技术领域
[0001] 本发明涉及金属薄壁管件环向截面形状和壁厚控制技术领域，具体涉及一种大尺寸薄壁管件热气压成形管件截面形状和壁厚控制装置及方法。
相关背景技术
[0002] 管材热态气压成形工艺是一种高效的金属加工技术，该技术广泛应用于金属薄壁复杂异形截面管件的成形。在航空航天、汽车等制造领域，利用管材热态气压成形工艺能够生产出轻质、高强度且具有复杂截面特征的零部件。例如，航空领域中飞机的机翼、机身和尾翼部分采用大尺寸复杂异形截面薄壁管件时可以减轻重量同时可保证其结构强度和刚度。随着汽车工业的快速发展，汽车的底盘、车身结构件等部件，需要进一步轻量化和提高强度，以提升汽车的动力性能和安全性。因此，管材热态气压成形工艺在航空航天和汽车工业的大尺寸复杂异形截面薄壁零部件的成形中具有突出优势。
[0003] 大尺寸薄壁复杂异形截面管件在热气压成形前，放置到热气压成形模具中的管坯往往经过弯曲、压扁、预成型等多个前序工序的处理。在热气压成形开始时，管坯轴向不同位置处的截面外轮廓要小于模具型腔中对应位置的截面轮廓，且各位置处管坯截面形状与模具型腔中对应位置处截面形状的差异程度各不相同。管件热气压成形过程本质上是管坯截面逼近对应模具型腔截面的过程，该过程直接决定了热气压成形后管件各处的质量贴模程度、壁厚分布等。因此，需要对原始管坯进行合理的预成形以实现预制坯截面形状与对应模腔截面形成良好的匹配关系。
[0004] 此外在热态下，因为材料的屈服强度较低，其传递载荷的能力也被削弱，所以管坯相邻区域难以实现大的载荷传递受拉减薄、受压起皱。当管坯的直径较大时，管坯环向上各处的变形相互不影响，管坯虽然是封闭结构，但已无法传递环向应力，管坯的变形在某种程度上变为板坯变形。即当管坯上某一区域内储存有较多材料时，则在贴合模具内壁后容易形成无法展平的褶皱，而当管坯上某一区域内存储的材料较少时，则容易因材料过度减薄而出现开裂。由于管坯在热态下无法通过相邻区域内材料的相互载荷传递实现材料的转移，因此很容易因初始管坯上各处的材料分配不合理而出现严重的局部褶皱和局部减薄缺陷。
[0005] 为了解决大尺寸长度方向和直径方向薄壁管件快速热气压成形时，预制坯形状与模腔匹配难度高及管坯在热态下相邻区域材料难以相互转移、容易出现严重的局部褶皱和局部减薄缺陷的问题，需要一种大尺寸薄壁管件热气压成形管件截面形状和壁厚控制方法。
具体实施方式
[0039] 一种大尺寸薄壁管件热气压成形管件截面形状和壁厚控制装置，包括管坯环向截面控制装置和控制材料环向流动的终成形模具。
[0040] 环向截面控制装置包括升降组件、横移组件、内挤压组件、外挤压组件、限位锁紧组件和温控组件。
[0041] 所述的升降组件包括竖直操作圆盘1、升降螺杆2、主支撑板3、圆块4、定位杆5、阻挡环6。操纵竖直操作圆盘1使升降螺杆2旋转，从而带动主支撑板3升降。升降螺杆2的底部与圆块4相接触，圆块4固定在装置底部。定位杆5用于提高主支撑板3升降的稳定性，防止偏移，阻挡环6对主支撑板3的升降起约束作用。
[0042] 所述的横移组件包括水平操作圆盘7、横移螺杆8、水平移动支撑架9、保护环10。操纵水平操作圆盘7带动横移螺杆8旋转，从而带动水平移动支撑架9横向移动，保护环10保证横移螺杆8旋转的稳定性。
[0043] 所述的内挤压组件包括水平液压缸11、梯形块12、内压球支撑板13、内挤压固定框架14、滑槽15、滑杆16、滑块17、内压球18。滑块17与内压球支撑板13相连接，在滑槽14内升降运动。水平液压缸11推动梯形块12水平移动，内压球支撑板13在梯形块12的推动下进行升降运动，从而带动内压球18进行升降运动。
[0044] 所述的外挤压组件包括竖直液压缸19、外压球20。竖直液压缸19带动外压球20做升降运动。
[0045] 所述的限位锁紧组件包括局部连接架21、横向连接板22、上压紧环23、下支撑环24、稳定环25、稳定杆26。局部连接架21带动横向连接板22上下运动，从而带动上压紧环23上下运动。上压紧环23与下支撑环24共同作用对管坯实现限位锁紧。稳定环25和稳定杆26控制上压紧环23上下运动的稳定性，防止偏移。
[0046] 所述控温组件是感应线圈27。
[0047] 一种大尺寸薄壁管件热气压成形管件截面形状和壁厚控制方法，具体包括以下步骤：
[0048] 步骤一、对目标管材进行截面分析，确定管坯局部变形的位置和形状。通过对管材的截面分析，设计内压球和外压球的形状和大小，确定水平液压缸和竖直液压缸的尺寸和进给量。
[0049] 步骤二、上压紧环和下支撑环设计。根据管坯两端的截面形状，合理设计上压紧环和下支撑环的夹持凹槽，确保上压紧环和下支撑环在闭合时对管坯的有效锁紧。
[0050] 步骤三、终成形模具水路的设计。根据热力学仿真计算，在模具合适的部位设置冷却水道，使得管坯能够在终成形过程局部降温。
[0051] 步骤四、管坯的装配。将管坯放到支撑环上，操纵竖直操作圆盘使上压紧环对管坯进行锁紧。操纵水平操作圆盘，将水平液压缸移动到管材需要局部变形的部位。
[0052] 步骤五、管坯加热。感应线圈通电，监测管坯的温度变化。针对一些在常温下延伸率就比较高的材料，此步骤可取消。
[0053] 步骤六、管坯的局部冲压。待管坯升温到合适温度后，感应线圈断电。启动水平液压缸和竖直液压缸，分别推动内压球和外压球对管坯进行局部冲压。
[0054] 步骤七、取出成形管坯。退回水平液压缸和竖直液压缸，操纵竖直操作圆盘使上压紧环上升，取出成形后的管材。
[0055] 步骤八、管坯转移到终成形模具，在冷却水道中通入冷却水，在终成形过程中对管坯进行局部降温，从而实现对管坯壁厚的控制。
[0056] 下面将结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本方案的技术方案。
[0057] 具体实施方式一：结合图1～图9说明。本发明提出的一种用于大尺寸薄壁管件热气压成形管件截面控制方法，该方法是按照以下步骤进行的：
[0058] 步骤一、对目标管材进行截面分析，确定管坯局部变形的位置和形状。通过对管材的截面分析，设计内压球18和外压球20的形状和大小，确定水平液压缸11和竖直液压缸19的尺寸和进给量。
[0059] 步骤二、上压紧环23和下支撑环24设计。根据管坯两端的截面形状，合理设计上压紧环和下支撑环的夹持凹槽，确保上压紧环23和下支撑环24在闭合时对管坯29有效锁紧。
[0060] 步骤三、终成形模具水路的设计。根据热力学仿真计算，在终成形模具31合适的部位设置冷却水道30，使得管坯29能够在热气压成形过程中局部迅速降温。
[0061] 步骤四、管坯29的装配。将管坯29放到下支撑环24上，操纵竖直操作圆盘1使上压紧环23对管坯29进行锁紧。操纵水平操作圆盘7，将水平液压缸11移动到管坯29需要局部变形的部位。
[0062] 步骤五、管坯29加热。感应线圈27通电，监测管坯的温度变化。
[0063] 步骤六、管坯29的局部冲压。待管坯29升温到合适温度后，感应线圈27断电。启动水平液压缸11和竖直液压缸19，分别推动内压球18和外压球20对管坯29进行局部冲压，形成局部凸起和凹陷截面特征，如图8所示。
[0064] 步骤七、取出成形管坯29。退回水平液压缸11和竖直液压缸19，操纵竖直操作圆盘1使上压紧环23上升，取出成形后的管坯。
[0065] 步骤八、管坯29转移到终成形模具31，在冷却水道30中通入冷却水，在热气压成形过程中对管坯29进行局部降温以提高该位置材料的环向流动性来协调其相邻圆角区域的材料充填，从而实现对管坯29壁厚的控制。
[0066] 具体实施方式二：针对一些在常温下延伸率就比较高的材料，可以取消在步骤五中对管坯29加热的环节。其它步骤，与具体实施方式一相同。
[0067] 具体实施方式三：对于表面质量要求较高的预成形管坯，可以在步骤一中，对预成形管坯进行截面分析，确定预成形管坯局部变形的位置和形状。通过对预成形管坯的截面分析，设计内压球18和外压球20的形状和大小，同时设计内压球18和外压球20的材料，选择高性能合金钢作为内压球18和外压球20的材料，通过精密研磨和抛光工艺，提高其表面光洁度至Ra0.1μm以下，再确定水平液压缸11和竖直液压缸19的尺寸和进给量。在步骤五中，管坯29的局部冲压。待管坯29升温到合适温度后，感应线圈27断电。启动水平液压缸11和竖直液压缸19，分别推动内压球18和外压球20对管坯29进行局部冲压。通过传感器实时监测内压球18和外压球20与管材29的接触状态，并根据监测结果调整传感器的推进速度，以确保成形精度。其它步骤，与具体实施方式一相同。
