姚寅群

摘要：本文通过CNABS和VEN专利检索系统，检索了世界范围内关于复合管液压胀形相关技术领域的专利申请，从专利申请的年度分布、国别分布、技术主题分布等方面进行统计分析，并重点介绍了复合管液压胀形的几种不同的技术分支。在上述分析的技术上，总结了该技术的发展趋势、技术分布情况等一些规律，为进一步研究复合管液压胀形技术提供参考资料。

关键词：复合管;液压;胀形

中图分类号：TG113.25                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0172-02

0  引言

在航空航天、汽车等领域，高强轻量材料是人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术发展的趋势之一。采用复合结构如多层管结构零件可以实现多种功能，采用复合结构如多层管结构零件可以实现多种功能，如零件既具有强度，也具有一定的功能如防腐性能等，比如零件的内层可以采用钢板或不锈钢等强度较高的零件，外层可以采用铝合金等防腐蚀性能好的管材等。

当前，一般采用以下三种方式实现复合管的加工：①常用的双重或多重复合管材的制造技术都是将粘合剂或者合成树脂填充到内部管材和外部管材之间使之结合，但此种方法粘合剂或合成树脂容易受周围环境或温度的影响而导致化学性能变化丧失结合性能，从而会降低内、外部钢管之间的结合力;②对内部或外部管材加热或冷却处理以收缩配合的方式制造，该方法对于长度较长的管材加工时难以通过热处理加工而均匀地结合所有的面;③将内部管材和外部管材套接后再利用刚性凸凹模进行成形，但此种方法成形质量难以保证，层与层之间往往在成形过程中分离。

现在，对于复合管材的加工多采用液涨成型技术，通过管材高压液胀成型的方式，使内部管材扩管成型，使其产生塑性变形以使其紧贴外部钢管，从而通过内部管材的扩管力使外部管材产生弹性变形及塑性变形，并通过弹性恢复将其机械结合[1]。

1  复合管液压胀形技术原理

复合管液压胀形装置的原理为：把内层管与外层管先套在一起后将芯杆装入内层管内，在胀头的两端依次装上O形密封圈及异形密封圈;旋紧两端的螺母使密封圈的两侧面与螺母及胀头贴紧。胀合操作开始时，按密封圈初始密封条件要求所需压强的高压液体先通过左胀头的上部通道和右胀头下部通道同时进入异形密封胶圈的凹腔内，在高压液体的压力下，密封圈径向胀大，其外径与内管的内径接触形成密封面，同时在液压下密封圈两翼轴向张开，由于自紧密封原理，诸密封面比压均远高于液压力，达到预紧密封的目的。然后开启阀门再将此高压液体水从左胀头的下部通道注入内层管与芯杆组成的胀合腔内，腔内气体从右胀头上部通道排除。然后提高液体压力，随着内部液体压力的升高，密封腔内压力也不断同步升高，以提供足够的密封比压。加压到工艺规定的胀合压力并保压，以达到复合管的胀合。随后密封腔内及胀合腔内同步卸压，完成一根复合管的整个胀合工艺[2-3]。

2  数据库选择和检索

为了解复合管液压胀形相关专利的申请情况，通过检索CNABS数据库和VEN数据库来获得专利分析样本。考虑到本文所分析主题的特点，分类号和关键词的表达都相对比较准确，因而，主要采用分类号结合关键词的检索方式。检索时，主要通过IPC分类号B21B26/051（使双壁管变形）以及关键词双金属、复合管、液压等进行检索，在CNABS上检索得到68篇公开专利，VEN上进行检索后得到196件相关的专利样本。

3  专利申请趋势分析

在确定了复合管液压胀形技术的技术领域之后，在中国专利文摘数据库（CNABS）进行了检索，经初步检索后，由于检索出的文献显示，电液成形领域的国内专利申请文件在1990年就出現，因此，将检索对象限定在1990-2020年。图1显示了随时间的发展，复合管液压胀形技术的国内专利申请量的变化情况。

从图1中可以看出，该液压胀形技术的专利在1991年就开始申请，但申请量并不大，从1991-1999年仅申请了两件，其中是天津市有色金属轧延厂和谭伟雄，谭伟雄所在的联系地址为湖南省岳阳市长岭炼油化工厂，从上述资料可以看出，最早的复合管的申请主要在于金属轧制以及炼油企业，均属于重工企业，但在这十年间，在该领域的发展均较为缓慢，申请量较少;进入二十一世纪以后，该领域的申请量逐渐增加，从2001年到2009年，共申请了15篇专利，特别是进入到2010年后，专利申请量井喷式发展，2010年到2020年共申请了51件专利，在2000年距1992年8年后重新开始出现该领域的专利申请，在国内存在一定时间的空床期，且在后续申请年中平均申请量每年仅为1-2件，申请量不大，直到2009年以后才开始出现较多的专利申请，在2009年申请了5件专利，进入到2010年后，专利申请量出现了井喷式的发展，2013年申请了6件专利，2014年申请了7件专利，2015年申请量最大，达到了11件专利。这是有多方面的因素导致的，首先是复合管的液胀成型的液压控制相比于单管液胀成型，其难度要大的多，其液压的精确控制受到自动控制系统的发展的制约，之前国内对于液压自动控制方面发展较为缓慢，而进入到2010年后，各大高校相继对液胀成型进行研究，特别是双金属液胀成型压力的模拟计算的研究，对于其自动化控制提供了良好的驱动力;其次，复合管在各领域的广泛应用也带动了复合管液压胀形的迅猛发展，特别重型机械、航空航天领域的大量使用，也带动了复合管液压胀形技术的发展，比如中国重型机械研究院有限公司、西安向阳航天材料股份有限公司等企业在这一时期就申请了大量的专利;复合管通过液压胀形技术虽然存在着制造精度高、能耗低等优点，但是，由于其控制技术方面的制约，并未在工业上获得普遍的应用，因此，总体而言在国内申请量不大。

根据国内申请人及申请量的数据量的分析，国内申请人较为集中，其主要分布在各大高校，其中包括南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、重庆大學、华东理工大学、文华学院、湖南大学、桂林电子科技大学，由此可以看出，对于复合管的液压胀形领域在国内已经开始形成一个强有力的研究基础，其中各大高校对于该领域都有研究的方面;而在企业领域，在重工企业中，基于复合管的广泛应用，其申请量也较大，特别是中国重型机械研究院股份公司，在2013-2015年，申请了11件专利，其中涉及模具装置、系统控制、成型工艺等各个方面。

4  复合管液压胀形技术的主要技术分支

复合管液压胀形技术从上世纪初就开始研究，一直以来申请的专利主要是传统的直管式的液压胀形技术，在进入二十世纪六七十年代以后，该领域的研究就开始转向液压控制方面;同时，也存在一些对于复合管内通过液压胀形技术在双层管之间形成加强件的双壁管的技术应用，以下，基于上述两条技术路线对于复合管的液压胀形技术进行专利分析。

对于传统的直管式的液压胀形技术，其主要就是将两个金属管嵌套，并将金属管放入模具，在内层金属管内充填液压，实现对双层金属管的复合。早在1925年申请号为US1720366A的专利公开了一种双层金属管复合液胀加工，该方法将外层管A和内层管B嵌套后放入模具中，再将加压芯棒插入内层管B，在往内层管B内填充高压液体，进行液压胀形加工，从而将外层管A和内层管B复合在一起。

而在专利JPS55-141322A中，该专利公开了一种复合管液压胀形技术，其主要是研究不锈钢复合管的基管内部施加压力的研究;通过在内不锈钢管内部施加压力，当施加超过弹性极限的压力后，释放压力;利用检测计算得到的内、外不锈钢管的屈服应力的差异，研究内不锈钢管中产生压缩残余应力，通过该方法可以获得在非常苛刻的条件下使用该方法制造的管时，也不会发生由于应力而导致的液压胀形时的裂纹缺陷。

而在专利CN105921589A中，该专利公开了一种全管体均匀变形的双金属复合管的制造方法，该方法包括：

①将装配好的基管和衬管夹持于模具中;

②计算双金属复合管水压复合成形的第一阶段理论成形压力P1和第二阶段理论成形压力P2;

③将夹持于模具中的基管的两端与衬管之间采用密封圈密封，然后向衬管内充水排气;

④向衬管内部打压，待压力上升至第一阶段压力设定值P1后保压2～10min;

⑤继续升压至第二阶段压力设定值P2后保压10～240s;

⑥卸压排水，下料，得到双金属复合管。该方法能够保证衬管在复合过程中环向和轴向发生充分变形，因此采用该方法制造的双金属复合管的基/衬接触面积大、沿轴向和环向的结合强度均匀性好。

对于复合管内通过液压胀形技术在双层管之间形成加强件的双壁管的技术应用。专利JPH09-170500A公开了一种冷却通路管的制造方法，该方法在内筒2和外筒1之间形成焊接线，再将焊接后的内筒2和外筒1置于成型上模4和成型下模6之间，在通过高压接头7往内筒2和外筒1之间充入高压液体，在内筒2和外筒1之间进行胀形，在内筒2和外筒1之间形成增强件15以及冷却通路14。

5  结语

复合管液压胀形技术是多层管材复合加工领域有效的加工技术之一，特别是近年来，在低能耗高精度的应用领域获得了极大的应用。本文通过对复合管液压胀形技术的专利文献进行分析，通过本文的分析发现，国外对复合管的液压胀形技术研究较早，已经有了近百年的研究基础，国内研究较晚，到1990年后才开始研究，但有较多的高校涉及这方面的研究，特别是针对液压控制、加工精度等方面有了较多的研究成果，也同样是今后技术发展的一个方面。

参考文献：

[1]王学生，等.双金属复合管液压成形压力的计算[J].机械强度，2002（03）.

[2]王学生，等.自紧密封不锈钢衬里复合管液压胀合研究[J]. 机械工程学报，2004（05）.

[3]黄克坚，等.双金属管极限弹性水压复合工艺研究[J].焊管，2014（06）.