專利名稱：一種拼焊管的脹形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管狀結(jié)構(gòu)件的脹形方法。
背景技術(shù)：
目前，管材液壓成形技術(shù)在航空、航天和汽車制造業(yè)得到了愈來愈廣泛 的應用，利用該工藝生產(chǎn)的各種空心變截面管件使結(jié)構(gòu)更具輕量化。以汽車 底盤結(jié)構(gòu)件為例，由于不同部位承擔載荷不同，因此各部分強度、剛度的要 求不同。對于強度和剛度要求高的部位，可以通過改變截面形狀和尺寸或采 用較高強度材料提高截面模量和抗彎、抗扭性能。
為了在增加構(gòu)件承載能力的同時，不過多增加構(gòu)件的質(zhì)量，可以有兩種 方法 一是可以將其設(shè)計成變厚度構(gòu)件，即在需要較高強度和剛度的部位， 采用較大的厚度，在承載較小的部位，采用較小的厚度。例如制造汽車零件 時，根據(jù)載荷分布情況來設(shè)計零件壁厚，可使零件重量減輕33%。 二是可以 采用不同密度的材料制造異種材料拼焊結(jié)構(gòu)件，如將鋁合金與鋼焊接，在強 度要求高的部位采用高強度材料，在承載小的部位采用鋁合金等低密度低強 度材料。為此，與目前使用較多的拼焊板沖壓技術(shù)相仿，提出了拼焊管成形 技術(shù)。目卩根據(jù)結(jié)構(gòu)承載能力需要將厚度不同或強度、密度不同的管材拼焊 在一起，制造變強度的空心變截面結(jié)構(gòu)件，這種零件與普通等厚度管材構(gòu)件 相比，去除了多余的材料或部分使用輕質(zhì)材料，既滿足構(gòu)件強度和剛度要求， 又減輕了結(jié)構(gòu)重量，同時優(yōu)化材料成本。
德國Mudar&Bender公司已有簡單的拼焊管產(chǎn)品問世，產(chǎn)品被應用在一些 高級轎車上。與拼焊板成形相比，拼焊管成形屬于一種較新的成形技術(shù)，目 前研究還處于起步階段。葡萄牙學者通過數(shù)值模擬研究了鋁合金差厚拼焊管 內(nèi)高壓成形中焊縫移動規(guī)律，并指出厚度比越大焊縫移動量越大。北京航空 航天大學對比研究了差厚拼焊管和等厚管軸向壓縮時在能量吸收上的差別， 指出差厚管具有質(zhì)量輕、吸能性好、初始峰值低等優(yōu)點,在輕量化車身縱向吸 能結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，具有較為廣泛的應用前景，并能提高汽車的被動安全性。
典型拼焊管結(jié)構(gòu)如圖l所示，即采用外徑相等、壁厚不等的管材焊接獲 得差厚拼焊管，薄管初始厚度為^厚管初始厚度為t2，將該拼焊管放入模
具中施加內(nèi)壓，通過脹形獲得圖2所示零件。
傳統(tǒng)工藝方法如圖3所示，將拼焊管材置于模具l中，在管材內(nèi)施加內(nèi) 壓，使薄管、厚管同時脹形貼模。但是，拼焊管材在進行脹形時，由于管材 壁厚差異，較薄的部分先發(fā)生變形，而較厚的部分后發(fā)生變形，往往在薄管 基本貼模時，厚管才發(fā)生變形，由于薄管大部分已貼模，在厚管脹形時，厚 管將首先在焊縫附近發(fā)生膨脹，并使焊縫向厚管外端方向移動，使焊縫附近 的薄管局部(圖2中的AB段)發(fā)生較大軸向伸長，易導致薄管接近焊縫的 部位(圖2中的B點附近)發(fā)生局部減薄，從而在最終零件上形成一個環(huán)形 的薄弱部分，在零件使用過程中該處易產(chǎn)生應力集中，影響零件整體的疲勞 強度。研究表明，對于外徑40mm， t尸1.4mm， t2=2.8mm的低碳鋼拼焊管成 形，薄管B點減薄率比M點高5.2M，如圖9所示，其中，減薄率為管材初 始厚度與變形后厚度的差值占初始厚度的百分比。
如果采用不同強度管材制成拼焊管坯，即使管坯壁厚相等，在脹形過程 中同樣會存在上述問題，g卩低強度管材優(yōu)先發(fā)生脹形，并在焊縫附近發(fā)生 較大的局部減薄，從而降低結(jié)構(gòu)的強度，尤其是疲勞強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有在脹形過程中存在的低強度管材優(yōu)先發(fā)生脹 形，并在焊縫附近發(fā)生較大的局部減薄，從而降低結(jié)構(gòu)的強度，尤其是疲勞 強度的問題，提供一種拼焊管的脹形方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的步驟一、先將初始管坯置入初始模具中， 合模后施加合模力，用兩個沖頭密封住初始管坯的兩端，然后向初始管坯內(nèi) 注入高壓液體，初始模具將初始管坯的薄管或低強度管的外壁完全約束住， 并將厚管或高強度管靠近薄管或低強度管一側(cè)的CD段同時進行約束，使厚 管或高強度管CD段以外的管段發(fā)生脹形，直至厚管或高強度管CD段以外 的管段貼模，獲得中間形狀工件；步驟二、將步驟一成形的中間形狀工件放 入具有最終形狀模腔的模具中，合模后施加合模力，用兩個沖頭密封住中間 形狀工件的兩端，向中間形狀工件內(nèi)注入高壓液體，在內(nèi)壓作用下，薄管或 低強度管以及厚管或高強度管的CD段發(fā)生脹形變形，得到最終形狀的拼焊 管。
本發(fā)明的方法在步驟二中拼焊管的變形過程中薄管或低強度管的中部先 貼模，然后，隨著內(nèi)壓的增大，薄管或低強度管逐步貼模，且在步驟一中未 脹形的厚管或高強度管的CD段同時發(fā)生脹形，由于厚管或高強度管的大部 分已貼模，這一脹形過程中厚管或高強度管基本不會再向外端方向移動，焊 縫位置可基本不變，于是焊縫附近薄管或低強度管不會受到軸向拉應力作用， 避免了該部位局部減薄的缺陷。本發(fā)明避免了一步脹形時由于薄管或低強度 管優(yōu)先變形導致的焊縫移動，以及焊縫附近薄管或低強度管的局部減薄，提 高了成形件的疲勞強度。


圖1是背景技術(shù)中拼焊管脹形前的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是背景技術(shù)中通過 脹形獲得的拼焊管的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是傳統(tǒng)工藝方法將拼焊管材置于模具 中的示意圖，圖4是步驟一中的模具及拼焊管的示意圖，圖5是步驟一中加 工的拼焊管的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是步驟二中的模具及拼焊管的示意圖，圖7 是步驟二中拼焊管二次脹形的示意圖，圖8是步驟二中加工的拼焊管的結(jié)構(gòu) 示意圖，圖9是離焊縫距離的曲線圖，圖IO是減薄率分布曲線圖，圖ll是 不同偏移量的減薄率分布曲線圖，圖12是不同過渡角獲得的減薄率分布曲線 圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一(參見圖4 圖8)本實施方式是這樣實現(xiàn)的步驟一、 先將初始管坯4置入初始模具2中，合模后施加合模力，用兩個沖頭3密封 住初始管坯4的兩端，然后向初始管坯4內(nèi)注入高壓液體，初始模具2將初 始管坯4的薄管或低強度管的外壁完全約束住，并將厚管或高強度管靠近薄 管或低強度管一側(cè)的CD段同時進行約束，使薄管或低強度管在步驟一的脹 形過程中基本不變形，使厚管或高強度管CD段以外的管段發(fā)生脹形，直至 厚管或高強度管CD段以外的管段貼模，獲得中間形狀工件5;步驟二、將 步驟一成形的中間形狀工件5放入具有最終形狀模腔的模具1中，合模后施 加合模力，用兩個沖頭3密封住中間形狀工件5的兩端，向中間形狀工件5
內(nèi)注入高壓液體，在內(nèi)壓作用下，薄管或低強度管以及厚管或高強度管的CD 段發(fā)生脹形變形，得到最終形狀的拼焊管7。
具體實施方式
二(參見圖5和圖8)本實施方式中間形狀工件5上的過 渡區(qū)DE段具有半錐角《的錐面過渡形狀，《的取值應根據(jù)最終零件端部的 過渡半錐角A進行選取，a的范圍為0.9 U々。以保證變形的均勻性。其它 與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三(參見圖5和圖8)本實施方式cc范圍為1.0^。其它與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四(參見圖4~圖8)本實施方式的步驟一在中間形狀工 件5的成形過程中，被初始模具2約束的厚管或高強度管靠近薄管或低強度 管一側(cè)的CD段的長度為厚管或高強度管外徑的10% 20%。其它與具體實 施方式一相同。
具體實施方式
五(參見圖4~圖8)本實施方式最終形狀的拼焊管7最 大橫截面外壁周長與初始管坯4初始截面外壁周長的比值為1.03 1.3。其它 與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六(參見圖4~圖8)本實施方式所采用的初始管坯4是 由同種材質(zhì)不同厚度管材拼焊制成，薄管的厚度與厚管的厚度比值為0.5 0.9。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七(參見圖4~圖8)本實施方式所采用的初始管坯4是 不同材料和不同強度的管材拼焊制成，薄管或低強度管的屈服強度與厚管或 高強度管的屈服強度比值為0.5-0.9。其它與具體實施方式
一相同。
圖10根據(jù)數(shù)值模擬給出傳統(tǒng)一步成形和本發(fā)明分步成形獲得的零件減 薄率分布曲線。可見， 一步成形由于未改變薄、厚管的變形順序，脹形區(qū)內(nèi) 減薄率分布變化很大。其中橫坐標O點為焊縫中點，離焊縫距離越近薄管減 薄率越大、厚管減薄率越小。薄管最大減薄率達33.7%，厚管最大減薄率僅 22.2%，焊縫兩側(cè)壁厚減薄率出現(xiàn)突變。而采用本發(fā)明的分步成形方法，由 于變形順序發(fā)生改變，成形后減薄率很均勻，薄、厚管最大減薄率均在 26% 27%之間，說明分步成形有效提高了變形均勻性，避免了局部減薄缺陷。
實施本發(fā)明的分步成形，需要確定圖4所示初始模具2的形狀和尺寸，
主要指」丄和"角，初始模具2的小直徑部分的直徑可按初始管坯4外徑選 取。圖4所示中間形狀工件5的拐點D點的位置共有兩種可能，分別為在薄 管上或厚管上。D點位置不同，焊縫的變形時刻不同當D點位于薄管上， 在第一步成形時薄管和焊縫都會發(fā)生變形，其變形情況與傳統(tǒng)脹形情況相似， 不可采用；當D點位于厚管上，即焊縫被初始模具2的小直徑一段約束住時， 焊縫在第一步成形過程中不發(fā)生變形，因此D點位置應置于厚管上。在此， 定義D點與焊縫的距離^丄為D點的偏移量，給出不同偏移量A L時獲得的 減薄率分布曲線，可見么￡ = 7.5°/"時減薄率分布最為均勻^為管材初始外 徑)；當A丄〉25Q/W時，厚管靠近焊縫區(qū)域出現(xiàn)減薄率為負值，這是因為厚管 在沿軸向嚴重受壓嚴重時可能出現(xiàn)起皺缺陷。因此，D點的合理位置應取偏 移量A丄為管徑的10%~20%的位置。
為了避免由中間形狀工件5變形為最終形狀的拼焊管7時薄管發(fā)生過大 減薄或在D點附近出現(xiàn)環(huán)向起皺問題，過渡角a應根據(jù)最終零件的々角來選 取。圖12給出過渡角《分別取0.67々、1.0々和1.33〃時獲得的減薄率分布曲 線，可見當過渡角cc為即《=^時減薄率分布最為均勻，這是因為 此時中間形狀件5在第二步脹形過程中的脹形區(qū)長度與最終零件相應區(qū)域的 長度相等，沒有附加的軸向伸長或壓縮變形；《=0.67^時薄管減薄率增大， 厚管減薄率降低；《=1.33々時薄、厚管在靠近焊縫附件減薄率急劇增大，但 在離焊縫較遠的中部位置減薄率反而降低，壁厚不均勻性加劇(其中"為角 度值，單位是"度")。
權(quán)利要求
1、一種拼焊管的脹形方法，其特征在于拼焊管的脹形方法是這樣實現(xiàn)的步驟一、先將初始管坯(4)置入初始模具(2)中，合模后施加合模力，用兩個沖頭(3)密封住初始管坯(4)的兩端，然后向初始管坯(4)內(nèi)注入高壓液體，初始模具(2)將初始管坯(4)的薄管或低強度管的外壁完全約束住，并將厚管或高強度管靠近薄管或低強度管一側(cè)的CD段同時進行約束，使厚管或高強度管CD段以外的管段發(fā)生脹形，直至厚管或高強度管CD段以外的管段貼模，獲得中間形狀工件(5)；步驟二、將步驟一成形的中間形狀工件(5)放入具有最終形狀模腔的模具(1)中，合模后施加合模力，用兩個沖頭(3)密封住中間形狀工件(5)的兩端，向中間形狀工件(5)內(nèi)注入高壓液體，在內(nèi)壓作用下，薄管或低強度管以及厚管或高強度管的CD段發(fā)生脹形變形，得到最終形狀的拼焊管(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種拼焊管的脹形方法，其特征在于中間形 狀工件(5)上的過渡區(qū)DE段具有半錐角《的錐面過渡形狀，cc的范圍為0.9 l萃
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種拼焊管的脹形方法，其特征在于《的范 圍為1.0y9。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種拼焊管的脹形方法，其特征在于步驟一在中間形狀工件(5)的成形過程中，被初始模具(2)約束的厚管或高強度 管靠近薄管或低強度管一側(cè)的CD段的長度為厚管或高強度管外徑的10% 20%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種拼焊管的脹形方法，其特征在于最終形 狀的拼焊管(7)最大橫截面外壁周長與初始管坯(4)初始截面外壁周長的 比值為1.03 1.3。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種拼焊管的脹形方法，其特征在于所采用的初始管坯(4)是由同種材質(zhì)不同厚度管材拼焊制成，薄管的厚度與厚管的 厚度比值為0.5 0.9。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種拼焊管的脹形方法，其特征在于所采弔 的初始管坯(4)是不同材料和不同強度的管材拼焊制成，薄管或低強度管的 屈服強度與厚管或高強度管的屈服強度比值為0.5~0.9。
全文摘要
一種拼焊管的脹形方法，它涉及一種管狀結(jié)構(gòu)件的脹形方法。本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有在脹形過程中存在的低強度管材優(yōu)先發(fā)生脹形，并在焊縫附近發(fā)生較大的局部減薄，從而降低結(jié)構(gòu)的強度，尤其是疲勞強度的問題。本發(fā)明將步驟一成形的中間形狀工件放入具有最終形狀模腔的模具中，合模后施加合模力，用兩個沖頭密封住中間形狀工件的兩端，向中間形狀工件內(nèi)注入高壓液體，在內(nèi)壓作用下，薄管或低強度管以及厚管或高強度管的CD段發(fā)生脹形變形，得到最終形狀的拼焊管。本發(fā)明避免了一步脹形時由于薄管或低強度管優(yōu)先變形導致的焊縫移動，以及焊縫附近薄管或低強度管的局部減薄，可提高管狀成形件的疲勞強度。
文檔編號B21D26/033GK101376146SQ20081013728
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者鋼 劉, 王小松, 苑世劍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學