專利名稱：液壓成形伸長的管狀部件的方法
技術領域：
本發明涉及液壓成形管狀部件的方法以及設計用于液壓成形管狀部件的模具的方法。
背景技術：
為了減輕成形部件的質量而液壓成形輕質材料(例如鋁或者高強度鋼)是具有挑戰性的。液壓成形部件可能具有限制成形性的最大應變區域。如果在局部區域超出部件的最大強度，則部件會裂開。盡管在特定局部區域可最大化應變，液壓成形部件的其他區域可能具有相對較低水平的應變。角以及其它高度成形區域通常靠近于典型地觀察到最大應變的區域。最大應變的區域還會靠近較低應變的區域。
為了避免高應變區域的裂開，可以使用更多具有較低強度的更易延展的材料。為了提供需求的強度，可以指定更厚的管材以提供需求強度。更厚的面板導致更厚的部件并且增加最終部件的重量。使用更厚的管材還傾向于增加材料成本。增加的部件重量減小了燃料經濟性。液壓成形部件可以成形為方形，六角形或者包括角的不規則形狀。如果部件包括角，可以預測在靠近最終部件的角的狹窄區域會觀察到最大應變。如下總結的，申請人嘗試解決上述傾向于減小可從輕質材料成形的部件的范圍的挑戰。
發明內容
根據本發明公開的液壓成形工藝的一方面，可以預成形液壓成形的管材以重新分布管材中的應變并減小預期最大應變區域中的應變。在液壓成形工藝期間通過在不顯著拉伸的降低的應變區域預成形該管材，可以在靠近預期具有最大應變的角的區域提供額外的材料。在預成形步驟中可以通過在靠近最大應變的區域的具有降低的應變的區域提供額外的材料而最小化管材在最大應變區域的拉伸和減薄。設計用于預成形和成形管材的液壓成形模具的方法可通過映射針對一步液壓成形工藝的預期應變分布開始。如果將以一步液壓成形操作成形該管材，則可以使用該管材的有限元網格識別該管材的強拉伸區域。通過識別該管材的不是顯著伸長或者最大應變的區域的“窗口”(windoWS)或者區域確定預成形形狀。在這些窗口中的可用材料可沿著該管材流動直至管材中的應變平衡。在預成形模具中預成形管材，其中在窗口中擠壓管材的材料。然后在液壓成形工藝中管材受壓將管材成形為預成形形狀，其中管材中的流體通過液體的內部壓力加壓。該管材隨后移至最終形狀液壓成形模具中，在此其被成形為期望的形狀。申請人:發明的這些和其他特征參考下面的附圖和下面具體說明書的實施例將變得更加顯而易見。
圖I為具有角的液壓成形管材的部分主視圖，其說明了在現有技術中遇到的靠近角部分的區域的最大應變區域的減薄問題。圖2為在預成形工藝開始時置于預成形模具中的管材的橫截面視圖。圖3為預成形模具的橫截面視圖，顯示了管材在局部區域變形以形成初步預成形料。圖4為預成形模具的橫截面視圖，顯示了初步預成形料在液壓成形后成為完全預成形管材的形狀。圖5為完全預成形管材的部分主視圖。圖6為在最終液壓成形步驟之前的填充有流體的并置于最終形狀模具上的預成 形管材的橫截面視圖。圖7為在通過內部壓力成形最終部件形狀之后在最終液壓成形模具中的液壓成形最終部件的橫截面視圖。圖8為最終部件的部分主視圖。
具體實施例方式在下面提供了本發明的說明性的實施例的詳細描述。這些實施例為本發明的示例，其可以多種和可替代方式實施。附圖并不必須按比例繪制，可以放大或者縮小一些特征以顯示具體零部件的細節。本申請中揭示的具體結構的和功能的細節并不能解釋為限定，而僅僅作為教導本領域內技術人員以各種方式實施本發明的代表性基礎。參考圖1，顯示了包括不規則截面形狀的液壓成形的管狀部件10。管狀部件10具有多個預期高應變的區域12 (過度拉伸區域)，其總體上位于緊靠管狀部件10的角16的位置。預期低應變的區域18(低拉伸區域)的窗口顯示為大體位于預期高應變區域12之間的側壁部分。根據在此揭示的方法之一，管狀部件10經一步液壓成形操作或者仿真為以一步液壓成形操作成形。可以設計管狀部件10的模型并且可以收集對應于在仿真或者實際單步驟液壓成形工藝成形后的管材中的應變分布的數據。參考圖2，預成形模具組20顯示為包括沖頭22和下模24。顯示了預成形模具組20中在被擠壓之前的具有直徑D的圓柱形管材26。多個凸節點28朝著圓柱形管材的中心徑向向內延伸并且適于擠壓管材的壁。在凸節點28之間設置多個凹節點30。如在此使用的，術語凹和凸應當解釋為指關于模具組20的內表面的表面形狀。凹節點30設計為設置在如圖I所示的預期高應變區域12對應的區域。凸節點28設置在如圖I所示的預期低應變窗口 18對應的區域。參考圖3，隨著預成形模具組20開始擠壓如圖2所示的圓柱形管材26，通過預成形模具組20形成初始預成形料32。參考圖4，通過在初始預成形料32中提供的流體38，將初始預成形料32成形為預成形管材36。提供液壓成形壓力至流體38以使得按照預成形模具組20的成形表面40成形預成形管材36。現在參考圖5，顯示了從如圖4所示的預成形模具組20移走后的預成形管材36。預成形管材36包括沿著預成形管材36的周線交替的凸節點28和凹節點30。參考圖6-7，圖6中顯示了置于最終液壓成形模具組42中的預成形管材。液壓成形模具組包括上模44和下模46。在預成形管材36中提供有流體38。在預成形管材36中提供有對應于凸節點28和如圖I所示的預期低應變窗口 18的過剩金屬區域48。通過上模44和下模46確定了最終模具成形表面50。在過剩金屬區域48和最終模具成形表面50之間設有間隙51。凹節點30大體延伸穿過在最終模具成形表面50中形成的角16并且與最終模具成形表面50相接觸。在預成形管材36中的流體38經受液壓成形壓力將預成形管材36成形為最終部件52。參考圖7，顯示了液壓成形后完全擴張與最終模具成形表面50相接觸的最終部件52。在通過流體38成形之后，從最終成形部件52中排盡流體38。如圖8所示，成形了具有多個角16的最終部件52。本申請人發明的另一方面提供了一種液壓成形包括預期高應變區域12和預期低 應變區域18的伸長的管狀部件的方法。根據該方法，如圖I所示，在預成形模具組20中在預期低應變區域18徑向擠壓管材26以成形初始預成形料32。在本說明性實施例中，在當預成形模具組20緊靠管材26時，模具組20作用為擠壓裝置。初始預成形料32隨后液壓成形為預成形管材36。接著，在最終模具組42中將預成形管材36液壓成形為最終部件52。預期低應變區域18靠近大體沿著伸長的管狀部件26的長度延伸的預期高應變區域12。在管材26的變形步驟期間，從預期低應變區域18拉伸出一些金屬。在液壓成形步驟期間，預成形管材36液壓成形為最終部件形狀52，預成形為預期低應變區域性18的該一些金屬的至少一部分被拉伸為預期高應變區域12。在成形初始預成形料32的步驟期間，在初始預成形料32和預成形模具組20的內表面設置間隙空間51。后續，在液壓成形預成形管材36的步驟期間，在液壓成形操作中將初始預成形料32擴張以填充間隙空間51。申請人:發明還涉及液壓成形管狀部件52以具有相對于管狀部件52的長度縱向延伸的至少一個角16的方法。如圖6所示，管狀部件52包括在最小寬度區域寬度的兩個相對的邊之間測量的寬度Wmin和最大寬度區域寬度Wmax。液壓成形管狀部件52的方法通過選擇具有大于Wmin的直徑D的圓形橫截面的金屬管材26開始。在預成形模具組20中成形管材26，以機械地擠壓管材的位于沿著管材縱向延伸的至少一個低應變局部區域中的外徑。該局部區域靠近鄰近于部件的角部區域的高應變區域，該初始預成形料32具有被擠壓至小于Wmin的外表面。在第一液壓成形操作中在預成形模具組20中液壓成形初始預成形料32以成形預成形管材36。隨后預成形管材36被從預成形模具組20移走并裝載入最終模具組42。利用第二液壓成形操作在最終模具組42中液壓成形預成形管材36以在管材中形成角16。高應變的局部區域12可靠近角16的相對邊。申請人:還發明了一種設計用于液壓成形管材的模具組的方法。該設計模具組的方法包括第一步驟，在單步驟液壓成形工藝中理論地或者實際地測試成形工藝之后，開發最終部件形狀的模型以收集對應于管材中的應變分布的數據。在仿真單步驟液壓工藝時，可以使用具有無網格重劃分的精細數值網格的有限元程序，以確定初始管材中的低拉伸區域18和過度拉伸區域12。可以基于在液壓成形工藝后觀察到的有限元值的分析得到預期過度拉伸位置12和低拉伸位置18。在該工藝中下一步驟為在預成形步驟后形成預成形料的形狀。預成形料被設計為從預成形料形狀展開為最終形狀而不需任何實質的拉伸。目標預成形料的形狀如下形成
(I)通過在未形變的管材(在液壓成形工藝結束時其將變形)的每個有限元中分配應變數值，將來自單步驟液壓成形工藝的應變在未形變的管材中分配。基于聯系應力和應變的彈性方程計算未形變管材的每個有限元中的應力。(2)以對應于設計用于阻止管材彎曲的剛性內心軸和外心軸(mandrel)的邊界條件模擬上述具有在(I)中計算的內應力的管材的形變。在內心軸上確定窗口，材料被設計為通過管材中的內應力驅動進入窗口。在模擬過程結束時，在最終形狀液壓成形期間通過在確定為低拉伸區域的指定窗口中提供膨脹的金屬材料平衡彈性張力并提供了較低的應變水平。(3)通過將預成形模具的成形表面設計為包括在彈性膨脹模型中形成的膨脹形狀，形成了預成形形狀。通過閉合沖頭22和下模24，液壓成形初始預成形料32以順應模具表面40，并液壓成形預成形管材36為最終部件52，而開發管材的形變的仿真。(4)分析在最終部件52中的預期應變以確定是否應變分布可以接受。如果最大應變高于成形極限值，分配有限元網格至最終部件形狀，隨后最終部件形狀通過反復確認 節點力分布向后朝向預成形管材36變形。在此步驟期間沒有對有限元網格施加初始應變。利用該模型的彈性公式確保管材最終形狀的表面大體與預成形料形狀相同。分配節點力，使得預成形管材的形狀類似于在上述(2)中形成的管材形狀。節點力分布的反復重新調整允許平整表面以維持預成形形狀和最終形狀之間的等同。(5)如在上述步驟(3)重新檢查應變分布并且如果需要進行重復。在模型中，識別了預期過度拉伸區域12和預期低拉伸區域18，這是因為期望它們在單步驟液壓成形工藝期間成形。隨后基于模型設計預成形模具組20以在預成形步驟期間提供包括槽的預期低拉伸區域18。最終液壓成形模具組42設計為最終形狀。設計用于液壓成形管材的模具組的方法還可以包括進一步的步驟設計預成形模具組20，擠壓管材以在低拉伸區域18拉伸金屬以成形初始預成形料32。通過注射加壓流體38進入管材，該初始預成形料32在液壓成形模具中擴張以成形該預成形管材36。間隙空間51優選設置在初始預成形料32和在預成形模具組20的內表面上的模具表面40的凹區域之間。在首次液壓成形步驟期間，初始預成形料32擴張以填充初始預成形料32和預成形模具組20的內表面之間的間隙空間51。預期過度拉伸區域12總體靠近角部區域且預期低拉伸區域18可以為靠近過渡拉伸區域12的平坦區域。盡管上面描述了示例實施例，這些實施例并不意圖描述本發明的所有可能形式。相反，在說明書中使用的詞匯為描述詞匯而非限制，而且應當理解可以作出多種變形而不會背離本發明的精神和范圍。此外，可以組合多個實施例的特征以形成本發明進一步的實施例。
權利要求
1.一種液壓成形包括預期高應變區域和預期低應變區域的伸長的管狀部件的方法，所述方法包含 在預成形模具中通過在所述預期低應變區域徑向地變形管材而將所述管材拉伸為初始預成形料； 將所述初始預成形料液壓成形為預成形管材； 在最終模具中將所述預成形管材液壓成形為最終形狀。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述預期低應變區域沿著所述伸長的管狀部件的長度延伸并且靠近所述預期高應變區域。
3.如權利要求I所述的方法，其中在變形所述管材步驟期間，在預期低應變區域變形一些金屬。
4.如權利要求3所述的方法，其中在液壓成形所述預成形管材為最終形狀的步驟期間，來自所述預期低應變區域的所述一些金屬中的至少一部分被拉伸進入所述預期高應變區域。
5.如權利要求I所述的方法，其中在變形所述初始預成形料的步驟期間，在所述初始預成形料和所述預成形模具的內表面之間設有間隙空間。
6.如權利要求5所述的方法，其中在液壓成形所述預成形管材的步驟期間，所述初始預成形料擴張以填充所述間隙空間。
全文摘要
本發明提供一種液壓成形包括預期高應變區域和預期低應變區域的伸長的管狀部件的方法。該管狀部件在預成形模具中通過擠壓首先變形為初始預成形料形狀。在預成形步驟期間通過在預成形模具的兩半之間徑向變形管材拉伸預期低應變區域中的金屬。隨后以內部液壓成形壓力擴張該初始預成形料以成形預成形管材。隨后液壓成形該預成形管材進入最終模具以成形部件的最終形狀。在最終液壓成形操作中在低應變區域的多余金屬被拉伸進入高應變的區域。
文檔編號B21D26/033GK102773326SQ20121013960
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月8日 優先權日2011年5月11日
發明者謝爾蓋·法德勒威奇·高洛瓦申科 申請人:福特全球技術公司