利用管材高壓液壓成型方法製成的多重複合鋼管及其製造方法
2023-04-30 03:09:46
專利名稱：利用管材高壓液壓成型方法製成的多重複合鋼管及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種利用管材高壓液壓成型方法製成的多重複合鋼管及其製造方法， 尤其是涉及一種在外部鋼管內部，通過向內部鋼管施加水壓膨脹擴管以產生塑性變形，夕卜部鋼管因內部鋼管的塑性擴管而被彈性擴管並在去除壓力之後彈性收縮，從而無需其他粘合劑即可牢固結合內部鋼管和內部鋼管的製造方法。
背景技術：
管材高壓液壓成型方法是指在製造複雜部件時，不是利用各種形狀的衝壓模具對其單獨加工之後再進行焊接，而是將製成管狀的材料放入具備所需形狀的成型槽(VOID) 的模具內之後，向管內以高壓方式注入水等流體而進行加工的複合成型方式。上述加工工藝是材料回收率及生產效率較高的鋼管加工技術。一般而言，常用的雙重或多重結構鋼管的製造方法是將粘合劑或合成樹脂填充到內部鋼管和外部鋼管之間而使之結合，或對內部或外部鋼管進行加熱或冷卻處理並以收縮配合的方式製造。但是，上述鋼管存在如下問題第一、若通過填充粘合劑而結合內部鋼管及外部鋼管並製成雙重或多重鋼管時， 會因周圍溫度或環境所導致的化學變化而使其喪失結合性能，從而會降低內、外部鋼管之間的結合力。第二、因進行粘合劑塗布或合成樹脂填充時所需的鋼管表面處理及凝固等加工工藝較為複雜，從而會降低生產效率。第三、由於粘合劑或合成樹脂即使經較長時間也不能分解，而且使用粘合劑或合成樹脂時的製造成本也較高。第四、若通過熱處理方式進行結合，則需價格昂貴的熱處理設備，而且，若鋼管的長度較長，則無法通過熱處理加工而均勻地結合所有的面。
發明內容
本發明的目的在於提供一種多重複合鋼管及其製造方法，在結合內部鋼管和外部鋼管時，該製造方法不使用填充劑、粘合劑，而且也不採用熱處理工藝，而通過管材高壓液壓成型方法使內部鋼管擴管成型，使其產生塑性變形以使其緊貼外部鋼管，從而通過內部鋼管的擴管力使外部鋼管產生彈性變形及塑性變形，並通過彈性恢復而將其機械結合。本發明的另一目的在於一種提供多重複合鋼管制造方法，該製造方法以外部鋼管為準來優化內部鋼管成型槽的的大小，從而可以獲得理想的結合力。本發明的又一目的在於一種提供多重複合鋼管及其製造方法，該製造方法通過增大內部鋼管和外部鋼管的表面粗糙度而提高結合力。為了實現上述目的，本發明所述的多重複合鋼管制造方法包括準備外部鋼管、內部鋼管以及模具的步驟，其中上述內部鋼管具有相當於在上述外部鋼管內徑的95 98% 範圍的的外徑，上述模具具有相當於在上述外部鋼管外徑的100. 20 100. 30%範圍內的直徑的成型槽；向上述外部鋼管插入上述內部鋼管之後，將該組件設置於上述成型槽中的步驟；直至達到第一成型壓力為止向上述內部鋼管注入流體，從而使上述內部鋼管塑性膨脹以使其接觸上述外部鋼管的第一成型步驟；將上述內部鋼管的流體壓力增至第二成型壓力，從而使上述外部鋼管彈性膨脹以使其接觸上述成型槽的第二成型步驟；去除注入上述內部鋼管的流體而使上述外部鋼管彈性恢復，從而使上述外部鋼管和上述內部鋼管結合的彈性恢復步驟。其中，上述第一成型步驟的第一成型壓力相當於在上述內部鋼管的屈服強度和上述外部鋼管屈服強度之和的10 20 %範圍內，而上述第二成型壓力要維持2 3秒鐘。採用本發明時，不像現有技術中的雙重或多重結構鋼管的製造方法那樣將粘合劑或合成樹脂填充到內部鋼管和外部鋼管之間而進行結合，或對內部或外部鋼管進行加熱或冷卻處理並以收縮配合的方式製造，本發明通過管材高壓液壓成型方法使內部鋼管擴管成型，使其產生塑性變形以使之緊貼外部鋼管，從而通過內部鋼管的擴管力使外部鋼管產生彈性變形及塑性變形，並通過彈性恢復而將其機械結合。這樣結合的具有雙重或多重結構的鋼管，具有理想的結合強度，無需進行其他熱處理以及再使用粘合劑或合成樹脂，從而能節省製造成本，並可提高作業效率和生產效率。 另外，可根據產品用途以多種方式組合使用內部鋼管及外部鋼管的材料，且可以根據管材高壓液壓成型模具的形狀製造出各種形狀的產品。
圖1表示本發明所述的雙重鋼管的成品示意圖；圖2表示用於製造圖1所示雙重鋼管的內部鋼管和外部鋼管成型前的狀態和模具的剖面圖；圖3表示利用本發明所述的管材高壓液壓成型方法製成多重複合鋼管的工藝過程的示意圖；圖4是根據時間的推移表示施加於內部鋼管的流體壓力和軸向壓入量的曲線圖。
具體實施例方式下面，結合
本發明利用管材高壓液壓成型方法製成的多重複合鋼管及其製造方法的實施例。圖1表示本發明所述的雙重鋼管的成品示意圖。如圖所示，本發明所述的雙重鋼管的內部鋼管10和外部鋼管20之間無需其他的粘合劑或對其進行焊接，它們之間相互機械連接。下面，說明成品尺寸為如下數值時的內部鋼管10和外部鋼管20的製造方法內部鋼管10的外徑為Dl_f、厚度為tl_f，而外部鋼管20的外徑為D2_f、厚度為t2_f。本發明所述的雙重鋼管通過內部鋼管外表面和外部鋼管內表面之間的摩擦力相結合，而其結合力就是外部鋼管產生收縮時的彈力在內部鋼管外表面和外部鋼管內表面之間所產生的摩擦力。
因此，為提高結合力，可通過在一定程度上增大內部鋼管外表面或外部鋼管內表面的表面粗糙度的方法來提高其結合強度。根據將要後述的實驗結果，優選內部鋼管外表面或外部鋼管內表面的表面粗糙度在25 75 μ m的範圍之內。 本實施例中的鋼管具有圓形截面，但也可以製成截面呈非圓形的例如橢圓形、矩形、六角形、八角形等各種形狀。上述內部鋼管和外部鋼管由普通碳素鋼管、不鏽鋼管、鋁管、銅管等金屬製成，可用相同材料或不同材料等各種材料製成，而且可將內部鋼管和外部鋼管制成雙重以上或三重以上的多重結構。圖2表示用於製造圖1所示雙重鋼管的內部鋼管和外部鋼管成型前的狀態和模具的剖面圖。假設成型加工前內部鋼管外徑為Dl_i、厚度為tl_i，而外部鋼管外徑為D2_i、厚度為t2_i。成型加工前內部鋼管10的外徑Dl_i小於成品內部鋼管10的外徑Dl_f，而成型加工前內部鋼管10的厚度tl_i大於成品內部鋼管10的厚度tl_f。這是因為在成型加工時，內部鋼管的外徑會增大，但厚度會減少。這些成型加工前後厚度和外徑的變化，同樣發生在外部鋼管上。只是，內部鋼管10會產生塑性變形，而外部鋼管20是先彈性膨脹後再彈性收縮。因此，在製造內部鋼管10和外部鋼管20時，不要直接製成最終產品的規格，而要考慮上述的厚度和直徑的變化再行製造。上述考慮直徑和厚度變化的尺寸設計，通過模擬 (虛擬成型實驗)的成型實驗或反覆的實驗和嘗試去完成。在成型加工前的狀態下，內部鋼管10的外徑小於外部鋼管20的內徑。當膨脹並接觸外部鋼管20之後，內部鋼管10將繼續膨脹，直至外部鋼管20接觸模具。內部鋼管10將因膨脹而產生塑性變形。若內部鋼管10隻膨脹至其彈性區域，去除內部壓力之後則會復原至原來的形狀，從而無法與外部鋼管20結合。優選內部鋼管和外部鋼管的規格範圍為，外徑21.0 660. 4mm、厚度0.8 27. 0mm，而作為實驗結果中的內部鋼管10的擴管率為3 5%。因此，優選內部鋼管10的外徑在外部鋼管20內徑的95 98%的範圍內。若內部鋼管10的在擴管率3%以下，則將降低結合力，而內部鋼管10的擴管率若達到5 %以上，則將導致其表面不良或破損。將內部鋼管10插入外部鋼管之後，用油壓使內部鋼管10膨脹以使其產生塑性變形，而外部鋼管20也會隨內部鋼管10的膨脹而產生彈性變形。此時，準備具有一定成型槽的模具30，用以控制外部鋼管20的膨脹。優選模具30的成型槽的直徑D3相當於在成型加工前的外部鋼管直徑的 100. 20 100. 30%範圍內。成型槽用於限制外部鋼管的膨脹範圍，若外部鋼管膨脹 100. 20%以下，則結合力較弱，而若膨脹100. 30%以上，則會因外部鋼管也產生塑性變形， 從而降低結合力。外部鋼管20需在其彈性區域內膨脹，並在去除壓力時重新彈性收縮，因此，控制外部鋼管20的膨脹區域尤為重要，為此在本發明中利用模具30的成型槽的直徑D3來控制外部鋼管20的膨脹率。圖3表示利用本發明所述的管材高壓液壓成型方法製成多重複合鋼管的工藝過程的示意圖。準備完圖2所示的內部鋼管10、外部鋼管20及模具30之後，如圖3的左上端所示，在將內部鋼管10插入外部鋼管20的狀態下，將組件設置於模具30中。此時，在內部鋼管10和外部鋼管20之間和外部鋼管20和模具30之間存在一定間隙。接著，在密閉內部鋼管10的兩側之後，如圖4的壓力曲線所示，向內部鋼管10的內部注入流體並增加壓力，以使內部鋼管10膨脹。首先將壓力增加至第一成型壓力，如圖左下端所示，可使內部鋼管10緊貼外部鋼管20。此時，若壓力過於急劇增加或壓力過大時，則無法使內部鋼管10均勻膨脹，因此， 優選第一成型壓力在內部鋼管屈服強度的10 20%範圍內，進一步優選其在10 12%範圍內。將內部鋼管10均勻地緊貼固定在外部鋼管20中之後，將流體壓力增至第二成型壓力並使第二成型壓力維持2 3秒鐘。優選第二成型壓力在內部鋼管10的屈服強度和外部鋼管20的屈服強度之和的 10 20%範圍內，進一步優選其在10 12%範圍內。若成型壓力小於上述範圍，則成型加工不完全，若大於上述範圍，則會導致成型不均勻或降低其表面質量。在第二成型壓力的作用下，內部鋼管10和外部鋼管20—起膨脹，該膨脹將持續至外部鋼管20緊貼到模具30上為止。之後，若排出流體而去除使內部鋼管產生膨脹的壓力時，則外部鋼管會因彈性收縮而與內部鋼管的外表面機械結合。圖4是根據時間的推移表示施加於內部鋼管10的流體壓力和軸向壓入量的曲線圖。如圖所示，從密閉模具時開始，增加流體壓力，並開始軸向壓入操作。軸向壓入是指從兩側壓縮內部鋼管，有助於提高所供應的流體的氣密性和內部鋼管的膨脹。將流體壓力增至上述第二成型壓力之後，去除維持第二成型壓力之後的壓力。軸向壓入量將與流體的壓力增量成比例增加，而在維持第二成型壓力時，則不再增加軸向壓入量。在本實施例中，由於上述內部鋼管通過機械摩擦的方式與外部鋼管的內表面結合，從而可使內部鋼管和外部鋼管具有相同的中心，但本發明也可以製成截面呈非圓形的橢圓形、矩形、六角形、八角形等各種形狀。S卩，管材高壓液壓成型模具的截面形狀包括呈非圓形的橢圓形、矩形、六角形、八角形等各種形狀，其可使內部鋼管和外部鋼管具有相同的中心，並可在該狀態下使內部鋼管與外部鋼管結合，以使內部鋼管的外表面和外部鋼管的內表面具有相同的結合面，而且可以使其具有相同的機械摩擦力。
上述內部鋼管和外部鋼管由普通碳素鋼管、不鏽鋼管、鋁管、銅管等金屬製成，可用相同材料或不同材料等各種材料製成，而且可將內部鋼管和外部鋼管制成雙重以上或三重以上的多重結構。在製造三重管時，除具有與製造雙重管時相同的成型槽、外部鋼管及內部鋼管之外，還包括直徑小於內部鋼管直徑的第二內部鋼管。按第二內部鋼管、內部鋼管、外部鋼管、成型槽的順序結合之後，向第二內部鋼管施加壓力，從而通過第二內部鋼管的塑性膨脹使內部鋼管擴管，而且通過第二內部鋼管和內部鋼管的同時膨脹，使外部鋼管彈性擴管之後去除壓力，從而通過外部鋼管的彈性恢復， 結合第二內部鋼管、內部鋼管及外部鋼管。具體而言，本發明所述的三重管制造方法，包括準備外部鋼管、內部鋼管、第二內部鋼管以及模具的步驟，其中上述內部鋼管具有相當於在上述外部鋼管內徑的95 98% 範圍內的外徑，上述第二內部鋼管具有相當於在上述內部鋼管內徑的95 98%範圍內的外徑，上述模具具有相當於在上述外部鋼管外徑的100. 20 100. 30%範圍內的直徑的成型槽；向外部鋼管插入內部鋼管和第二內部鋼管之後，將該組件設置於上述成型槽中的步驟；直至達到第一成型壓力為止向第二內部鋼管注入流體，從而使上述第二內部鋼管塑性膨脹以使其接觸內部鋼管，從而利用第二內部鋼管的膨脹力使第二內部鋼管、內部鋼管及外部鋼管接觸的第一成型步驟；將第二內部鋼管的流體壓力增至第二成型壓力，從而使上述外部鋼管彈性膨脹以使其接觸成型槽的第二成型步驟；去除注入第二內部鋼管的流體，使上述外部鋼管彈性恢復，從而使外部鋼管、內部鋼管和第二內部鋼管結合的彈性恢復步驟。在此，第一成型步驟的第一成型壓力相當於在上述內部鋼管的屈服強度和上述第二內部鋼管的屈服強度之和的10 20%範圍內；上述第二成型步驟的第二成型壓力相當於上述第二內部鋼管的屈服強度、上述內部鋼管的屈服強度和上述外部鋼管的屈服強度之和的10 20%範圍內，且上述第二成型壓力要維持2 3秒鐘。下面，結合附圖對本發明的一個實施例進行詳細說明。實施例1)為觀察內部鋼管擴管率變化時的結合強度的變化情況，在使其他條件相同的狀態下，只改變內部鋼管擴管率並測量結合強度。實驗條件內部鋼管厚度2. 0mm、外部鋼管外徑55. 0mm、外部鋼管厚度2. 5mm、 外部鋼管內徑50· 0mm、第一成型壓力250bar、第二成型壓力500bar。表1表示內部鋼管擴管率變化時的結合強度的變化情況。表1
權利要求
1.一種多重複合鋼管制造方法，其特徵在於，包括準備外部鋼管、內部鋼管以及模具的步驟，其中所述內部鋼管具有相當於在所述外部鋼管內徑的95 98%範圍內的外徑，所述模具具有相當於在所述外部鋼管外徑的 100. 20 100. 30%範圍內的直徑的成型槽；向所述外部鋼管插入所述內部鋼管之後，將其設置於所述成型槽中的步驟； 直至達到第一成型壓力為止向所述內部鋼管注入流體，從而使所述內部鋼管塑性膨脹以使其接觸所述外部鋼管的第一成型步驟；將所述內部鋼管的流體壓力增至第二成型壓力，從而使所述外部鋼管彈性膨脹以使其接觸所述成型槽的第二成型步驟；去除注入所述內部鋼管的流體，使所述外部鋼管彈性恢復，從而使所述外部鋼管和所述內部鋼管結合的彈性恢復步驟，其中，所述第一成型步驟的第一成型壓力相當於在所述內部鋼管的屈服強度的10 20%範圍內，所述第二成型步驟的第二成型壓力相當於在所述內部鋼管的屈服強度和所述外部鋼管屈服強度之和的10 20%範圍內，且第二成型壓力維持2 3秒鐘。
2.根據權利要求1所述的多重複合鋼管制造方法，其特徵在於所述外部鋼管內表面的表面粗糙度在Ra 25 75 μ m範圍內，而所述內部鋼管外表面的表面粗糙度在Ra 25 75 μ m範圍內。
3.根據權利要求1所述的多重複合鋼管制造方法，其特徵在於所述外部鋼管的外徑在21. 0 660. 4mm,厚度在0. 8 27. Omm範圍內，而所述成型槽的直徑相當於在所述外部鋼管直徑的100. 20 100. 30%範圍內。
4.根據權利要求1所述的多重複合鋼管制造方法，其特徵在於所述外部鋼管的外徑在21. 0 660. 4mm,厚度在0. 8 27. Omm範圍，而所述內部鋼管的外徑相當於在所述外部鋼管內徑的95 98%範圍內，厚度在0. 8 27. Omm範圍內。
5.一種多重複合鋼管制造方法，其特徵在於，包括準備外部鋼管、內部鋼管、第二內部鋼管以及模具的步驟，其中所述內部鋼管具有相當於在所述外部鋼管內徑的95 98%範圍內的外徑，所述第二內部鋼管具有相當於在所述內部鋼管內徑的95 98%範圍內的外徑，所述模具具有相當於在所述外部鋼管外徑的 100. 20 100. 30%範圍內的直徑的成型槽；向所述外部鋼管插入所述內部鋼管和所述第二內部鋼管之後，將其設置於所述成型槽中的步驟；直至達到第一成型壓力為止向所述第二內部鋼管注入流體，從而使所述第二內部鋼管塑性膨脹以使其接觸所述內部鋼管，從而利用所述第二內部鋼管的膨脹力使第二內部鋼管、內部鋼管及外部鋼管接觸的第一成型步驟；將所述內部鋼管的流體壓力增至第二成型壓力，從而使所述外部鋼管彈性膨脹以使其接觸所述成型槽的第二成型步驟；去除注入第二內部鋼管的流體，使所述外部鋼管彈性恢復，從而使外部鋼管、內部鋼管和第二內部鋼管結合的彈性恢復步驟，其中，第一成型步驟的第一成型壓力相當於在所述內部鋼管的屈服強度和所述第二內部鋼管的屈服強度之和的10 20%範圍內，而所述第二成型步驟的第二成型壓力相當於在所述第二內部鋼管的屈服強度、所述內部鋼管的屈服強度和所述外部鋼管的屈服強度之和的10 20%範圍內，且所述第二成型壓力維持2 3秒鐘。
6.根據權利要求5所述的多重複合鋼管制造方法，其特徵在於所述外部鋼管內表面的表面粗糙度在Ra 25 75 μ m範圍內，所述內部鋼管內表面和外表面的表面粗糙度在Ra 25 75 μ m範圍內，而所述第二內部鋼管外表面的表面粗糙度在Ra 25 75 μ m範圍內。
7.—種多重複合鋼管，其特徵在於其通過權利要求1 6的任意一項所述的製造方法製成。
全文摘要
本發明提供一種多重複合鋼管制造方法，包括準備外部鋼管、內部鋼管及模具的步驟，內部鋼管的外徑為外部鋼管內徑的95～98％，模具具有直徑為外部鋼管外徑的100.20～100.30％的成型槽；向外部鋼管插入內部鋼管並設置於成型槽中的步驟；直至達到第一成型壓力止向內部鋼管注入流體，而使內部鋼管塑性膨脹並接觸外部鋼管的第一成型步驟；將內部鋼管的流體壓力增至第二成型壓力，從而使外部鋼管彈性膨脹並接觸成型槽的第二成型步驟；去除注入內部鋼管的流體，使外部鋼管彈性恢復，從而使外部鋼管和內部鋼管結合的彈性恢復步驟。其中，第一成型壓力在內部鋼管和外部鋼管的屈服強度之和的10～20％間，第二成型壓力維持2～3秒。
文檔編號B21D26/02GK102159337SQ200980101508
公開日2011年8月17日 申請日期2009年1月28日 優先權日2008年12月19日
發明者全東見, 羅祥默, 許柱行, 金孝燮, 金閏圭 申請人:現代Hysco株式會社