1.本发明涉及金属管件液压成型加工技术领域，尤其涉及一种液压成形密封头及其设计方法。
背景技术：2.如图1所示，常见的液压成形密封头，其密封段截面为平行结构，这种结构的密封头，在密封时，密封头沿管坯轴向运动，挤压管坯，最终使管坯端部局部塑性变形，形成密封。然而这种密封方式，当管坯长度不一致时，对于较长的管坯，如图2所示，容易在密封过程中，过多的挤压管坯，较大的局部塑性变形，这种变形在液压成形工序中，难以消除，从而减低了成品质量；当管端面相对于管坯轴线垂直度不良时，如图3所示，难以形成可靠密封。
技术实现要素：3.基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种液压成形密封头及其设计方法。
4.本发明提出的一种液压成形密封头，包括密封头本体，密封头本体包括导向体和密封体；导向体呈圆柱形结构，密封体包括第一锥形密封段、柱形导向段；第一锥形密封段与导向体同轴且一体连接，从靠近导向体一端向远离导向体一端，第一锥形密封段的直径逐渐减小；柱形导向段与第一锥形密封段远离导向体一端同轴且一体连接，柱形导向段与第一锥形密封段连接处设置有圆弧过渡段，柱形导向段远离第一锥形密封段一端的端面为密封端面且密封端面边缘设置有导向圆角。
5.优选的，第一锥形密封段的下底面直径小于导向体的直径，导向体靠近第一锥形密封段一端端面形成环形止推面。
6.优选的，柱形导向段的直径与第一锥形密封段的上底面直径相等。
7.优选的，还包括成形模具，成形模具开设有与密封体本体相适配的进出孔，进出孔包括沿其进深方向依次设置的第一柱形密封段、第二锥形密封段、第二柱形密封段，第二锥形密封段的下底面直径与第一柱形密封段的内径相等且第二锥形密封段的上底面直径与第二柱形密封段的内径相等；第一柱形密封段的内径与导向体的外径相等，第二锥形密封段与第一锥形密封段间隙配合。
8.优选的，第一锥形密封段的锥形角度与第二锥形密封段的锥形角度相等。
9.优选的，第一锥形密封段的高度h1小于第二锥形密封段的高度h2，h1与h2之间的差为3-5mm。
10.优选的，还包括注水杆和连接螺钉，密封头本体开设有自密封端面向其内部贯穿延伸的沉头螺钉孔，注水杆设置有连接螺孔，连接螺钉穿过沉头螺钉孔伸入到连接螺孔内与注水杆螺纹连接，注水杆设置有与连接螺孔连通的注水孔，连接螺钉贯穿开设有与注水孔连通的贯通孔。
11.优选的，密封体本体远离密封端面一端的端面开设有与沉头螺钉孔同轴并连通的
台阶孔，台阶孔包括大径段和小径段，大径段设置在小径段远离沉头螺钉孔一侧，注水杆端部设置有穿过大径段伸入到小径段内的连接台，大径段内设置有套装在连接台上的密封圈。
12.优选的，第二锥形密封段与第二柱形密封段连接处圆弧过渡。
13.本发明还提出一种液压成形密封头中第一锥形密封段的锥形角度
ɑ
设计方法，包括以下步骤：
14.s1、基于公式(1)计算最小锥角min(α)，
[0015][0016]
其中：f1为锁模力，单位n；p为液压成形压力，单位mpa；a为液压成形件投影面积，单位mm2：f2为液压成形密封头油缸推力，单位n；θ为密封头与管件间的摩擦角，θ＝tan-1
μ；μ为密封头与管件间的摩擦系数；
[0017]
s2、判断最小锥角min(α)是否合理；若min(α)∈(0
°
,90
°
)，则最小锥角合理，执行s3；否则不合理，调整锁模力f1或液压成形密封头油缸推力f2并执行s1；
[0018]
s3、基于公式(2)设计扩口后管坯外轮廓线和原管坯端口轮廓线的偏移距离l1[0019][0020]
其中：l1扩口后管坯外缘轮廓线相对于原管坯外缘轮廓线的偏移距离，单位mm；l2密封头有效密封长度，单位mm；
[0021]
s4、基于公式(3)用于计算最大锥角max(α)
[0022][0023]
其中：εb管材断裂延伸率(mm/mm)；c1扩口后管坯外缘轮廓线周长，单位mm；c0原管坯外缘轮廓线周长，单位mm；λ安全系数，取值范围1.05-1.25；
[0024]
s5、判断最小锥角min(α)、最大锥角max(α)是否合理；若min(α)≥max(α)，则合理，执行s6；否则不合理，调整锁模力f1或液压成形密封头油缸推力f2并调整l1或l2，后执行s1；
[0025]
s6、在min(α)与max(α)之间选择合适的锥形角度
ɑ
。
[0026]
本发明提出的一种液压成形密封头,柱形导向段与密封端面间设计有导向圆角，有利于密封头本体顺利插入管坯中；密封头本体的密封体设计有第一锥形密封段，第一锥形密封段轴向挤压管坯将其端部扩张成锥形，此时第一锥形密封段和管坯端部之间以及管坯端部和成形模具的第二锥形密封段之间紧密贴合，形成良好密封；第一锥形密封段和柱形导向段连接处设置圆弧过渡段，有利于管坯的材料流动；本发明将密封头的密封阶段设计成锥形，对于管坯长度一致性和管坯端面和轴线垂直度要求不高，适用于各种截面形状的管坯，密封头上的轴向力通过管坯作用在模具上，消除了作用在管坯上的轴向力在保证有效密封的同时，能避免管坯发生较大的塑性变形，改善了液压成形件的质量，解决了液压成形工艺中密封头挤压管坯造成较大局部塑性变形和密封不良的问题。
附图说明
[0027]
图1为现有的液压成形密封头的密封原理图；
[0028]
图2为现有的液压成形密封头对较长的管坯进行密封的原理图；
[0029]
图3为现有的液压成形密封头对端面相对于管坯轴线垂直度不良的管坯进行密封的原理图；
[0030]
图4为本发明提出的一种液压成形密封头的结构示意图；
[0031]
图5为图4中a处放大图；
[0032]
图6为本发明提出的一种液压成形密封头中密封头本体的结构示意图；
[0033]
图7为本发明提出的一种液压成形密封头的密封原理图；
[0034]
图8为本发明提出的一种液压成形密封头中连接螺钉的结构示意图；
[0035]
图9为本发明提出的一种液压成形密封头中成形模具部分结构图；
[0036]
图10为本发明扩口后管坯外缘轮廓线与原管坯外缘轮廓线的对比图；
[0037]
图11为本发明提出的一种液压成形密封头的设计方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0039]
参照图4-图9，本发明提出一种液压成形密封头，包括密封头本体1和成形模具2，其中：
[0040]
密封头本体1包括导向体1-1和密封体1-2。导向体1-1呈圆柱形结构，密封体1-2包括第一锥形密封段1-21、柱形导向段1-22。第一锥形密封段1-21与导向体1-1同轴且一体连接，从靠近导向体1-1一端向远离导向体1-1一端，第一锥形密封段1-21的直径逐渐减小，第一锥形密封段1-21的下底面直径小于导向体1-1的直径，导向体1-1靠近第一锥形密封段1-21一端端面形成环形止推面1-11。柱形导向段1-22与第一锥形密封段1-21远离导向体1-1一端同轴且一体连接，柱形导向段1-22的直径与第一锥形密封1-21的上底面直径相等，柱形导向段1-22与第一锥形密封段1-21连接处设置有圆弧过渡段1-23，柱形导向段1-22远离第一锥形密封段1-21一端的端面为密封端面1-24且密封端面1-24边缘设置有导向圆角1-25。
[0041]
成形模具2开设有与密封体1-2本体相适配的进出孔2-1，进出孔2-1包括沿其进深方向依次设置的第一柱形密封段2-11、第二锥形密封段2-12、第二柱形密封段2-13，第二锥形密封段2-12与第二柱形密封段2-13连接处圆弧过渡，第二锥形密封段2-12的下底面直径与第一柱形密封段2-11的内径相等且第二锥形密封段2-12的上底面直径与第二柱形密封段2-13的内径相等。第一柱形密封段2-11的内径与导向体1-1的外径相等，第二锥形密封段2-12与第一锥形密封段1-21间隙配合。
[0042]
本实施例中，柱形导向段1-22与密封端面1-24间设计有导向圆角1-25，有利于密封头本体1顺利插入管坯a中；密封头本体1的密封体1-2设计有第一锥形密封段1-21将管坯a端部扩口成锥形，此时第一锥形密封段1-21和管坯a端部之间以及管坯a端部和成形模具2的第二锥形密封段2-12之间紧密贴合形成密封；第一锥形密封段1-21和柱形导向段1-22连接处设置圆弧过渡段1-23，有利于管坯a的材料流动。
[0043]
本实施例中，第一锥形密封段1-21的锥形角度与第二锥形密封段2-12的锥形角度相等。第一锥形密封段1-21的高度h1小于第二锥形密封段2-12的高度h2，且h1与h2之间的差为3-5mm。保证了第一锥形密封段1-21和管坯a端部之间以及管坯a端部和成形模具2的第二锥形密封段2-12之间紧密贴合，形成良好密封。
[0044]
进一步的，请参照图4、图6、图8，还包括注水杆3和连接螺钉4，密封头本体1开设有自密封端面1-24向其内部贯穿延伸的沉头螺钉孔1-3，注水杆3设置有连接螺孔，连接螺钉4穿过沉头螺钉孔1-3伸入到连接螺孔内与注水杆3螺纹连接，注水杆3设置有与连接螺孔连通的注水孔3-1，连接螺钉4贯穿开设有与注水孔3-1连通的贯通孔4-1。在密封头本体1的中心设计有沉头螺钉孔1-3，连接螺钉4穿过沉头螺钉孔1-3将密封头本体1和注水杆3连接，连接螺钉4中心设计有贯通孔4-1，便于液压成形液体流入管坯a内部。
[0045]
进一步的，请参照图4、图6、图8，密封体1-2本体远离密封端面1-24一端的端面开设有与沉头螺钉孔1-3同轴并连通的台阶孔1-4，台阶孔1-4包括大径段和小径段，大径段设置在小径段远离沉头螺钉孔1-3一侧，注水杆3端部设置有穿过大径段伸入到小径段内的连接台，大径段内设置有套装在连接台上的密封圈1-5。密封头本体1设计有台阶孔1-4，用于密封头本体1与注水杆3安装和定位，密封圈1-5安装于台阶孔1-4处，用于密封头本体1与注水杆3间的密封。
[0046]
本发明工作原理：液压成形工艺开始时，密封头本体1与管坯a接触，随着密封头本体1轴向移动，管坯a末端与密封头本体1接触，因密封头本体1设计有第一锥形密封段1-21，使管坯a逐渐扩张形成锥形；最终，管坯a和密封头本体1的第一锥形密封段1-21之间以及管坯a与液压成形模具2的第二锥形密封2-12之间紧密接触，形成良好密封。本发明将密封头的密封阶段设计成锥形，密封头上的轴向力通过管坯作用在模具上，消除了作用在管坯上的轴向力，从而消除了管坯局部塑性变形，改善了液压成形件的质量。
[0047]
在锥形密封头设计中，锥形密封头的锥形角度大小是一个关键设计要素；锥形角过小，在密封过程中，可能会将上下模具顶开，造成合模不良，影响最终成品的质量；锥形角度过大，会导致管坯管口开裂，影响密封效果及成品质量。本发明还基于上述锥形密封头使用过程中的两种风险，提出一种液压成形密封头中第一锥形密封段锥形角度的设计方法。
[0048]
请参照图11，本发明提出的一种液压成形密封头中第一锥形密封段锥形角度的设计方法，包括以下步骤：
[0049]
s1、基于公式(1)计算最小锥角min(α)，
[0050][0051]
其中：f1为锁模力，单位n；p为液压成形压力，单位mpa；a为液压成形件投影面积，单位mm2：f2为液压成形密封头油缸推力，单位n；θ为密封头与管件间的摩擦角，θ＝tan-1
μ；μ为密封头与管件间的摩擦系数；
[0052]
s2、判断最小锥角min(α)是否合理；若min(α)∈(0
°
,90
°
)，则最小锥角合理，执行s3；否则不合理，调整锁模力f1或液压成形密封头油缸推力f2并执行s1；
[0053]
s3、基于公式(2)设计扩口后管坯外轮廓线和原管坯端口轮廓线的偏移距离l1[0054]
[0055]
其中：l1扩口后管坯外缘轮廓线相对于原管坯外缘轮廓线的偏移距离，单位mm；l2密封头有效密封长度，单位mm；
[0056]
s4、基于公式(3)用于计算最大锥角max(α)
[0057][0058]
其中：εb管材断裂延伸率(mm/mm)；c1扩口后管坯外缘轮廓线周长，单位mm；c0原管坯外缘轮廓线周长，单位mm；λ安全系数，取值范围1.05-1.25；
[0059]
s5、判断步骤s1的最小锥角min(α)与步骤s4的最大锥角max(α)是否合理；若min(α)≥max(α)，则合理，执行s6；否则不合理，调整锁模力f1或液压成形密封头油缸推力f2并调整l1或l2，后执行s1；
[0060]
s6、在min(α)与max(α)之间选择合适的锥形角度
ɑ
。
[0061]
通过本发明的设计方法设计出的密封头，能够有效的避免在密封过程中，密封头将上下模顶开，且能有效的避免扩口而导致的管坯边缘开裂现象。
[0062]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种液压成形密封头，其特征在于，包括密封头本体(1)，密封头本体(1)包括导向体(1-1)和密封体(1-2)；导向体(1-1)呈圆柱形结构，密封体(1-2)包括第一锥形密封段(1-21)、柱形导向段(1-22)；第一锥形密封段(1-21)与导向体(1-1)同轴且一体连接，从靠近导向体(1-1)一端向远离导向体(1-1)一端，第一锥形密封段(1-21)的直径逐渐减小；柱形导向段(1-22)与第一锥形密封段(1-21)远离导向体(1-1)一端同轴且一体连接，柱形导向段(1-22)与第一锥形密封段(1-21)连接处设置有圆弧过渡段(1-23)，柱形导向段(1-22)远离第一锥形密封段(1-21)一端的端面为密封端面(1-24)且密封端面(1-24)边缘设置有导向圆角(1-25)。2.根据权利要求1所述的液压成形密封头，其特征在于，第一锥形密封段(1-21)的下底面直径小于导向体(1-1)的直径，导向体(1-1)靠近第一锥形密封段(1-21)一端端面形成环形止推面(1-11)。3.根据权利要求1所述的液压成形密封头，其特征在于，柱形导向段(1-22)的直径与第一锥形密封段(1-21)的上底面直径相等。4.根据权利要求1-3中任一项所述的液压成形密封头，其特征在于，还包括成形模具(2)，成形模具(2)开设有与密封体(1-2)本体相适配的进出孔(2-1)，进出孔(2-1)包括沿其进深方向依次设置的第一柱形密封段(2-11)、第二锥形密封段(2-12)、第二柱形密封段(2-13)，第二锥形密封段(2-12)的下底面直径与第一柱形密封段(2-11)的内径相等且第二锥形密封段(2-12)的上底面直径与第二柱形密封段(2-13)的内径相等；第一柱形密封段(2-11)的内径与导向体(1-1)的外径相等，第二锥形密封段(2-12)与第一锥形密封段(1-21)间隙配合。5.根据权利要求4所述的液压成形密封头，其特征在于，第一锥形密封段(1-21)的锥形角度与第二锥形密封段(2-12)的锥形角度相等。6.根据权利要求4所述的液压成形密封头，其特征在于，第一锥形密封段(1-21)的高度h1小于第二锥形密封段(2-12)的高度h2，h1与h2之间的差为3-5mm。7.根据权利要求1-3中任一项所述的液压成形密封头，其特征在于，还包括注水杆(3)和连接螺钉(4)，密封头本体(1)开设有自密封端面(1-24)向其内部贯穿延伸的沉头螺钉孔(1-3)，注水杆(3)设置有连接螺孔，连接螺钉(4)穿过沉头螺钉孔(1-3)伸入到连接螺孔内与注水杆(3)螺纹连接，注水杆(3)设置有与连接螺孔连通的注水孔(3-1)，连接螺钉(4)贯穿开设有与注水孔(3-1)连通的贯通孔(4-1)。8.根据权利要求7所述的液压成形密封头，其特征在于，密封体(1-2)本体远离密封端面(1-24)一端的端面开设有与沉头螺钉孔(1-3)同轴并连通的台阶孔(1-4)，台阶孔(1-4)包括大径段和小径段，大径段设置在小径段远离沉头螺钉孔(1-3)一侧，注水杆(3)端部设置有穿过大径段伸入到小径段内的连接台，大径段内设置有套装在连接台上的密封圈(1-5)。9.根据权利要求4所述的液压成形密封头，其特征在于，第二锥形密封段(2-12)与第二柱形密封段(2-13)连接处圆弧过渡。10.一种如权利要求1-9所述的液压成形密封头的设计方法，其特征在于，第一锥形密封段(1-21)的锥形角度
ɑ
设计，包括以下步骤：s1、基于公式(1)计算最小锥角min(α)，
其中：f1为锁模力，单位n；p为液压成形压力，单位mpa；a为液压成形件投影面积，单位mm2：f2为液压成形密封头油缸推力，单位n；θ为密封头与管件间的摩擦角，θ＝tan-1
μ；μ为密封头与管件间的摩擦系数；s2、判断最小锥角min(α)是否合理；若min(α)∈(0
°
,90
°
)，则最小锥角合理，执行s3；否则不合理，调整锁模力f1或液压成形密封头油缸推力f2并执行s1；s3、基于公式(2)设计扩口后管坯外轮廓线和原管坯端口轮廓线的偏移距离l1其中：l1扩口后管坯外缘轮廓线相对于原管坯外缘轮廓线的偏移距离，单位mm；l2密封头有效密封长度，单位mm；s4、基于公式(3)用于计算最大锥角max(α)其中：ε
b
管材断裂延伸率(mm/mm)；c1扩口后管坯外缘轮廓线周长，单位mm；c0原管坯外缘轮廓线周长，单位mm；λ安全系数，取值范围1.05-1.25；s5、判断最小锥角min(α)、最大锥角max(α)是否合理；若min(α)≥max(α)，则合理，执行s6；否则不合理，调整锁模力f1或液压成形密封头油缸推力f2并调整l1或l2，后执行s1；s6、在min(α)与max(α)之间选择合适的锥形角度
ɑ
。
技术总结本发明提出了一种液压成形密封头，包括密封头本体，密封头本体包括导向体和密封体；导向体呈圆柱形结构，密封体包括第一锥形密封段、柱形导向段；第一锥形密封段与导向体同轴且一体连接，从靠近导向体一端向远离导向体一端，第一锥形密封段的直径逐渐减小；柱形导向段与第一锥形密封段远离导向体一端同轴且一体连接，柱形导向段与第一锥形密封段连接处设置有圆弧过渡段，柱形导向段远离第一锥形密封段一端的端面为密封端面且密封端面边缘设置有导向圆角。本发明将密封头的密封阶段设计成锥形，密封头上的轴向力通过管坯作用在模具上，消除了作用在管坯上的轴向力，从而消除了管坯局部塑性变形，改善了液压成形件的质量。改善了液压成形件的质量。改善了液压成形件的质量。
技术研发人员：彭黎 汪杨胜 邹则伟 胡文辉 田武杰 石勇 金敬毅 徐永高
受保护的技术使用者：保隆（安徽）汽车配件有限公司
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/1
