大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备技术领域
本发明属于管材无切削加工技术领域，具体的涉及一种大口径三通管刚性
塑性复合多缸式胀形成形设备。
背景技术
管材胀形的种类很多，主要分为刚性胀形和软模胀形两类。刚性凸模胀形
仅适用于形状和尺寸精度要求不高的轴对称胀形件的胀形加工。利用液体、气
体或弹性体作为传压介质进行胀形时，通称为软模胀形。液体可用油、乳化液
或水，弹性体通常采用聚氨酯橡胶或天然橡胶。石蜡由于具有易于呈固体或液
体状的独特特点，且可回收重复利用，也将其作为胀形传压介质，并已在生产
中取得了良好的技术效果。因此，根据传压介质的不同，软模胀形又可分为液
压胀形、气压胀形、橡胶胀形和石蜡胀形等。软模胀形和刚性模胀形相比，特
别适合于各种形状复杂管件加工，具有明显的技术经济效益。
在三通管胀形工艺中，管坯内表面需作用非常大的胀形压力。根据胀形压
力的产生方法和胀形冲头的数目及结构的不同，可把三通管塑性成形的方法相
应的分为三种：液体介质挤压胀形、塑性介质复合冲头挤压胀形和塑性介质分
离冲头挤压胀形三种。
如图1所示，为现有的一种三通管液体介质挤压胀形模具的结构示意图。
该三通管液体介质挤压胀形模具由两半模组成，管坯置于其中，内部的液体通
过专门的增压系统提供内压力，其压力值的大小与左右两个冲头的运动无关，
由左右冲头提供挤压力，平衡冲头提供支管端部的平衡力，通过这三个力的协
调作用，可使管坯在超高压静水压力下胀形成形。该方法由于胀形压力场分布
最为均匀稳定，所成形的产品质量最好，但所需胀形压力较大，需数百甚至数
千兆帕，而普通液压泵只能产生约30MPa的压力，故需配置增压系统，对控制
技术的要求也很高，设备较昂贵。另外，液体介质挤压胀形成形不能应用于如
中碳钢、大尺寸厚壁件等需要加热以提高塑性、减小抗力的胀形加工。
如图2所示，为现有的一种塑性介质复合冲头挤压胀形模具的结构示意图。
该胀形模具的冲头为一台阶形结构，可对介质和管壁两端分别施压。挤压胀形
时，冲头前端首先进入管坯内对塑性介质施压，使支管模腔对应管壁隆起产生
胀形，当冲头台阶与管坯接触时，产生挤压力，管坯在内压力和挤压力的共同
作用下产生塑性变形，使支管不断增长。
该胀形成形方法除具有冲头结构简单、所需设备和装置较少、操作便利等
优点外，还具有制件的壁厚比较均匀稳定、变化幅度不大的优点。由于挤压冲
头、凹模、管坯及胀形介质的尺寸关系决定着胀形的初始压力，因此在成形过
程中，胀形压力的调整较为困难，只能在一定范围内进行，主要是通过告便挤
压冲头的结构实现。因此，对管坯的尺寸、材料及模具等方面的要求较为严格，
使用中有很大的局限性。
如图3所示，为现有的一种塑性介质分离冲头挤压胀形模具的结构示意图。
该胀形模具的内压力由胀形冲头挤压胀形介质产生，其数值与挤压冲头无关而
由胀形冲头的运动决定。胀形压力的产生机理与塑性介质复合冲头挤压胀形成
形相似，二者的区别主要在于挤压冲头与胀形冲头是否为一体。在塑性介质分
离冲头挤压成形方法中，挤压冲头和胀形冲头通过复合油缸驱动，实现分离。
与塑性介质复合冲头挤压胀形成形相比较，塑性介质分离冲头挤压胀形模
具的胀形冲头的结构和运动较为复杂，并需增添一套驱动胀形冲头运动的机构。
与液体介质挤压胀形方式相比，塑性介质分离冲头挤压胀形虽然冲头运动
较为复杂，但避免了昂贵的液压增压系统，因此具有设备投资较小，并且生产
率高、成形效果好的优点，但其还存在冲头的使用寿命较低、模具结构较复杂、
且不能应用于管坯尺寸太小的场合。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大口径三通管刚性塑性复合多缸式
胀形成形设备，不仅能够满足三通管的胀形成形要求，而且同时结合刚性胀形
和液压胀形，能够较好地控制三通管胀形变形的全过程。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备，包括上半模和下半
模，所述上半模和下半模之间设有呈圆管状的成形型腔，所述成形型腔的两端
分别安装有与其滑动配合的胀形挤压冲头，所述下半模上设有轴线与所述成形
型腔的轴线垂直相交的支管成形腔，所述支管成型腔内安装有平衡冲头，两个
所述胀形挤压冲头之间设有刚性胀形内模，所述刚性胀形内模包括分别位于两
端的推杆，两根所述推杆之间设有与所述支管成型腔配合并用于驱动管坯胀形
变形的成形内模块，所述成形内模块与两根所述推杆之间通过双铰连杆相连，
所述推杆的轴线与所述成形型腔的轴线平行并分别滑动配合安装在对应的所述
胀形挤压冲头内，且其中一根推杆上设有快速拆卸连接结构，所述成形型腔的
两端分别设有推力装置；
所述推力装置包括用于驱动所述胀形挤压冲头在所述成形型腔内滑动的挤
压液压缸和用于驱动所述推杆在所述胀形挤压冲头内滑动的中心液压缸，所述
挤压液压缸包括至少三个并以所述中心液压缸的轴线环形均布设置；
两根所述推杆之间设有辅助压力机构，所述辅助压力机构包括平衡杆，两
根所述推杆相向的一端端面上设有平衡滑孔，所述平衡杆的两端分别滑动配合
安装在两个所述平衡滑孔内，且所述平衡杆的两端分别套装设有位于对应的所
述平衡滑孔内的平衡弹簧；所述平衡杆与所述成形内模块之间设有辅助液压缸。
进一步，所述推杆与所述胀形挤压冲头之间设有高压密封结构。
进一步，设有所述快速拆卸连接结构的所述推杆分体设置为两段，其中一
段所述推杆的端面中心设有一个锥形结合孔，另一段所述推杆的端面中心设有
与所述锥形结合孔配合的锥形结合头，且两段所述推杆的端面之间设有防滑体。
进一步，两个所述平衡弹簧的阻尼系数相等。
进一步，所述辅助液压缸为多级液压缸，所述多级液压缸包括辅助活塞杆
和至少两级层叠套装在一起并呈伸缩结构的辅助液压缸缸体，所述辅助活塞杆
套装在最内层的辅助液压缸缸体上，位于最外层的辅助液压缸缸体与辅助活塞
杆之间组成无杆腔，位于最内层的辅助液压缸缸体与辅助活塞杆之间组成活塞
杆腔，相邻两级液压缸缸体之间组成分级油腔，所述无杆腔、活塞杆腔和分级
油腔上均设有与液压源相连的油口；位于最外层的所述辅助液压缸缸体固定安
装在所述平衡杆上，所述辅助活塞杆与所述成形内模块固定连接。
进一步，相邻两级液压缸缸体之间以及辅助活塞杆与最内层液压缸缸体之
间，位于外层的液压缸缸体的顶部设有径向向内延伸的内挡环，位于内层的液
压缸缸体/辅助活塞杆的底部设有径向向外延伸的并与内挡环配合的外挡环，所
述内挡环与内层液压缸缸体的外周壁之间设有密封结构，所述外挡环与外层液
压缸缸体的内周壁之间设有密封结构。
进一步，设置在所述活塞杆腔和分级油腔上的油口设置在所述内挡环上。
本发明的有益效果在于：
本发明的大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备，通过在两个胀
形挤压冲头之间设置刚性胀形内模，使用时，将管坯安放在成形型腔内，将刚
性胀形内模对应安装在管坯内，管坯的两端分别利用胀形挤压冲头压紧密封，
并在管坯内注满液体介质；胀形时，利用环形均布的多个挤压液压缸同时驱动
胀形挤压冲头对管坯施加轴向的挤压力，并利用中心液压缸驱动两端的推杆同
步相向运动，由于推杆占据了管坯内部空间，进而导致液体介质的压力增大，
对管坯施加液体胀形压力；另外，推杆的运动还会带动成形内模块向支管成型
腔运动，成形内模块向管坯的胀形变形区域施加刚性胀形力，在刚性胀形力和
液体胀形压力的共同作用下，驱动管坯胀形变形，进而成形为三通管；通过设
置辅助压力机构，在管坯胀形变形的初始阶段，由于双铰连杆与管坯轴线的夹
角很小，由推杆推力转换为对成形内模块的垂直于管坯轴线的垂直分力较小，
而辅助压力机构的压力作用可直接作用在成形内模块上，与垂直分力和液体胀
形压力共同作用，能够更好地驱动管坯胀形变形，即能够满足大口径三通管的
胀形成形要求；
由于采用了刚性胀形内模对管坯施加刚性胀形力，可适当减少液体介质对
管坯施加的液体胀形压力的大小，即能够减小复合液压缸对推杆施加的推力大
小，成形内模块的运动速率及行程均可由推杆的运动控制，因而，本发明大口
径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备能够较好地控制三通管胀形变形的
全过程；且在液体胀形压力的作用下，管坯在胀形成形过程中，其内壁均会收
到液体胀形压力的作用，管坯变形后能够与成形型腔和支管成型腔的内壁贴合，
成形质量更好。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附
图进行说明：
图1为图1为现有的一种三通管液体介质挤压胀形模具的结构示意图；
图2为现有的一种塑性介质复合冲头挤压胀形模具的结构示意图；
图3为现有的一种塑性介质分离冲头挤压胀形模具的结构示意图；
图4为本发明大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备实施例的结
构示意图；
图5为图4的A详图；
图6为图4的B详图；
图7为辅助液压缸的结构示意图。
附图标记说明：
1-上半模；2-下半模；3-成形型腔；4-胀形挤压冲头；5-支管成型腔；6-平
衡冲头；7-管坯；8-推杆；9-成形内模块；10-双铰连杆；11-锥形结合孔；12-锥
形结合头；13-防滑体；14-挤压液压缸；15-中心液压缸；16-中心活塞杆；17-
挤压活塞杆；
50-平衡杆；51-平衡滑孔；52-平衡弹簧；53-辅助液压缸；54-辅助活塞杆；
55-辅助液压缸缸体；56-无杆腔；57-活塞杆腔；58-分级油腔；59-油口；60-
内挡环；61-外挡环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人
员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图4所示，为本发明大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备实
施例的结构示意图。本实施例的大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设
备，包括上半模1和下半模2，上半模1和下半模2之间设有呈圆管状的成形型
腔3，成形型腔3的两端分别安装有与其滑动配合的胀形挤压冲头4，下半模1
上设有轴线与成形型腔3的轴线垂直相交的支管成形腔5，支管成型腔5的内壁
呈圆管状，支管成型腔5内安装有平衡冲头6，两个胀形挤压冲头4之间设有刚
性胀形内模，刚性胀形内模包括分别位于两端的推杆8，两根推杆8之间设有与
支管成型腔5配合并用于驱动管坯7胀形变形的成形内模块9，成形内模块9与
两根推杆8之间通过连杆机构相连，本实施例的连杆机构包括设置在推杆8与
成形内模块9之间的双铰连杆10，推杆8与成形内模块9之间通过双铰连杆10
相连。
推杆8的轴线与成形型腔3的轴线平行并分别滑动配合安装在对应的胀形
挤压冲头4内，即两根推杆8分别滑动配合安装在两个胀形挤压冲头4内，且
其中一根推杆8上设有快速拆卸连接结构，本实施例设有快速拆卸连接结构的
推杆8分体设置为两段，其中一段推杆8的端面中心设有一个锥形结合孔11，
另一段推杆8的端面中心设有与锥形结合孔11配合的锥形结合头12，且两段推
杆8的端面之间设有防滑体13，由于推杆8只受到轴向推力的作用，因而利用
锥形结合孔11和锥形结合头12可快速的视线两端推杆8之间的分离和结合。
通过设置快速拆卸连接结构，可使管坯7从分离的推杆8处套装在刚性胀形内
模上。
成形型腔3的两端分别设有推力装置。本实施例的推力装置包括用于驱动
胀形挤压冲头4在成形型腔3内滑动的挤压液压缸14和用于驱动推杆8在胀形
挤压冲头4内滑动的中心液压缸15，挤压液压缸14包括至少三个并以中心液压
缸15的轴线环形均布设置。本实施例的挤压液压缸14环形均布设有4个，且
挤压液压缸14的挤压活塞杆17均与胀形挤压冲头4固定连接，中心液压缸15
的中心活塞杆16与推杆8相连。如此，便可利用挤压活塞杆17驱动胀形挤压
冲头4对管坯7的两端分别施加挤压力作用，利用中心活塞杆16驱动推杆在胀
形挤压冲头4内滑动，进而使充满管坯7内部的液体介质向管坯7施加液体胀
形压力和驱动成形内模块9向支管成形腔5移动，向管坯7的胀形变形区域施
加刚性胀形力。优选的，本实施例的推杆8与胀形挤压冲头4之间设有高压密
封结构，当然，胀形挤压冲头4与成形型腔3的内壁之间也设有密封结构，能
够防止液体介质泄漏。另外，挤压活塞杆17回缩后，快速拆卸连接结构会裸露
在外，便于安装管坯7和取下成形后的三通管。
本实施例的两根推杆8之间设有辅助压力机构，辅助压力机构包括平衡杆
50，两根推杆8相向的一端端面上设有平衡滑孔51，平衡杆50的两端分别滑动
配合安装在两个平衡滑孔51内，且平衡杆50的两端分别套装设有位于对应的
平衡滑孔内的平衡弹簧52；平衡杆50与成形内模块9之间设有辅助液压缸53。
本实施例的两个平衡弹簧52的阻尼系数相等，能够保证平衡杆50的动态平衡。
进一步，辅助液压缸53为多级液压缸，多级液压缸包括辅助活塞杆54和
至少两级层叠套装在一起并呈伸缩结构的辅助液压缸缸体55，辅助活塞杆54套
装在最内层的辅助液压缸缸体55上，位于最外层的辅助液压缸缸体55与辅助
活塞杆54之间组成无杆腔56，位于最内层的辅助液压缸缸体55与辅助活塞杆
54之间组成活塞杆腔57，相邻两级液压缸缸体55之间组成分级油腔58，无杆
腔56、活塞杆腔57和分级油腔58上均设有与液压源相连的油口59。如图7所
示，本实施例的辅助液压缸53包括三级层叠套装在一起并呈伸缩结构的辅助液
压缸缸体55，位于最外层的辅助液压缸缸体55固定安装在平衡杆50上，辅助
活塞杆54与成形内模块9固定连接。采用该结构的辅助液压缸53，在辅助活塞
杆54向外提供液压推力的过程中，无杆腔56进油，活塞杆腔57和分级油腔58
均回油，可实现辅助液压缸53伸长并向外提供液压力；同理，在活塞杆54回
缩时，无杆腔56回油，活塞杆腔57和分级油腔58均进油，可实现活塞杆54
回缩。
进一步，相邻两级液压缸缸体55之间以及辅助活塞杆54与最内层液压缸
缸体55之间，位于外层的液压缸缸体55的顶部设有径向向内延伸的内挡环60，
位于内层的液压缸缸体55/辅助活塞杆54的底部设有径向向外延伸的并与内挡
环60配合的外挡环61，内挡环60与内层液压缸缸体55的外周壁之间设有密封
结构，外挡环61与外层液压缸缸体55的内周壁之间设有密封结构。采用该结
构的辅助液压缸53，内挡环60和外挡环61之间形成限位机构，防止相邻的两
级液压缸缸体55以及最内层液压缸缸体55与辅助活塞杆54之间脱离。优选的，
且设置在活塞杆腔57和分级油腔58上的油口59设置在内挡环60上，防止辅
助液压缸53在伸缩过程中，液压缸缸体55与油口59之间干涉。
本实施例的大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备，通过在两个
胀形挤压冲头4之间设置刚性胀形内模，使用时，将管坯7安放在成形型腔3
内，将刚性胀形内模对应安装在管坯7内，管坯7的两端分别利用胀形挤压冲
头4压紧密封，并在管坯7内注满液体介质；胀形时，利用挤压液压缸14驱动
胀形挤压冲头4对管坯7施加轴向的挤压力，并利用中心液压缸15驱动两端的
推杆8同步相向运动，由于推杆8占据了管坯7内部空间，进而导致液体介质
的压力增大，对管坯7施加液体胀形压力；另外，推杆8的运动还会带动成形
内模块9向支管成型腔5运动，成形内模块9向管坯7的胀形变形区域施加刚
性胀形力，在刚性胀形力和液体胀形压力的共同作用下，驱动管坯7胀形变形，
进而成形为三通管。通过设置辅助压力机构，在管坯7胀形变形的初始阶段，
由于双铰连杆10与管坯7轴线的夹角很小，由推杆8推力转换为对成形内模块
9的垂直于管坯7轴线的垂直分力较小，而辅助压力机构的压力作用可直接作用
在成形内模块9上，与垂直分力和液体胀形压力共同作用，能够更好地驱动管
坯胀形变形，即能够满足大口径三通管的胀形成形要求。
由于采用了刚性胀形内模对管坯施加刚性胀形力，可适当减少液体介质对
管坯7施加的液体胀形压力的大小，即能够减小复合液压缸对推杆施加的推力
大小，成形内模块9的运动速率及行程均可由推杆8的运动控制，因而，本实
施例大口径三通管刚性塑性复合多缸式胀形成形设备能够较好地控制三通管胀
形变形的全过程；且在液体胀形压力的作用下，管坯7在胀形成形过程中，其
内壁均会收到液体胀形压力的作用，管坯7变形后能够与成形型腔3和支管成
型腔5的内壁贴合，成形质量更好。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的
保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或
变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。