從專利技術角度分析復合管液壓脹形技術發展

姚寅群

摘要：本文通過CNABS和VEN專利檢索系統，檢索了世界范圍內關于復合管液壓脹形相關技術領域的專利申請，從專利申請的年度分布、國別分布、技術主題分布等方面進行統計分析，并重點介紹了復合管液壓脹形的幾種不同的技術分支。在上述分析的技術上，總結了該技術的發展趨勢、技術分布情況等一些規律，為進一步研究復合管液壓脹形技術提供參考資料。

關鍵詞：復合管;液壓;脹形

中圖分類號：TG113.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0172-02

0? 引言

在航空航天、汽車等領域，高強輕量材料是人們長期追求的目標，也是現代先進制造技術發展的趨勢之一。采用復合結構如多層管結構零件可以實現多種功能，采用復合結構如多層管結構零件可以實現多種功能，如零件既具有強度，也具有一定的功能如防腐性能等，比如零件的內層可以采用鋼板或不銹鋼等強度較高的零件，外層可以采用鋁合金等防腐蝕性能好的管材等。

當前，一般采用以下三種方式實現復合管的加工：①常用的雙重或多重復合管材的制造技術都是將粘合劑或者合成樹脂填充到內部管材和外部管材之間使之結合，但此種方法粘合劑或合成樹脂容易受周圍環境或溫度的影響而導致化學性能變化喪失結合性能，從而會降低內、外部鋼管之間的結合力;②對內部或外部管材加熱或冷卻處理以收縮配合的方式制造，該方法對于長度較長的管材加工時難以通過熱處理加工而均勻地結合所有的面;③將內部管材和外部管材套接后再利用剛性凸凹模進行成形，但此種方法成形質量難以保證，層與層之間往往在成形過程中分離。

現在，對于復合管材的加工多采用液漲成型技術，通過管材高壓液脹成型的方式，使內部管材擴管成型，使其產生塑性變形以使其緊貼外部鋼管，從而通過內部管材的擴管力使外部管材產生彈性變形及塑性變形，并通過彈性恢復將其機械結合[1]。

1? 復合管液壓脹形技術原理

復合管液壓脹形裝置的原理為：把內層管與外層管先套在一起后將芯桿裝入內層管內，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面與螺母及脹頭貼緊。脹合操作開始時，按密封圈初始密封條件要求所需壓強的高壓液體先通過左脹頭的上部通道和右脹頭下部通道同時進入異形密封膠圈的凹腔內，在高壓液體的壓力下，密封圈徑向脹大，其外徑與內管的內徑接觸形成密封面，同時在液壓下密封圈兩翼軸向張開，由于自緊密封原理，諸密封面比壓均遠高于液壓力，達到預緊密封的目的。然后開啟閥門再將此高壓液體水從左脹頭的下部通道注入內層管與芯桿組成的脹合腔內，腔內氣體從右脹頭上部通道排除。然后提高液體壓力，隨著內部液體壓力的升高，密封腔內壓力也不斷同步升高，以提供足夠的密封比壓。加壓到工藝規定的脹合壓力并保壓，以達到復合管的脹合。隨后密封腔內及脹合腔內同步卸壓，完成一根復合管的整個脹合工藝[2-3]。

2? 數據庫選擇和檢索

為了解復合管液壓脹形相關專利的申請情況，通過檢索CNABS數據庫和VEN數據庫來獲得專利分析樣本。考慮到本文所分析主題的特點，分類號和關鍵詞的表達都相對比較準確，因而，主要采用分類號結合關鍵詞的檢索方式。檢索時，主要通過IPC分類號B21B26/051（使雙壁管變形）以及關鍵詞雙金屬、復合管、液壓等進行檢索，在CNABS上檢索得到68篇公開專利，VEN上進行檢索后得到196件相關的專利樣本。

3? 專利申請趨勢分析

在確定了復合管液壓脹形技術的技術領域之后，在中國專利文摘數據庫（CNABS）進行了檢索，經初步檢索后，由于檢索出的文獻顯示，電液成形領域的國內專利申請文件在1990年就出現，因此，將檢索對象限定在1990-2020年。圖1顯示了隨時間的發展，復合管液壓脹形技術的國內專利申請量的變化情況。

從圖1中可以看出，該液壓脹形技術的專利在1991年就開始申請，但申請量并不大，從1991-1999年僅申請了兩件，其中是天津市有色金屬軋延廠和譚偉雄，譚偉雄所在的聯系地址為湖南省岳陽市長嶺煉油化工廠，從上述資料可以看出，最早的復合管的申請主要在于金屬軋制以及煉油企業，均屬于重工企業，但在這十年間，在該領域的發展均較為緩慢，申請量較少;進入二十一世紀以后，該領域的申請量逐漸增加，從2001年到2009年，共申請了15篇專利，特別是進入到2010年后，專利申請量井噴式發展，2010年到2020年共申請了51件專利，在2000年距1992年8年后重新開始出現該領域的專利申請，在國內存在一定時間的空床期，且在后續申請年中平均申請量每年僅為1-2件，申請量不大，直到2009年以后才開始出現較多的專利申請，在2009年申請了5件專利，進入到2010年后，專利申請量出現了井噴式的發展，2013年申請了6件專利，2014年申請了7件專利，2015年申請量最大，達到了11件專利。這是有多方面的因素導致的，首先是復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控制系統的發展的制約，之前國內對于液壓自動控制方面發展較為緩慢，而進入到2010年后，各大高校相繼對液脹成型進行研究，特別是雙金屬液脹成型壓力的模擬計算的研究，對于其自動化控制提供了良好的驅動力;其次，復合管在各領域的廣泛應用也帶動了復合管液壓脹形的迅猛發展，特別重型機械、航空航天領域的大量使用，也帶動了復合管液壓脹形技術的發展，比如中國重型機械研究院有限公司、西安向陽航天材料股份有限公司等企業在這一時期就申請了大量的專利;復合管通過液壓脹形技術雖然存在著制造精度高、能耗低等優點，但是，由于其控制技術方面的制約，并未在工業上獲得普遍的應用，因此，總體而言在國內申請量不大。

根據國內申請人及申請量的數據量的分析，國內申請人較為集中，其主要分布在各大高校，其中包括南京航空航天大學、哈爾濱工業大學、重慶大學、華東理工大學、文華學院、湖南大學、桂林電子科技大學，由此可以看出，對于復合管的液壓脹形領域在國內已經開始形成一個強有力的研究基礎，其中各大高校對于該領域都有研究的方面;而在企業領域，在重工企業中，基于復合管的廣泛應用，其申請量也較大，特別是中國重型機械研究院股份公司，在2013-2015年，申請了11件專利，其中涉及模具裝置、系統控制、成型工藝等各個方面。

4? 復合管液壓脹形技術的主要技術分支

復合管液壓脹形技術從上世紀初就開始研究，一直以來申請的專利主要是傳統的直管式的液壓脹形技術，在進入二十世紀六七十年代以后，該領域的研究就開始轉向液壓控制方面;同時，也存在一些對于復合管內通過液壓脹形技術在雙層管之間形成加強件的雙壁管的技術應用，以下，基于上述兩條技術路線對于復合管的液壓脹形技術進行專利分析。

對于傳統的直管式的液壓脹形技術，其主要就是將兩個金屬管嵌套，并將金屬管放入模具，在內層金屬管內充填液壓，實現對雙層金屬管的復合。早在1925年申請號為US1720366A的專利公開了一種雙層金屬管復合液脹加工，該方法將外層管A和內層管B嵌套后放入模具中，再將加壓芯棒插入內層管B，在往內層管B內填充高壓液體，進行液壓脹形加工，從而將外層管A和內層管B復合在一起。

而在專利JPS55-141322A中，該專利公開了一種復合管液壓脹形技術，其主要是研究不銹鋼復合管的基管內部施加壓力的研究;通過在內不銹鋼管內部施加壓力，當施加超過彈性極限的壓力后，釋放壓力;利用檢測計算得到的內、外不銹鋼管的屈服應力的差異，研究內不銹鋼管中產生壓縮殘余應力，通過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，也不會發生由于應力而導致的液壓脹形時的裂紋缺陷。

而在專利CN105921589A中，該專利公開了一種全管體均勻變形的雙金屬復合管的制造方法，該方法包括：

①將裝配好的基管和襯管夾持于模具中;

②計算雙金屬復合管水壓復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，然后向襯管內充水排氣;

④向襯管內部打壓，待壓力上升至第一階段壓力設定值P1后保壓2～10min;

⑤繼續升壓至第二階段壓力設定值P2后保壓10～240s;

⑥卸壓排水，下料，得到雙金屬復合管。該方法能夠保證襯管在復合過程中環向和軸向發生充分變形，因此采用該方法制造的雙金屬復合管的基/襯接觸面積大、沿軸向和環向的結合強度均勻性好。

對于復合管內通過液壓脹形技術在雙層管之間形成加強件的雙壁管的技術應用。專利JPH09-170500A公開了一種冷卻通路管的制造方法，該方法在內筒2和外筒1之間形成焊接線，再將焊接后的內筒2和外筒1置于成型上模4和成型下模6之間，在通過高壓接頭7往內筒2和外筒1之間充入高壓液體，在內筒2和外筒1之間進行脹形，在內筒2和外筒1之間形成增強件15以及冷卻通路14。

5? 結語

復合管液壓脹形技術是多層管材復合加工領域有效的加工技術之一，特別是近年來，在低能耗高精度的應用領域獲得了極大的應用。本文通過對復合管液壓脹形技術的專利文獻進行分析，通過本文的分析發現，國外對復合管的液壓脹形技術研究較早，已經有了近百年的研究基礎，國內研究較晚，到1990年后才開始研究，但有較多的高校涉及這方面的研究，特別是針對液壓控制、加工精度等方面有了較多的研究成果，也同樣是今后技術發展的一個方面。

參考文獻：

[1]王學生，等.雙金屬復合管液壓成形壓力的計算[J].機械強度，2002（03）.

[2]王學生，等.自緊密封不銹鋼襯里復合管液壓脹合研究[J]. 機械工程學報，2004（05）.

[3]黃克堅，等.雙金屬管極限彈性水壓復合工藝研究[J].焊管，2014（06）.