從專(zhuān)利技術(shù)角度分析復(fù)合管液壓脹形技術(shù)發(fā)展

姚寅群

摘要：本文通過(guò)CNABS和VEN專(zhuān)利檢索系統(tǒng)，檢索了世界范圍內(nèi)關(guān)于復(fù)合管液壓脹形相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)，從專(zhuān)利申請(qǐng)的年度分布、國(guó)別分布、技術(shù)主題分布等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并重點(diǎn)介紹了復(fù)合管液壓脹形的幾種不同的技術(shù)分支。在上述分析的技術(shù)上，總結(jié)了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)分布情況等一些規(guī)律，為進(jìn)一步研究復(fù)合管液壓脹形技術(shù)提供參考資料。

關(guān)鍵詞：復(fù)合管;液壓;脹形

中圖分類(lèi)號(hào)：TG113.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0172-02

0? 引言

在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域，高強(qiáng)輕量材料是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)如多層管結(jié)構(gòu)零件可以實(shí)現(xiàn)多種功能，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)如多層管結(jié)構(gòu)零件可以實(shí)現(xiàn)多種功能，如零件既具有強(qiáng)度，也具有一定的功能如防腐性能等，比如零件的內(nèi)層可以采用鋼板或不銹鋼等強(qiáng)度較高的零件，外層可以采用鋁合金等防腐蝕性能好的管材等。

當(dāng)前，一般采用以下三種方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合管的加工：①常用的雙重或多重復(fù)合管材的制造技術(shù)都是將粘合劑或者合成樹(shù)脂填充到內(nèi)部管材和外部管材之間使之結(jié)合，但此種方法粘合劑或合成樹(shù)脂容易受周?chē)h(huán)境或溫度的影響而導(dǎo)致化學(xué)性能變化喪失結(jié)合性能，從而會(huì)降低內(nèi)、外部鋼管之間的結(jié)合力;②對(duì)內(nèi)部或外部管材加熱或冷卻處理以收縮配合的方式制造，該方法對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管材加工時(shí)難以通過(guò)熱處理加工而均勻地結(jié)合所有的面;③將內(nèi)部管材和外部管材套接后再利用剛性凸凹模進(jìn)行成形，但此種方法成形質(zhì)量難以保證，層與層之間往往在成形過(guò)程中分離。

現(xiàn)在，對(duì)于復(fù)合管材的加工多采用液漲成型技術(shù)，通過(guò)管材高壓液脹成型的方式，使內(nèi)部管材擴(kuò)管成型，使其產(chǎn)生塑性變形以使其緊貼外部鋼管，從而通過(guò)內(nèi)部管材的擴(kuò)管力使外部管材產(chǎn)生彈性變形及塑性變形，并通過(guò)彈性恢復(fù)將其機(jī)械結(jié)合[1]。

1? 復(fù)合管液壓脹形技術(shù)原理

復(fù)合管液壓脹形裝置的原理為：把內(nèi)層管與外層管先套在一起后將芯桿裝入內(nèi)層管內(nèi)，在脹頭的兩端依次裝上O形密封圈及異形密封圈;旋緊兩端的螺母使密封圈的兩側(cè)面與螺母及脹頭貼緊。脹合操作開(kāi)始時(shí)，按密封圈初始密封條件要求所需壓強(qiáng)的高壓液體先通過(guò)左脹頭的上部通道和右脹頭下部通道同時(shí)進(jìn)入異形密封膠圈的凹腔內(nèi)，在高壓液體的壓力下，密封圈徑向脹大，其外徑與內(nèi)管的內(nèi)徑接觸形成密封面，同時(shí)在液壓下密封圈兩翼軸向張開(kāi)，由于自緊密封原理，諸密封面比壓均遠(yuǎn)高于液壓力，達(dá)到預(yù)緊密封的目的。然后開(kāi)啟閥門(mén)再將此高壓液體水從左脹頭的下部通道注入內(nèi)層管與芯桿組成的脹合腔內(nèi)，腔內(nèi)氣體從右脹頭上部通道排除。然后提高液體壓力，隨著內(nèi)部液體壓力的升高，密封腔內(nèi)壓力也不斷同步升高，以提供足夠的密封比壓。加壓到工藝規(guī)定的脹合壓力并保壓，以達(dá)到復(fù)合管的脹合。隨后密封腔內(nèi)及脹合腔內(nèi)同步卸壓，完成一根復(fù)合管的整個(gè)脹合工藝[2-3]。

2? 數(shù)據(jù)庫(kù)選擇和檢索

為了解復(fù)合管液壓脹形相關(guān)專(zhuān)利的申請(qǐng)情況，通過(guò)檢索CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)和VEN數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得專(zhuān)利分析樣本?？紤]到本文所分析主題的特點(diǎn)，分類(lèi)號(hào)和關(guān)鍵詞的表達(dá)都相對(duì)比較準(zhǔn)確，因而，主要采用分類(lèi)號(hào)結(jié)合關(guān)鍵詞的檢索方式。檢索時(shí)，主要通過(guò)IPC分類(lèi)號(hào)B21B26/051（使雙壁管變形）以及關(guān)鍵詞雙金屬、復(fù)合管、液壓等進(jìn)行檢索，在CNABS上檢索得到68篇公開(kāi)專(zhuān)利，VEN上進(jìn)行檢索后得到196件相關(guān)的專(zhuān)利樣本。

3? 專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

在確定了復(fù)合管液壓脹形技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域之后，在中國(guó)專(zhuān)利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）進(jìn)行了檢索，經(jīng)初步檢索后，由于檢索出的文獻(xiàn)顯示，電液成形領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)文件在1990年就出現(xiàn)，因此，將檢索對(duì)象限定在1990-2020年。圖1顯示了隨時(shí)間的發(fā)展，復(fù)合管液壓脹形技術(shù)的國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量的變化情況。

從圖1中可以看出，該液壓脹形技術(shù)的專(zhuān)利在1991年就開(kāi)始申請(qǐng)，但申請(qǐng)量并不大，從1991-1999年僅申請(qǐng)了兩件，其中是天津市有色金屬軋延廠和譚偉雄，譚偉雄所在的聯(lián)系地址為湖南省岳陽(yáng)市長(zhǎng)嶺煉油化工廠，從上述資料可以看出，最早的復(fù)合管的申請(qǐng)主要在于金屬軋制以及煉油企業(yè)，均屬于重工企業(yè)，但在這十年間，在該領(lǐng)域的發(fā)展均較為緩慢，申請(qǐng)量較少;進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，該領(lǐng)域的申請(qǐng)量逐漸增加，從2001年到2009年，共申請(qǐng)了15篇專(zhuān)利，特別是進(jìn)入到2010年后，專(zhuān)利申請(qǐng)量井噴式發(fā)展，2010年到2020年共申請(qǐng)了51件專(zhuān)利，在2000年距1992年8年后重新開(kāi)始出現(xiàn)該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)，在國(guó)內(nèi)存在一定時(shí)間的空床期，且在后續(xù)申請(qǐng)年中平均申請(qǐng)量每年僅為1-2件，申請(qǐng)量不大，直到2009年以后才開(kāi)始出現(xiàn)較多的專(zhuān)利申請(qǐng)，在2009年申請(qǐng)了5件專(zhuān)利，進(jìn)入到2010年后，專(zhuān)利申請(qǐng)量出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展，2013年申請(qǐng)了6件專(zhuān)利，2014年申請(qǐng)了7件專(zhuān)利，2015年申請(qǐng)量最大，達(dá)到了11件專(zhuān)利。這是有多方面的因素導(dǎo)致的，首先是復(fù)合管的液脹成型的液壓控制相比于單管液脹成型，其難度要大的多，其液壓的精確控制受到自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展的制約，之前國(guó)內(nèi)對(duì)于液壓自動(dòng)控制方面發(fā)展較為緩慢，而進(jìn)入到2010年后，各大高校相繼對(duì)液脹成型進(jìn)行研究，特別是雙金屬液脹成型壓力的模擬計(jì)算的研究，對(duì)于其自動(dòng)化控制提供了良好的驅(qū)動(dòng)力;其次，復(fù)合管在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也帶動(dòng)了復(fù)合管液壓脹形的迅猛發(fā)展，特別重型機(jī)械、航空航天領(lǐng)域的大量使用，也帶動(dòng)了復(fù)合管液壓脹形技術(shù)的發(fā)展，比如中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司、西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司等企業(yè)在這一時(shí)期就申請(qǐng)了大量的專(zhuān)利;復(fù)合管通過(guò)液壓脹形技術(shù)雖然存在著制造精度高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于其控制技術(shù)方面的制約，并未在工業(yè)上獲得普遍的應(yīng)用，因此，總體而言在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量不大。

根據(jù)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人及申請(qǐng)量的數(shù)據(jù)量的分析，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人較為集中，其主要分布在各大高校，其中包括南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、華東理工大學(xué)、文華學(xué)院、湖南大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)，由此可以看出，對(duì)于復(fù)合管的液壓脹形領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始形成一個(gè)強(qiáng)有力的研究基礎(chǔ)，其中各大高校對(duì)于該領(lǐng)域都有研究的方面;而在企業(yè)領(lǐng)域，在重工企業(yè)中，基于復(fù)合管的廣泛應(yīng)用，其申請(qǐng)量也較大，特別是中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，在2013-2015年，申請(qǐng)了11件專(zhuān)利，其中涉及模具裝置、系統(tǒng)控制、成型工藝等各個(gè)方面。

4? 復(fù)合管液壓脹形技術(shù)的主要技術(shù)分支

復(fù)合管液壓脹形技術(shù)從上世紀(jì)初就開(kāi)始研究，一直以來(lái)申請(qǐng)的專(zhuān)利主要是傳統(tǒng)的直管式的液壓脹形技術(shù)，在進(jìn)入二十世紀(jì)六七十年代以后，該領(lǐng)域的研究就開(kāi)始轉(zhuǎn)向液壓控制方面;同時(shí)，也存在一些對(duì)于復(fù)合管內(nèi)通過(guò)液壓脹形技術(shù)在雙層管之間形成加強(qiáng)件的雙壁管的技術(shù)應(yīng)用，以下，基于上述兩條技術(shù)路線對(duì)于復(fù)合管的液壓脹形技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)利分析。

對(duì)于傳統(tǒng)的直管式的液壓脹形技術(shù)，其主要就是將兩個(gè)金屬管嵌套，并將金屬管放入模具，在內(nèi)層金屬管內(nèi)充填液壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層金屬管的復(fù)合。早在1925年申請(qǐng)?zhí)枮閁S1720366A的專(zhuān)利公開(kāi)了一種雙層金屬管復(fù)合液脹加工，該方法將外層管A和內(nèi)層管B嵌套后放入模具中，再將加壓芯棒插入內(nèi)層管B，在往內(nèi)層管B內(nèi)填充高壓液體，進(jìn)行液壓脹形加工，從而將外層管A和內(nèi)層管B復(fù)合在一起。

而在專(zhuān)利JPS55-141322A中，該專(zhuān)利公開(kāi)了一種復(fù)合管液壓脹形技術(shù)，其主要是研究不銹鋼復(fù)合管的基管內(nèi)部施加壓力的研究;通過(guò)在內(nèi)不銹鋼管內(nèi)部施加壓力，當(dāng)施加超過(guò)彈性極限的壓力后，釋放壓力;利用檢測(cè)計(jì)算得到的內(nèi)、外不銹鋼管的屈服應(yīng)力的差異，研究?jī)?nèi)不銹鋼管中產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，通過(guò)該方法可以獲得在非常苛刻的條件下使用該方法制造的管時(shí)，也不會(huì)發(fā)生由于應(yīng)力而導(dǎo)致的液壓脹形時(shí)的裂紋缺陷。

而在專(zhuān)利CN105921589A中，該專(zhuān)利公開(kāi)了一種全管體均勻變形的雙金屬?gòu)?fù)合管的制造方法，該方法包括：

①將裝配好的基管和襯管夾持于模具中;

②計(jì)算雙金屬?gòu)?fù)合管水壓復(fù)合成形的第一階段理論成形壓力P1和第二階段理論成形壓力P2;

③將夾持于模具中的基管的兩端與襯管之間采用密封圈密封，然后向襯管內(nèi)充水排氣;

④向襯管內(nèi)部打壓，待壓力上升至第一階段壓力設(shè)定值P1后保壓2～10min;

⑤繼續(xù)升壓至第二階段壓力設(shè)定值P2后保壓10～240s;

⑥卸壓排水，下料，得到雙金屬?gòu)?fù)合管。該方法能夠保證襯管在復(fù)合過(guò)程中環(huán)向和軸向發(fā)生充分變形，因此采用該方法制造的雙金屬?gòu)?fù)合管的基/襯接觸面積大、沿軸向和環(huán)向的結(jié)合強(qiáng)度均勻性好。

對(duì)于復(fù)合管內(nèi)通過(guò)液壓脹形技術(shù)在雙層管之間形成加強(qiáng)件的雙壁管的技術(shù)應(yīng)用。專(zhuān)利JPH09-170500A公開(kāi)了一種冷卻通路管的制造方法，該方法在內(nèi)筒2和外筒1之間形成焊接線，再將焊接后的內(nèi)筒2和外筒1置于成型上模4和成型下模6之間，在通過(guò)高壓接頭7往內(nèi)筒2和外筒1之間充入高壓液體，在內(nèi)筒2和外筒1之間進(jìn)行脹形，在內(nèi)筒2和外筒1之間形成增強(qiáng)件15以及冷卻通路14。

5? 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合管液壓脹形技術(shù)是多層管材復(fù)合加工領(lǐng)域有效的加工技術(shù)之一，特別是近年來(lái)，在低能耗高精度的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大的應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)復(fù)合管液壓脹形技術(shù)的專(zhuān)利文獻(xiàn)進(jìn)行分析，通過(guò)本文的分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)外對(duì)復(fù)合管的液壓脹形技術(shù)研究較早，已經(jīng)有了近百年的研究基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)研究較晚，到1990年后才開(kāi)始研究，但有較多的高校涉及這方面的研究，特別是針對(duì)液壓控制、加工精度等方面有了較多的研究成果，也同樣是今后技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。

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