来控制上模架(5)动作，增压器(2)用于对管材(7)内的充液进行加压。
9.根据权利要求8所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形装置，其特征在于，所述上轧辊的环槽截面是变化的，上轧辊的环槽包括起始段、两个过渡段和终成形段；起始段的两端各通过一个过渡段与终成形段的两端形成一个环槽，起始段的环槽截面为直径等于管坏外径的半圆形，终成形段的环槽截面与预成形管材截面相吻合；所述下轧辊的环槽截面为直径等于管坏外径的半圆形。
10.根据权利要求8所述的一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形装置，其特征在于，上轧辊、下轧辊的环槽形状相同，与预成形管材截面相吻合。
一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及金属管材零件的成形技术，具体涉及一种异形管材在充液压的条件下的轧制成形方法及装置。
背景技术
[0002] 随着现代飞行器在高速、高机动性能方面要求的不断提高，对构件的轻量化、长寿命等指标提出了越来越高的要求。同时减轻汽车、飞机的自重是减少能源消耗和污染排放的措施之一。轻量化主要途径是采用轻质材料和轻体结构。轻质材料包括铝合金、镁合金、钦合金和复合材料等。工业制造中，成形、成性一体化是同时获得构件最佳使用性能并提高生产效率的最佳技术途径。航空航天领域迫切需要大量采用结构效益十分显著的大型整体复杂薄壁壳体，轻体结构主要形式包括整体结构、薄壳和空心变截面。其在减轻结构重量，提高结构效率，改善结构可靠性，提高机体寿命等方面，具有其他结构无法比拟的作用。
[0003] 目前，异形变截面金属管状构件的成形工艺方法主要是采用内高压成形技术，管材在经过预成型后放入内高压成形模具内，由液压成形装置提供内压，管材发生屈服进行胀形，并在模具型腔内发生顺序贴模，最终得到所需要的管件，通过此种方法进行成形一般需要预成型工步及模具，并且需要专用的内高压成形设备，因此此方法的制备成本较高，且成形效率低，成形后的零件易产生变形不均匀、胀破、死皱等缺陷，降低了产品件的质量。
[0004] 目前需要一种可以有效提供异形变截面金属管材成形效率，降低其生产成本，并相对提高其成形质量的方法，以解决内高压成形工艺针对此类型管件的成形所存在的问题。
发明内容
[0005] 本发明是为了解决现有异形变截面金属管的内高压成形工艺所存在的制备成本较高，且成形效率低，成形后的零件易产生变形不均匀、胀破、死皱等问题，提出了一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法及装置。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007] 一种基于液压成形的金属异形管材的轧制成形方法，该方法按以下步骤实施：
[0008] 步骤一、根据预成形管材(管件)各截面形状，进行反求从而得到变截面或非变截面的轧辊并加工；所述预成形管材的两端设计有(少量)过渡圆段；
[0009] 步骤二、确定轧制成形过程中的成形工艺参数，包括轧辊压下量、管材成形内压、轧辊转动角速度；
[0010] 步骤三、将待成形的管坯两端进行密封，并在密封头处接入充液管道；
[0011] 步骤四、将待成形管材端部放入上下轧辊的凹槽内；
[0012] 步骤五、启动轧机装置，将上轧辊压下并与下轧辊进行咬合，并施加一定合模力；
[0013] 步骤六、对管材进行充液压，充液内压应低于管材屈服强度；
[0014] 步骤七、轧辊按预定角速度进行转动，带动管材移动并在轧辊凹槽内部形成所需要的截面特征；
[0015] 步骤七中所述的管材在轧辊凹槽内的成形过程为压制成形，而不是常用的内高压胀形，充液压压制成形的全过程内，管材横截面的周长基本不发生变化或略微减小。
[0016] 所述方法还包括步骤八：轧辊每进行一转便成形出一段由两端向中部凹陷逐渐变大的变截面管件，该段管件被轧辊传送至切割平台内进行快速切割得到单个管件，管件生产结束后，关闭轧机装置。
[0017] 步骤八还可以是：轧辊进行连续转动成形出凹陷相同的变截面管件，然后根据需要被轧辊传送至切割平台内进行快速切割得到单个管件，管件生产结束后，关闭轧机装置。
[0018] 步骤二中所述的管材轧制成形过程中所需要的成形内压小于管材的屈服强度，是管材屈服强度的30～40％；轧辊转动角速度为(0,π/6]rad/S。如此可保证成形需要的最小压力，还能减少能耗。
[0019] 在步骤三中，密封头为活动密封形式，并在密封头内接入充液管道对管材进行充液压，密封头可随管材移动而进行自由运动。管材密封方法不同于传统内高压成形所采用的冲头顶入密封，本发明采用活动密封方式，是密封头可随管材移动而进行自由运动。
[0020] 在步骤七中，所述轧辊上带有凹槽用于放置管材，凹槽的径向截面形状通过对管材的设计截面进行反求得到，轧辊用于成形的工作区即凹槽的径向截面形状沿轧辊的环向不断发生变化，并与管材的横向截面在轴向上的分布一一对应。
[0021] 步骤八中所述的轧辊周长与成形管材的设计长度一致，仅在端部留有部分切割余量，即轧辊在工作状态下旋转一周，管材在轧辊工作区凹槽内部成形，并有轧辊向前带动，成形出一根完整的异形变截面管材。
[0022] 本发明还提供一种基于液压成形的金属异形变截面管材的轧制成形装置，所述装置包括：闭环伺服控制系统、增压器、机械传动机构、压下装置、上模架、导柱、密封头、送料平台、底座、一对轧辊、夹具、切割机和切割平台；压下装置、上模架、导柱、底座和一对轧辊构成轧机；
[0023] 上模架位于底座上方且一对轧辊位于二者之间，上模架可沿安装在底座上的导柱上下移动，压下装置设置在上模架上，一对轧辊中的上轧辊、下轧辊的外表面沿圆周方向设有环槽，上轧辊、下轧辊的环槽各截面形貌与预成形管材各截面形状吻合；上轧辊、下轧辊对合后形成的型腔用于供管材通过，密封头用于管材的端部进行密封，送料平台位于轧机轧入侧，其高度可进行调节，使管材轴心高度与工作轧辊凹槽轴心高度一致；切割平台位于轧机轧出侧，切割平台的两侧带有夹具，当一根完整管材成形轧出后，轧辊停止运动，由夹具对管材进行固定后，通过切割机对其进行切割；闭环伺服控制系统通过机械传动机构来控制上模架动作，增压器用于对管材内的充液进行加压。
[0024] 进一步地，所述轧制成形装置的上轧辊的环槽截面是变化的，上轧辊的环槽包括起始段、两个过渡段和终成形段；起始段的两端各通过一个过渡段与终成形段的两端形成一个环槽，起始段的环槽截面为直径等于管坏外径的半圆形，终成形段的环槽截面与预成形管材截面相吻合；所述下轧辊的环槽截面为直径等于管坏外径的半圆形。
[0025] 起始段对应的圆心度可选为30至35度，每个过渡段对应的圆心角可选为40至45度。
[0026] 上轧辊、下轧辊的环槽形状相同，与预成形管材截面相吻合。
[0027] 本发明的有益效果是：
[0028] 本发明解决了现有的采用内高压成形的异形管件成形方法，存在设备及模具投资成本高、生产效率低、因摩擦作用在成形时易产生起皱、破裂等缺陷，本方法利用液体压力的支撑作用，采用轧制的工艺方法对金属管材进行成形，改变传统内高压成形的滑动摩擦为轧制工艺的滚动摩擦，同时改变摩擦的方向，使得摩擦阻碍材料流动变为有利于材料流动，有效降低摩擦阻碍作用的影响，改善材料流动，提高产品的成形质量、同时有效提高生产效率，减少设备和模具的投资，降低生产成本。
[0029] 具体优点表现在以下几个方面：
[0030] 1.内高压成形工艺所采用的液压成形的专用装置相对比较昂贵，且成形前往往需要进行预成型，因此需要单独制作一套预成型模具，因此对于此类异形变截面管材采用内高压成形工艺进行成形的成本较高，而本发明所使用的二辊轧机工业领域中较为常见且价格合理，只需要在原有装置上结合液压成形工艺所需要的增压装置组件，因此此方法的经济效益较高，可有效降低异形变截面金属管的制造成本约10～20％。
[0031] 液压成形方法一般不用来成形变截面管材，因为内压一致不能改变，而轧制成形一般是针对棒材而不是针对岸金属管材。本发明将液压成形和轧制成形结合在一起。
[0032] 2.在内高压成形过程中，管内液压往往高于管材的屈服强度，使管材发生胀形，这个过程会使管材壁厚相对减薄，材料已发生不均匀流动，产生不必要的缺陷，而本方法采用充液压的压制成形，管材的内压小于管材的屈服强度，管材的厚度基本不发生变化或略微增厚，使得材料流动均匀，液压可以为管材提供一定刚度，使其不发生环向起皱，且压制成形过程中管材处于三向压应力状态，以上条件可以大大减小管材成形过程产生缺陷的趋势，从而有效提高生产合格率和单件的质量，且由于轧制的力学特点，成形后的管材将在轴线方向上拥有更好的力学性能。
[0033] 3.本发明对于异形变截面金属管采用基于传统液压成形技术的轧制成形方法，轧辊旋转一周轧出部分的管材便是一根完整的成品件，只需在切割平台上进行切割即可，因此此方法及装置可一次性快速生产多根管件，且根据轧机和轧辊的横向尺寸，可在轧辊的横向均匀布有2～3个成形凹槽，可实现同时生产2～3根管件，可提高成形效率50～70％以上，减少成形工步和周期。
[0034] 4.在内高压成形过程中，管材内压高于其屈服强度，且模具与管材完全贴合，胀形过程中接触面积较大，因此模具收到很大的成形反力，为了保证管材的贴模和压力稳定，内高压成形装置需要对模具施加较大的合模力，而本发明中管材的成形采用充液压的压制成形，管材的内压小于管材的屈服强度，且管材与轧辊的接触几乎为线接触，成形区仅为轧辊中间凹槽部分，成形过程中不需要很大的合模力，减小了成形设备的吨位和耗能，所用轧机设备吨位为100～200t即可。
[0035] 5.本发明还可以成形出大曲率半径的弯曲管，通过控制上下轧辊的角速度，是管材向角速度较慢的一侧进行弯曲，但若曲率半径过小，会发生弯曲内侧起皱行为，因此控制曲率半径在200mm以上。
[0036] 6.本发明在成形过程中几乎不发生停止，工艺参数恒定，可实现异形变截面金属管的连续批量生产，工艺连续性较好。
[0037] 7.本发明所使用的管材仅在端部的圆截面过渡段留有部分切割余量，且切割余量控制在10mm以内，用于后续的管材切割分段，其余部分管材均用于成形，材料利用率较高。
[0038] 8.若所成形的异形截面管件的轴向横截面恒定，不随轴向长度而变化，本发明可一次成形出任意长度的恒定截面管件，且成形轧辊可替换，工艺柔性好。
附图说明
[0039] 图1为本发明的一种基于液压成形技术的异形变截面管材的轧制成形装置的总装图，
[0040] 其中：1-闭环伺服控制系统操控台，2-增压器，3-轧机传动机构，4-压下装置，5-上模架，6-导柱，7-管件，8-密封头，9-送料平台，10-底座，11-轧辊，12-夹具，13-切割机，14-切割平台；
[0041] 图2为异形变截面管件沿轴向各位置的特征横截面示意图；
[0042] 图3为带有变截面凹槽轧辊的三维示意图，其中凹槽的形貌与图一所示管件相对应，通过对其反求得到；a为上轧辊三维示意图，b为下轧辊三维示意图；
[0043] 图4为上轧辊沿轧辊环向各角度的径向截面示意图；
[0044] 图5为异形变截面金属管成形过程的二维平面示意图(异形变截面金属管成形过程示意图)；
[0045] 图6为活动密封装置的示意图。具体实施方式：
[0046] 下面结合实例对本发明作进一步说明。
[0047] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考实施例来详细说明本发明。
[0048] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0049] 此实施例中所使用的管材材料为DP双相钢，其应变硬化指数n为0.06，平均延伸率δ为19.1％，屈服强度σs796Mpa，抗拉强度σb865Mpa成形后的管材的横向截面形状与月牙形近似，单根管材长度500mm，管材原直径为88mm，管材厚度t为2mm，如图2所示。
[0050] 该方法按以下步骤实施：
[0051] 步骤一、根据成形管件各截面形状，进行反求从而得到变截面的轧辊并加工，管件截面形状如图2所示，反求得到的轧辊特征由图3和图4所示；
[0052] 步骤二、确定轧制成形过程中的成形工艺参数，包括轧辊压下量、管材成形内压、轧辊转动角速度等，在本实施例中，管材成形所需的内压由公式p·r/t＝σs所确定，其中t为管件厚度，r为管材原始直径，得到管材内压为35Mpa时管件发生屈服，因此本发明的成形内压应小于此值，当内压过大时将增大管材与轧辊间的摩擦力，是管件无法贴模，而内压过小则会产生起皱等缺陷，经有限元模拟得到最佳成形内压为13Mpa，远远小于屈服内压35Mpa，而轧辊的转动角速度为1/6πrad/S；
[0053] 步骤三、将待成形的管坯两端进行密封，如图6所示；
[0054] 步骤四、将待成形管材端部放入上下轧辊的凹槽内；
[0055] 步骤五、启动轧机装置，将上轧辊压下并与下轧辊进行咬合，并施加一定合模力，如图1所示；
[0056] 步骤六、对管材进行充液压，充液内压应低于管材屈服强度；
[0057] 步骤七、轧辊按预定角速度进行转动，带动管材移动并在轧辊凹槽内部形成所需要的截面特征，如图5所示；
[0058] 步骤八、轧辊每进行一转便成形出一根管件，管件被轧辊传送至切割平台内进行快速切割得到单个管件，管件生产结束后，关闭轧机装置。
[0059] 过渡圆段也可为切割提供一定余量，本实施例中切割余量为8mm。
[0060] 步骤三所述管材密封方法不同于传统内高压成形所采用的冲头顶入密封，本发明采用活动密封方式，是密封头可随管材移动而进行自由运动，如图6所示。
[0061] 步骤二中所述的管材轧制成形过程中所需要的成形内压一般小于管材的屈服强度，本实施例中，经有限元模拟得到最佳成形内压为13Mpa，远远小于屈服内压35Mpa。
[0062] 步骤七中所述的管材在轧辊凹槽内的成形过程为压制成形，而不是常用的内高压胀形，充液压压制成形的全过程内，管材横截面的周长基本不发生变化或略微减小，本实施例中，管材的环向压制率7％以内。
[0063] 步骤七中所述的工作辊带有凹槽用于放置管材，凹槽的径向截面形状通过对管材的设计截面进行反求得到，轧辊用于成形的工作区即凹槽的径向截面形状沿轧辊的环向不断发生变化，并与管材的横向截面在轴向上的分布一一对应，如图3、4所示。
[0064] 步骤八中所述的轧辊周长与成形管材的设计长度基本一致，仅在端部留有部分切割余量，即轧辊在工作状态下旋转一周，管材在轧辊工作区凹槽内部成形，并有轧辊向前带动，成形出一根完整的异形变截面管材。
[0065] 本实施所述方法利用如下装置来实现：一种基于液压成形的金属异形变截面管材的轧制成形装置，所述装置包括：闭环伺服控制系统、增压器、机械传动机构、压下装置、上模架、导柱、密封头、送料平台、底座、一对轧辊、夹具、切割机和切割平台；压下装置、上模架、导柱、底座和一对轧辊构成轧机；上模架位于底座上方且一对轧辊位于二者之间，上模架可沿安装在底座上的导柱上下移动，压下装置设置在上模架上，一对轧辊中的上轧辊、下轧辊的外表面沿圆周方向设有环槽，上轧辊、下轧辊的环槽各截面形貌与预成形管材各截面形状吻合；上轧辊、下轧辊对合后形成的型腔用于供管材通过，密封头用于管材的端部进行密封，送料平台位于轧机轧入侧，其高度可进行调节，使管材轴心高度与工作轧辊凹槽轴心高度一致；切割平台位于轧机轧出侧，切割平台的两侧带有夹具，当一根完整管材成形轧出后，轧辊停止运动，由夹具对管材进行固定后，通过切割机对其进行切割；闭环伺服控制系统通过机械传动机构来控制上模架动作，增压器用于对管材内的充液进行加压。
[0066] 上轧辊、下轧辊是可拆卸工作轧辊。送料平台位置轧机轧入侧，其高度可进行调节，是管材轴心高度与工作轧辊凹槽轴心高度一致。切割平台位于轧机轧出侧，两侧带有夹具，当一根完整管材成形轧出后，轧辊停止运动，由夹具对管材进行固定后，切割机对其进行切割。密封头为活动密封形式，并在密封头内接入充液管道对管材进行充液压。
[0067] 进一步地，所述轧制成形装置的上轧辊的环槽截面是变化的，上轧辊的环槽包括起始段、两个过渡段和终成形段；起始段的两端各通过一个过渡段与终成形段的两端形成一个环槽，起始段的环槽截面为直径等于管坏外径的半圆形，终成形段的环槽截面与预成形管材截面相吻合；所述下轧辊的环槽截面为直径等于管坏外径的半圆形。
[0068] 起始段对应的圆心度可选为30至35度，每个过渡段对应的圆心角可选为40至45度。
[0069] 上轧辊、下轧辊的环槽形状相同，与预成形管材截面相吻合。
