1250/850/850液压胀形机胀形力控制系统
一、前言
T型管件是工业上应用量大面广的一种基本管件，但其制造工艺目前主要是焊接、热拔、塑胀等。采用如上工艺生产，产品质量低下，生产率低，劳动强度大。生产高质量T型管件的最好方法目前是液压胀形法，此工艺需要专用的液压胀形机。为了生产高质量T型管件，国内引进了一些先进的T型管件胀形机，同时也研制出类似设备。西安重型机械研究所开发研制的1250/850/850型胀形机具有代表性。此机在上下左右四个方向均有油缸，垂直方向的主缸为12500kN、两侧的左右水平缸各为8500kN，底部有一顶出缸为3000kN。此设备设计及控制的主要特点如下：
(1)整个控制系统均采用微机控制，自动化程度较高，有助于提高产品质量及生产效率。
(2)此设备成形力大，故可成形T型管件的材质、壁厚、规格范围均较大。
(3)配备有专门的放气系统，保证了成形初期管件内压的相对稳定。
(4)3000kN顶出缸，在成形过程中可通过液流阀设定一定数值的预顶出力，从而减少和避免T型管件成形时在支管方向发生破裂。
(5)配备有专门的增压系统，即增压器。它可以以1∶8的增压方式将液压系统中给出的≤25MPa的压力增大8倍，使管件成形初期即处于临界内压状态P内min，能避免内压过低时水平缸向前移动，管件起皱而变为废品。同时增压器也可设制为1∶1状态。
1250/850/850胀形机在实际中的应用效果却不理想。在生产厚壁碳钢管件时，成品率接近62%；在生产薄壁铜合金T型管件时，根本无法成形。观察成形的T形件发现，在T型件刚开始变形不久，支管就出现破裂。为了弄清产生废品的原因，我们对影响T型件成形的因素进行了分析。
二、影响T型管件成形的因素
影响T型管件成形的因素很多，如材质、管材规格、成形速度、管端密封、模具光洁度及r角、润滑条件等。但通过大量资料查证及实物分析发现，胀形过程中的胀形力大小及其控制是最关键的因素。不同材料和不同规格管材在成形T型件时都有一个稳定成形区(安全区)，见图1。只有将胀形力控制到安全区内，才能成形出合格产品，若压力低于安全区中的B线，就会起皱，若高于安全区中的A线就会破裂［1，2］。结合图1和铜管件产生废品的具体情况可以看出，问题主要出在胀形力P内在变形过程中是变化的，轴向的压缩使得P内不断升高。P内超出图1中A线范围，从而造成支管破裂。1250/850/850及部分同类设备不能对成形过程中的P内值进行动态修正和调节，这是在对于P内变化敏感的低强度、薄壁金属管件(如铜合金管件)成形中，极易引起支管破裂，造成废品。因此在1250/850/850胀形机上设计合理可行的胀形力控制系统，使变形过程中的P内被控在某一范围内十分必要。 三、胀形力控制系统的两种改进方案及使用效果
1.放气阀端溢流法
此方案就是针对1250/850/850胀形机有放气阀这一特点，在设备的放气阀阀座上，加工排液孔及固定螺孔，同时排液孔内装节流塞，螺孔外接普通溢流阀或进口电磁比例阀。使溢流阀的两个腔与放气阀座的两腔连通，从而在胀形力接近或大于P内max值时，通过溢流阀排液。这里值得注意的是，液流阀排液量控制必须十分灵敏，开启不致造成因排液太快而使P内突降，从而导致管件起皱，产生废品。采用如上控制措施后，开发了此设备在成形薄壁T型金属管件方面的用途。对σb较小的铜合金，实际使用效果尤为突出，成品率高达95%以上。但其不足之处在于只适合于胀形压力P内max小于32MPa的T型管件胀形，而对于P内大于32MPa的T型管件胀形时就显得无能为力了。这是因为一般的普通溢流阀及比例阀可控范围均小于32MPa。图2示出了胀形原理和胀形力控制实施方位。
1250/850/850胀形机的优点之一就是带有增压器。增压器的增压比为1∶8，能在管件成形初始阶段建立起成形所需的200MPa以内的初始成形最低压力P内min。从图2可看出，原设备在连接增压器与水平缸伸缩管的输液管道中，装有单向阀，这就使T型管件成形时在内压P内上升时无法通过溢流来降压或稳压。
解决T型管件成形中P内增高时的降压稳压问题，仅仅在伸缩管与单向阀间设计溢流装置是不彻底的。其结果与方案一完全一样。为此考虑去掉单向阀，在增压器的后部设计一溢流装置，这样在成形过程中压力升高时，以8∶1的方式通过增压器转换，在增压器后边的溢流装置中得到调整。此溢流装置中选用常用的普通溢流阀或进口电磁比例阀都可满足要求。成形不同规格T型管件时，只要在操作台上改变电磁比例阀电信号的大小，就可调整溢流压力。
采用如上方案保证了内压P内可受控于≤200MPa的任何一点，即在P内≥P内max时立即溢流，从而避免或减少了管件因P内≥P内max而引起的破裂现象。同时P内经过8∶1转换后，增压器的尾腔压力不会大于25MPa，保证了溢流系统安全可靠。此设计方案的实施方位见图2。实际使用证明，采用此设计方案后，不仅对于T型管件胀形力P内＜32MPa的薄壁低强度合金(如铜合金、铝合金等)管件，而且对于胀形力为3～200MPa的不锈钢、碳钢、钛合金等高强度或厚壁T型管件，成形效果均十分理想，成品率在95%以上。
1250/850/850胀形机在不同控制方式下T型管件的成品率，以及缺陷型式和产生部位如表1所列。
四、结论
(1)在T型件成形过程中要重视材质、规格、成形速度、润滑条件等影响因素，同时更要重视胀形力这个重要影响因素。
(2)1250/850/850胀形机必须控制胀形力，文中提出的两种控制方法都可提高产品质量及成品率。
(3)增压器端溢流法使1250/850/850胀形机整机性能得到提高，不仅适用于高强度、厚壁T型金属管件，同时适用于低强度、薄壁T型金属管件的成形。
作者单位:洛阳船舶材料研究所(471039)
参考文献
［1］石川正光.液压ハ“ルシ”加工とその成形品.配管技术，1975(5).
［2］上田照守.液压ハ“ルシ”加工.プレス技术，1983(3).
［3］杨雨春等.多通管塑挤胀形工艺的力学分析.锻压技术，1997，22(4)：26～30
T型管件是工业上应用量大面广的一种基本管件，但其制造工艺目前主要是焊接、热拔、塑胀等。采用如上工艺生产，产品质量低下，生产率低，劳动强度大。生产高质量T型管件的最好方法目前是液压胀形法，此工艺需要专用的液压胀形机。为了生产高质量T型管件，国内引进了一些先进的T型管件胀形机，同时也研制出类似设备。西安重型机械研究所开发研制的1250/850/850型胀形机具有代表性。此机在上下左右四个方向均有油缸，垂直方向的主缸为12500kN、两侧的左右水平缸各为8500kN，底部有一顶出缸为3000kN。此设备设计及控制的主要特点如下：
(1)整个控制系统均采用微机控制，自动化程度较高，有助于提高产品质量及生产效率。
(2)此设备成形力大，故可成形T型管件的材质、壁厚、规格范围均较大。
(3)配备有专门的放气系统，保证了成形初期管件内压的相对稳定。
(4)3000kN顶出缸，在成形过程中可通过液流阀设定一定数值的预顶出力，从而减少和避免T型管件成形时在支管方向发生破裂。
(5)配备有专门的增压系统，即增压器。它可以以1∶8的增压方式将液压系统中给出的≤25MPa的压力增大8倍，使管件成形初期即处于临界内压状态P内min，能避免内压过低时水平缸向前移动，管件起皱而变为废品。同时增压器也可设制为1∶1状态。
1250/850/850胀形机在实际中的应用效果却不理想。在生产厚壁碳钢管件时，成品率接近62%；在生产薄壁铜合金T型管件时，根本无法成形。观察成形的T形件发现，在T型件刚开始变形不久，支管就出现破裂。为了弄清产生废品的原因，我们对影响T型件成形的因素进行了分析。
二、影响T型管件成形的因素
影响T型管件成形的因素很多，如材质、管材规格、成形速度、管端密封、模具光洁度及r角、润滑条件等。但通过大量资料查证及实物分析发现，胀形过程中的胀形力大小及其控制是最关键的因素。不同材料和不同规格管材在成形T型件时都有一个稳定成形区(安全区)，见图1。只有将胀形力控制到安全区内，才能成形出合格产品，若压力低于安全区中的B线，就会起皱，若高于安全区中的A线就会破裂［1，2］。结合图1和铜管件产生废品的具体情况可以看出，问题主要出在胀形力P内在变形过程中是变化的，轴向的压缩使得P内不断升高。P内超出图1中A线范围，从而造成支管破裂。1250/850/850及部分同类设备不能对成形过程中的P内值进行动态修正和调节，这是在对于P内变化敏感的低强度、薄壁金属管件(如铜合金管件)成形中，极易引起支管破裂，造成废品。因此在1250/850/850胀形机上设计合理可行的胀形力控制系统，使变形过程中的P内被控在某一范围内十分必要。 三、胀形力控制系统的两种改进方案及使用效果
1.放气阀端溢流法
此方案就是针对1250/850/850胀形机有放气阀这一特点，在设备的放气阀阀座上，加工排液孔及固定螺孔，同时排液孔内装节流塞，螺孔外接普通溢流阀或进口电磁比例阀。使溢流阀的两个腔与放气阀座的两腔连通，从而在胀形力接近或大于P内max值时，通过溢流阀排液。这里值得注意的是，液流阀排液量控制必须十分灵敏，开启不致造成因排液太快而使P内突降，从而导致管件起皱，产生废品。采用如上控制措施后，开发了此设备在成形薄壁T型金属管件方面的用途。对σb较小的铜合金，实际使用效果尤为突出，成品率高达95%以上。但其不足之处在于只适合于胀形压力P内max小于32MPa的T型管件胀形，而对于P内大于32MPa的T型管件胀形时就显得无能为力了。这是因为一般的普通溢流阀及比例阀可控范围均小于32MPa。图2示出了胀形原理和胀形力控制实施方位。
图2胀形原理示意图及实施胀形力控制方位图
A——放气阀端溢流法实施方位
B——增压器端溢流法实施方位
C——实施增压器端溢流法时应拆除的单向阀
1250/850/850胀形机的优点之一就是带有增压器。增压器的增压比为1∶8，能在管件成形初始阶段建立起成形所需的200MPa以内的初始成形最低压力P内min。从图2可看出，原设备在连接增压器与水平缸伸缩管的输液管道中，装有单向阀，这就使T型管件成形时在内压P内上升时无法通过溢流来降压或稳压。
解决T型管件成形中P内增高时的降压稳压问题，仅仅在伸缩管与单向阀间设计溢流装置是不彻底的。其结果与方案一完全一样。为此考虑去掉单向阀，在增压器的后部设计一溢流装置，这样在成形过程中压力升高时，以8∶1的方式通过增压器转换，在增压器后边的溢流装置中得到调整。此溢流装置中选用常用的普通溢流阀或进口电磁比例阀都可满足要求。成形不同规格T型管件时，只要在操作台上改变电磁比例阀电信号的大小，就可调整溢流压力。
采用如上方案保证了内压P内可受控于≤200MPa的任何一点，即在P内≥P内max时立即溢流，从而避免或减少了管件因P内≥P内max而引起的破裂现象。同时P内经过8∶1转换后，增压器的尾腔压力不会大于25MPa，保证了溢流系统安全可靠。此设计方案的实施方位见图2。实际使用证明，采用此设计方案后，不仅对于T型管件胀形力P内＜32MPa的薄壁低强度合金(如铜合金、铝合金等)管件，而且对于胀形力为3～200MPa的不锈钢、碳钢、钛合金等高强度或厚壁T型管件，成形效果均十分理想，成品率在95%以上。
1250/850/850胀形机在不同控制方式下T型管件的成品率，以及缺陷型式和产生部位如表1所列。
表11250/850/850胀形机在不同控制方式下T型管件的成品率
| 胀形力 控制方式 |
材质 | T型管件规格 外径×壁厚(mm) |
试制或生 产数量 (件) |
成品数量(件) | 成品率(%) | 缺陷型式和部位 |
| 无溢流系统 | 铜合金 | φ89×2 | 10 | 0 | 0 | (1)端部及中部起皱 (2)支管破裂 |
| φ159×2.5 | 30 | 0 | 0 | 支管破裂 | ||
| 20# | φ159×7 | 8 | 5 | 62 | 支管破裂 | |
| 采用放气 阀端溢流法 |
铜合金 | φ89×2 | 4 | 4 | 100 | 起皱 |
| φ159×2.5 | 15 | 14 | 94 | |||
| 采用增压 器端溢流法 |
铜合金 | φ89×2 φ159×2.5 |
180 | 173 | 96.1 | (1)端部起皱 (2)支管破裂 |
| 20#及不锈钢 | φ159×7 φ159×5 |
485 | 468 | 96.5 | 支管破裂 |
(1)在T型件成形过程中要重视材质、规格、成形速度、润滑条件等影响因素，同时更要重视胀形力这个重要影响因素。
(2)1250/850/850胀形机必须控制胀形力，文中提出的两种控制方法都可提高产品质量及成品率。
(3)增压器端溢流法使1250/850/850胀形机整机性能得到提高，不仅适用于高强度、厚壁T型金属管件，同时适用于低强度、薄壁T型金属管件的成形。
作者单位:洛阳船舶材料研究所(471039)
参考文献
［1］石川正光.液压ハ“ルシ”加工とその成形品.配管技术，1975(5).
［2］上田照守.液压ハ“ルシ”加工.プレス技术，1983(3).
［3］杨雨春等.多通管塑挤胀形工艺的力学分析.锻压技术，1997，22(4)：26～30
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