微金屬T形管的內高壓成形設備及成形方法與流程
2023-05-16 08:39:31 1
本發明涉及金屬管件加工技術領域，尤其涉及一種微金屬t形管的內高壓成形設備及微金屬t形管的內高壓成形方法。
背景技術：
進入20世紀90年代，隨著製造領域中微型化趨勢的不斷發展，微型零件的需求量越來越大，特別是在微型機械(micromachine)和微型機電系統(microelectro-mechanicalsystem，mems)中，比較典型的應用是電子產品及醫療器械的零部件生產。當今科技研究的兩個趨勢是巨型化和微型化。其中，微型化因其可大批量生產，高效率，高精度，成本低，汙染少等優勢深受市場的需求。目前，微成形主要分為微體積成形(如擠壓、墩粗、脹形、鍛造等)，微薄板成形(如拉伸、衝裁、彎曲等)。
作為一種較常見的內高壓成形方式，t形三通管的內高壓成形在實驗研究和工業領域有著較廣泛的應用。常規內高壓成形t形管設備的介質為液壓。在此基礎上，由於金屬微細管和常規尺寸管材在成形過程中存在著差異，最明顯的區別在於微金屬t形管成形過程中需要的壓力遠遠大於常規尺寸的金屬t形管材，而需要提供過高的壓力對設備各方面性能要求高，難度大。
為了解決上述問題，常採用對管材加熱的方法來降低管材強度，以達到降低成形壓力的目的。但是，如果在採用加熱的前提下使用傳統的液壓成形設備加工成形，其高溫條件容易導致液體介質燃燒等意外發生，所以考慮到內高壓液體介質燃點等的限制，不適用於高溫條件下成形，在一定程度上限制了微金屬t形管成形技術的發展。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
為了解決現有技術的上述問題，本發明提供一種操作方便，安全性能高，能夠在高溫條件下實現微金屬t形管的氣壓內高壓成形，降低對成形壓力的要求和對設備的性能要求，節省製造成本的微金屬t形管的內高壓成形設備及成形方法。
(二)技術方案
為了達到上述目的，本發明採用的主要技術方案包括：
本發明提供一種微金屬t形管的內高壓成形設備，包括機架、安裝在機架上的成形模具、呈直線排布的兩個軸端進給衝頭、以及用於限制t形管成形高度的成形端平衡衝頭，所述成形模具包括上模和下模，所述上模和下模上均設置有t形型腔，每個軸端進給衝頭均與一軸端進給動力裝置連接，成形端平衡衝頭垂直於兩個軸端進給衝頭設置，且與成形端平衡動力裝置連接，兩個軸端進給衝頭中的其中一個軸端進給衝頭上設置有氣體通道，所述氣體通道與高壓氣體供給裝置連接，所述上模的底部和下模的頂部均安裝有加熱裝置；
當上模和下模閉合時，啟動加熱裝置，並向氣體通道內通入高壓空氣，兩個軸端進給衝頭伸入並擠壓待成形微金屬管的兩端，同時，成形端平衡衝頭向垂直並遠離待成形微金屬管的方向後退預設距離，將待成形微金屬管成形為微金屬t形管。
優選的，所述成形設備還包括熱電偶和溫控器，所述溫控器分別與加熱裝置與熱電偶連接，所述熱電偶用於實時檢測待成形微金屬管的加熱溫度。
優選的，所述上模和下模上各相應t形型腔的成形端兩側均設置有安裝孔，所述安裝孔內安裝有加熱棒。
優選的，所述高壓氣體供給裝置包括高壓儲氣容器，所述高壓儲氣容器通過高壓管與氣體通道連通，所述高壓管上安裝有氣壓開關閥、安全閥、減壓閥和壓力表。
優選的，所述成形設備還包括壓力控制器、與壓力控制器連接的壓力傳感器和壓力顯示裝置，所述壓力傳感器安裝在上模上，用於檢測合模壓力的大小。
優選的，所述成形設備還包括與上模連接且驅動上模升降運動的模具動力裝置，所述模具動力裝置包括從上到下依次連接的伺服電機、減速器、聯軸器和絲槓螺母組件。
優選的，所述絲槓螺母組件的螺母通過安裝支架與活動板連接，所述上模安裝在活動板的底部，所述下模安裝在機架的底板上；
所述成形設備還包括導杆組件，所述導杆組件包括若干個導杆，所述導杆的底端與機架的底板連接，所述活動板可沿導杆升降運動，並帶動上模升降運動；
所述機架的底板底部連接有第一支撐底座，所述第一支撐底座上設置有兩條平行導軌，兩個所述軸端進給動力裝置安裝在兩條導軌內，所述成形端平衡動力裝置安裝在第二支撐底座上。
優選的，所述第一支撐底座和第二支撐底座的底部均設置有支撐腳，所述支撐腳與相應支撐底座之間設置有升降調整裝置，用於調節相應支撐底座的水平高度。
優選的，所述機架上設置有上限位裝置和下限位裝置，分別對上模的升降距離進行限定。
一種利用上述的微金屬t形管的內高壓成形設備實現微金屬t形管的內高壓成形的方法，包括如下步驟：
s1：接通電源，將成形模具的上模與下模分離開，將待成形微金屬管置於下模的t形型腔中；
s2：上模和下模閉合，啟動加熱裝置，並向氣體通道內通入高壓空氣，兩個軸端進給衝頭同時由待成形微金屬管的兩端向中間緩慢進給相同距離，成形端平衡衝頭向垂直並遠離待成形微金屬管的方向後退預設距離，直到成形為預定成形高度的t形管；
s3：待成形後，關閉加熱裝置，停止供氣，撤回成形端平衡衝頭和兩個軸端進給衝頭，分離上模與下模，取出微金屬t形管。
(三)有益效果
本發明的有益效果是：
本發明在成形模具的上模底部和下模頂部安裝加熱裝置，通過加熱裝置在氣壓內高壓成形過程中對待成形微金屬管進行加熱，以提高管材在成形過程中的塑性流動性，從而有助於微金屬t形管成形性的提高，使得成形管件的壁厚更加均勻，大大提高了微金屬t形管的成形質量和生產效率，降低了對成形壓力的要求和對設備的性能要求，節省了製造成本。
此外，內高壓成形設備的介質可採用空氣，取材方便，相對於油液等成形介質，避免了高溫加熱下由於燃點引起的安全隱患問題，成形環境乾淨且空氣的可壓縮性大，通過採用高壓力氣泵裝置打入高壓氣瓶，存儲方便，進一步節省了製造成本。成形後氣體壓力介質排放到空氣中，可循環利用且無汙染，相比於目前常用的液壓t成形工藝，無需設置液壓油回收裝置，使用清潔，節約了加工設備的成本。
本發明的微金屬t形管的內高壓成形設備可進行不同金屬材料的氣壓t成形實驗，研究不同成形條件對同一金屬管材或同一成形條件對於不同金屬管材t成形的影響程度，通過大量的實驗可以得到不同材料的最優加工成形條件。在微成形領域，成形溫度是一個重要的成形條件，且對壁厚均勻有一定的影響，所以，本發明在加熱條件下的氣壓t成形工藝是一個有前景的研究方向。
附圖說明
圖1是本發明優選實施例中微金屬t形管的內高壓成形設備的主視圖；
圖2是本發明優選實施例中微金屬t形管的內高壓成形設備的左視圖；
圖3是本發明優選實施例中成形衝頭的工作狀態圖；
圖4是本發明優選實施例中上下模合模的狀態圖；
圖5是本發明優選實施例中成形衝頭的工作狀態圖，其中，箭頭指向為各衝頭的移動方向；
圖6是本發明優選實施例中高壓氣體供給裝置的連接結構圖，其中，箭頭指向為氣體的流向。
圖中：
1、機架；2、成形端平衡衝頭；3、成形端平衡動力裝置；4、上模；5、下模；6、伺服電機；7、減速器；8、聯軸器；9、滾珠絲槓螺母組件；10、第一支架；11、連接板；12、導杆；13、底板；14、第二支架；15、活動板；16、上限位器；17、下限位器；18、第一支撐底座；19、導軌；20、第一軸端進給動力裝置；21、第二軸端進給動力裝置；22、第一軸端進給衝頭；23、第二軸端進給衝頭；24、高壓儲氣瓶；25、高壓軟管；26、氣壓開關閥；27、安全閥；28、減壓閥；29、第二支撐底座；30、支撐腳；31、升降調整裝置；32、第一安裝穿孔；33、第二安裝穿孔；34、熱電偶安裝孔；35、高壓氣體供給裝置。
具體實施方式
為了更好的解釋本發明，以便於理解，下面結合附圖，通過具體實施方式，對本發明作詳細描述。
優選實施例
本實施例提出了一種優選的微金屬t形管的內高壓成形設備，如圖1至圖6所示，該微金屬t形管的內高壓成形設備包括機架1、安裝在機架1上的成形模具、兩個軸端進給衝頭、用於限制t形管成形高度的成形端平衡衝頭2、模具動力裝置、兩個軸端進給動力裝置、成形端平衡動力裝置3、導杆組件、加熱系統(加熱裝置、熱電偶和溫控器)、壓力檢測系統(壓力傳感器、壓力控制器和記錄儀)和高壓氣體供給裝置35等部件。
在本實施例中，如圖1所示，在本實施例中，成形模具包括上模4和下模5，模具動力裝置與上模4連接且驅動上模4進行升降運動。其中，模具動力裝置包括從上到下依次連接的伺服電機6、減速器7、聯軸器8和滾珠絲槓螺母組件9。上述伺服電機6與控制器、開關、限位器、220v電源相連接，並且為了防止意外情況的發生，可設置升降開關控制按鈕。減速器7安裝在第一支架10上，第一支架10安裝在機架1的連接板11上。聯軸器8與減速器7連接，並安裝在第一支架10與機架1的連接板11之間。
參見圖2，導杆組件包括對稱設置的四個導杆12，四個導杆12均固定安裝在機架1的底板13上。滾珠絲槓螺母組件9的絲槓與聯軸器8連接，滾珠絲槓螺母組件9的螺母安裝在第二支架14上，第二支架14的底部與活動板15連接，螺母升降運動並帶動活動板15沿導杆組件的四個導杆12進行升降運動。上模4安裝在活動板15的底部，可隨活動板15的升降運動而升降。下模5固定安裝在機架1的底板13上，且位於上模4的正下方。上模4和下模5上均設置有t形型腔。當合模時，待成形微金屬管位於上模4的t形型腔和下模5的t形型腔形成的t形密閉腔中進行內高壓成形。
在本實施例中，上模4連接有壓力傳感器，可實時檢測合模壓力的大小，使得合模力控制在合理的範圍，在不影響成形的同時不損壞成形模具，延長了成形模具的使用壽命。壓力控制器分別與壓力傳感器和記錄儀連接。壓力控制器接收壓力傳感器的壓力檢測信號並將該檢測信號傳輸給記錄儀進行顯示，以方便操作者觀察成形過程中的受力情況。
在本實施例中，機架1的左側壁上設置有上限位器16和下限位器17(參見圖1)，上限位器16和下限位器17分別位於活動板15所能升降活動的上下兩個極限位置，其中，上極限位置處於機架1的連接板11與活動板15之間，下極限位置處於活動板15與下模5之間，從而對上模4的升降距離進行限制，用以防止壓力過大而破壞微金屬管材的t形成形模具。
在本實施例中，參見圖3，機架1的底板底部連接有第一支撐底座18，第一支撐底座18上設置有兩條平行的導軌19，兩個軸端進給動力裝置安裝在兩條導軌19的兩端部，呈同一直線排布。兩個軸端進給動力裝置為第一軸端進給動力裝置20和第二軸端進給動力裝置21。第一軸端進給動力裝置20和第二軸端進給動力裝置21的結構基本相同，均包括支架以及安裝在支架上且依次連接的伺服電機、減速器和聯軸器。兩個軸端進給衝頭為第一軸端進給衝頭22和第二軸端進給衝頭23。第一軸端進給動力裝置20與第一軸端進給衝頭22連接，用來驅動第一軸端進給衝頭22沿水平方向前後運動，第二軸端進給動力裝置21與第二軸端進給衝頭23連接，用來驅動第二軸端進給衝頭23沿水平方向前後運動。
在本實施例中，參見圖5，第一軸端進給衝頭22和第二軸端進給衝頭23的徑向外徑與待成形微金屬管的內徑一致，不僅使兩個軸端進給衝頭的端部在成形過程中能夠伸入待成形微金屬管的兩端管內，而且可以保持氣壓內高壓成形過程中的壓力，保證氣密性，防止發生漏氣現象而影響微金屬t形管的成形。
在本實施例中，參見圖1、3和圖6，第二軸端進給衝頭23的中心開設有氣體通道，該氣體通道與高壓氣體供給裝置35連接。高壓氣體供給裝置35包括高壓儲氣瓶24和高壓空氣壓縮機，高壓空氣壓縮機可用來給高壓儲氣瓶24充氣，預存儲氣壓一般為40mpa，此氣壓設備理論輸出壓力上最高能達到30mpa，最低達到0.5mpa，可使用小型空氣壓縮機對高壓儲氣瓶24充氣，易於操作，方便快捷。高壓儲氣瓶24通過高壓軟管25、不鏽鋼管道等高壓管與氣體通道連接，高壓軟管25上安裝有氣壓開關閥26、安全閥27、減壓閥28和測量高壓空氣的壓力表(附圖未示出)。需要通氣時，打開氣壓開關閥26，通過高壓軟管25和不鏽鋼管道等高壓管向第二軸端進給衝頭23的氣體通道內通入成形介質高壓氣體。
上述的高壓氣體採用空氣，取材方便，相對於油液等成形介質，避免了高溫加熱下由於燃點引起的安全隱患問題，成形環境乾淨且空氣的可壓縮性大，通過採用高壓力氣泵裝置打入高壓儲氣瓶24，存儲方便，進一步節省了製造成本。成形後氣體壓力介質排放到空氣中，可循環利用且無汙染，相比於目前常用的液壓t成形工藝，無需設置液壓油回收裝置，使用清潔，節約了加工設備的成本。
成形端平衡動力裝置3安裝在第二支撐底座29上。成形端平衡衝頭2垂直於兩個軸端進給衝頭設置，且與成形端平衡動力裝置3連接，成形端平衡動力裝置3用來驅動成形端平衡衝頭2沿垂直於兩個軸端進給衝頭的水平方向前後運動，即，成形端平衡衝頭2的運動軌跡與第一軸端進給衝頭22、第二軸端進給衝頭23的運動軌跡之間形成「t」形。
在本實施例中，第一支撐底座18的底部兩端各設置有支撐腳30，支撐腳30與第一支撐底座18之間設置有升降調整裝置31，通過升降調整裝置31可調整第一支撐底座18的水平高度，使第一支撐底座18保持水平。第二支撐底座29的底部也設置有支撐腳30，支撐腳30與第二支撐底座29之間同樣設置有升降調整裝置31，通過此升降調整裝置31可調整第二支撐底座29的水平高度，使第二支撐底座29保持水平。
在本實施例中，參見圖4，上模4的底部且位於上模t形型腔的成形端兩側(成形困難的地方)各設置有兩個第一安裝穿孔32，四個第一安裝穿孔32均貫穿上模4且平行於成形端平衡衝頭2設置，每個第一安裝穿孔32內安裝有加熱棒，可在t形管成形過程中加熱容納在上模t形型腔內的待成形微金屬管上半部。下模5的頂部且位於下模t形型腔的成形端兩側(成形困難的地方)各設置有兩個第二安裝穿孔33，四個第二安裝穿孔33均貫穿上模4且平行於成形端平衡衝頭2設置，每個第二安裝穿孔33內也安裝有加熱棒，可在t形管成形過程中加熱容納在下模t形型腔內的微金屬管下半部。兩側的第一安裝穿孔32和第二安裝穿孔33上下對稱設置，上下模上的加熱棒共同均勻地加熱待成形微金屬管，與對成形管材的某一部分進行加熱相比，不僅可以提高管材在成形過程中的塑性流動性，有助於微金屬t形管成形性的提高，使得成形管件的壁厚更加均勻，提高微金屬t形管的成形質量和生產效率，而且可以降低對成形壓力的要求和對設備的性能要求，節省製造成本。這種整體式加熱方式操作方便，溫升快、高效，易於控制。
在本實施例中，上模4的底部且位於上模t形型腔的成形端正上方處，以及下模5的頂部且位於下模t形型腔的成形端正下方處各設置有一熱電偶安裝孔34，即上模4上的熱電偶安裝孔34恰好位於上模4兩側的第一安裝穿孔32之間，下模5上的熱電偶安裝孔34恰好位於下模5兩側的第二安裝穿孔33之間。上模4和下模5上的熱電偶安裝孔34內各安裝有熱電偶，可分別檢測待成形微金屬管上半部和下半部的加熱溫度。溫控器安裝在上模4或下模5上，溫控器分別與上述的各熱電偶和相應的加熱棒連接。溫控器可根據各熱電偶檢測到的溫度信號控制啟動或關閉相應的加熱棒，方便對待成形微金屬管的加熱溫度進行控制，控制加熱溫度在滿足試驗需要的合適範圍，有助於成形性的提高。採用上述加熱系統可以進行不同溫度對比試驗，以便研究溫度對金屬成形性能的影響。
具體的，使用本實施例的成形設備成形微金屬t形管的過程如下：
如圖1和圖5，首先接通電源，控制模具動力裝置的伺服電機6反轉回到初始位置，該伺服電機6驅動絲槓反向運動並帶動活動板15向上運動，使成形模具的上模4和下模5分離出一定空間，將待成形微金屬管放置在下模5的t形型腔內。然後，控制上述的伺服電機6正轉，驅動絲槓正向運動並帶動活動板15向下運動，使下壓成形模具至上模4與下模5緊密貼合(此時要使成形件與模腔緊密貼合，以保證成形的完整性)。之後，溫控器控制加熱棒開始工作，對待成形微金屬管進行加熱，以提高待成形微金屬管的塑形流動，啟動高壓氣體供給裝置35，向氣體通道內通入高壓空氣，對管材內加壓，同時，在第一軸端進給動力裝置20和第二軸端進給動力裝置21的兩個伺服電機驅動下，第一軸端進給衝頭22和第二軸端進給衝頭23同步(移動速度相同)且緩慢地由待成形微金屬管的兩端向中間推進移動，以進行補料；在成形端平衡動力裝置3的驅動下，成形端平衡衝頭2緩慢地向遠離待成形微金屬管的方向後退(為了出現t形)，當成形端平衡衝頭2移動到預定位置(達到成形高度的預設距離)後，推動第一軸端進給衝頭22和第二軸端進給衝頭23停止運動。為了保證管材的成形完整，在第一軸端進給衝頭22和第二軸端進給衝頭23停止運動後，需要保壓一段時間之後再洩壓。在高氣壓、以及成形模具、兩個軸端進給衝頭和成形端平衡衝頭2的共同作用下，待成形微金屬管最終成形為具有預定成形高度的微金屬t形管。待充分成形後，先停止加熱，後停止進給和供氣，撤去兩個軸端進給衝頭，分離上下模，取出成形的微金屬t形管。採用上述方法成形的微金屬t形管成形完整，成形端外壁平整規則，成形質量高。
本發明的微金屬t形管的內高壓成形設備成形模具採用不鏽鋼，壽命長，同時可進行其他金屬材料的氣壓t成形實驗，研究不同成形條件對同一金屬管材或同一成形條件對於不同金屬管材t成形的影響程度，通過大量的實驗可以得到不同材料的最優加工成形條件。
例如，採用鋁材的微形管l*d*t＝5mm*1mm*0.2mm，查找可知鋁在溫度為20℃-100℃之間的線膨脹係數α＝2.303*10-5，所以在溫度變化時會產生溫度應力。設常溫下需要成形的鋁管的壓力為p1(mpa)，假設常溫為t1＝20℃，在加熱後，由於溫度應力的產生，對鋁管內部的壓應力σt＝α*e*(t2-t1)。其中e為管材的彈性係數(e＝71.7gpa＝0.717*105)，設t2＝80℃。所以在相同條件下溫度從20℃加熱到80℃，可以產生的溫度應力σt＝α*e*(t2-t1)＝99mpa。設80℃時需要的成形壓力為p2，有p1＝σt+p2，可見成形溫度對降低成形壓力極為有效，且對壁厚均勻有一定的影響。此外，如果用液體介質還需要考慮摩擦和燃點等問題，由此，本發明在加熱條件下的氣體內高壓成形工藝是一個有前景的研究方向。
此外，本實施例還提供了一種利用上述的微金屬t形管的內高壓成形設備實現微金屬t形管的內高壓成形的方法，包括如下步驟：
s1：接通電源，將成形模具的上模4與下模5分離開，將待成形微金屬管置於下模5的t形型腔中；
s2：上模4和下模5閉合，啟動加熱裝置，並向氣體通道內通入高壓空氣，兩個軸端進給衝頭同時由待成形微金屬管的兩端向中間緩慢進給相同距離，成形端平衡衝頭2向垂直並遠離待成形微金屬管的方向後退預設距離，直到成形為預定成形高度的t形管；
s3：待成形後，關閉加熱裝置，停止供氣，撤回成形端平衡衝頭2和兩個軸端進給衝頭，分離上模4與下模5，取出微金屬t形管。
本發明中兩個軸端進給衝頭進給要保證一致，才能更好的保證成形件的壁厚均勻程度。成形過程使用加熱的方式來降低對成形壓力的需求，降低了提高壓力的設備性能要求和成本。本發明採用氣壓內高壓的方式成形，避免考慮加熱條件下由於油液等成形介質燃點低的一系列問題，脹形介質環保廉價環保，不需要潤滑等工藝，簡化了成形的工藝過程，打破了傳統的微型加工工藝，是符合產品製造發展趨勢的一種手段，同時也對設備和加工工藝過程的氣密性提出了要求。根據材料的性質採用加熱的方法提高管材在成形過程中的塑性流動性，可以使得成形件質量提高。
需要理解的是，以上對本發明的具體實施例進行的描述只是為了說明本發明的技術路線和特點，其目的在於讓本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，但本發明並不限於上述特定實施方式。凡是在本發明權利要求的範圍內做出的各種變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。