CN102527848B - 大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具及成形方法，在压力模的上表面，沿该压力模的长度方向均布有多个压力模加热孔，在各相邻的两个压力模加热孔之间有压力模测温孔。在芯棒的端面上沿圆周均布有多个芯棒加热孔和芯棒测温孔，并且各芯棒测温孔位于各相邻的芯棒加热孔之间。压力模加热孔和芯棒加热孔为贯通孔，压力模测温孔和芯棒测温孔为盲孔。本发明通过确定弯管模具、模具与弯管机的隔热、弯曲速度、管件与模具的润滑、模具的加热及温度控制实现直径D＞40mm薄壁纯钛管数控热弯成形，避免管件加热温度不均匀导致管件在夹紧区域易形成严重的颈缩的问题，降低恒温加热管件带来的过多的能源消耗，保证了夹持端的强度，提高管件弯曲成品率。

Description

大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具及成形方法

技术领域

本发明涉及管材数控加工成形领域，具体是用于直径D＞40mm薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具及成形方法。

背景技术

弯管类零件现已广泛应用于航空、航天、汽车、能源等工业领域。数控弯管工艺是传统弯管工艺结合数控技术而产生的一种先进管件弯曲成形技术，可以满足弯管件对高精度、高效率和数字化加工的要求，在航空、航天等高科技领域占据了重要地位并展示了广阔的应用前景。薄壁(管材直径D/壁厚t＞20)纯钛弯管件质量轻并能承受较高的工作压力，用于燃油、空调等管路系统，能够满足新型飞机研制对机身减重、提高飞行机动性等方面的要求。然而，由于纯钛的材料流动性差，室温下数控弯曲直径D＞40mm薄壁纯钛管过程中极易出现起皱、壁厚过度减薄、截面过度扁化等问题，弯管件成品率低，只能进行大弯曲半径(弯曲半径R＞2D)的弯曲成形，无法满足飞机尽可能节省导管所占空间的要求，成为制约薄壁纯钛管弯曲成形质量/成形极限提高的瓶颈。纯钛管被加热到一定温度区间内后具有良好的塑性和延伸率，且变形抗力显著下降，因此数控加热弯曲是提高大直径薄壁纯钛管弯曲成形质量/成形极限的一种有效途径。

通过检索国内外文献及专利，发现：目前已经拥有了薄壁纯钛管室温弯曲和数控加热弯曲的成形模具和成形方法的介绍。西北工业大学许杰博士学位论文中提出了数控室温弯曲模具的设计方法。在授权公告号为CN 201127971Y的实用新型和公开号为CN 101185949A的发明创造中提出了一种用于热弯的数控弯管机模具和一种利用数控弯管机进行加热恒温弯管的方法，该模具在弯曲模高度方向开有通孔作为加热孔、在芯棒中心长度方向开有一盲孔作为加热孔、压力模长度方向开有通孔作为加热孔、防皱模长度方向上开有盲孔作为加热孔，用于进行加热恒温弯管；针对直径D＜40mm的难成形管材或D/t＜20的厚壁管材数控加热弯曲时，可取得较好的弯曲成形效果。但当管材直径D＞40mm，由于模具体积大，加热弯曲模的能源消耗量大，且弯曲模与机床间的热传导易影响机床的使用性能，降低机床的使用寿命；而加热防皱模易降低防皱模刃口部分的强度，降低防皱模的使用寿命。针对D/t＞20的薄壁管，对弯曲模进行加热使得模具夹持部分温度较高，使薄壁管夹持部分的强度降低，弯曲时易出现夹持部分打滑等现象，影响薄壁管的弯曲成形质量；并且当D/t＞20时，为了保证管材的弯曲成形质量，需使用芯球以保证管材弯曲截面不发生过度扁化，由于芯球需与芯棒连接，因此芯棒内部中心孔很难用于芯棒的均匀加热，且由于芯棒的热膨胀，需对芯棒直径进行改进；当管材直径D＞40mm时，由于压力模长度较长，在压力模长度方向开设通孔困难，且单孔加热时间较长。且该发明创造中没有涉及纯钛管数控弯曲润滑、温度控制范围，难以进行直径D＞40mm薄壁纯钛管的数控加热弯曲成形。Schweibold在《Aircraft Engineering and Aerospace Technology》第61卷，12期，8-11，29页上发表的“Titanium Tube Bending for Aerospace”论文中简述了钛管的数控热弯过程，提出在弯曲小于2倍直径的弯管时，需对压力模及芯棒进行加热，加热位置为压力模和芯棒前端工作表面的热敏感位置。然而此种加热方法由于管件加热温度不均匀导致管件在夹紧区域易形成严重的颈缩，并在此夹紧区域出现滑动和起皱现象。

发明内容

为了克服现有技术难以进行大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形的不足，提高直径D＞40mm的薄壁纯钛管弯曲成形质量/成形极限，本发明提出了一种大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具及成形方法。

本发明提出的薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具，包括压力模、夹持模、镶块、弯曲模、防皱模和芯模；所述的芯模包括芯棒和芯球；压力模的一侧表面为凹弧形的压力模成形面，另一侧表面是与机床配合的装配面；其特征在于：

I、在压力模的上表面，沿该压力模的长度方向均布有多个压力模加热孔，在各相邻的两个压力模加热孔之间有压力模测温孔；压力模加热孔和压力模测温孔的数量根据压力模的质量、加热时间、加热温度及加热棒功率通过下述公式确定：

$n_{\mathrm{ph}}=\frac{C_p{m}_p\mathrm{\ΔT}}{W_p{t}_p},$ n_pt＝n_ph-1

其中：n_ph为压力模加热孔的数量，n_pt为压力模测温孔的数量，C_p为压力模材料的比热容，m_p为压力模的质量，ΔT为升高的温度，W_p为单个压力模加热棒的功率，t_p为压力模的加热时间；

II、所述压力模加热孔和压力模测温孔分布在压力模的压力模成形面与机床配合面之间，并且压力模测温孔较压力模加热孔更靠近压力模成形面；所述压力模加热孔的中心线与所述压力模成形面的弧底面之间的距离为20～50mm；

III、在芯棒的端面上沿圆周均布有多个芯棒加热孔和芯棒测温孔，并且各芯棒测温孔位于各相邻的芯棒加热孔之间；芯棒测温孔的位置较芯棒加热孔的位置更靠近芯棒的外表面；所述各芯棒加热孔和芯棒测温孔的中心线与芯棒的中心线平行；所述的芯棒加热孔和芯棒测温孔的数量根据芯棒的质量、加热时间、加热温度及加热棒功率通过下述公式确定：

$n_{\mathrm{mt}}=n_{\mathrm{mh}}=\frac{C_m{m}_m\mathrm{\ΔT}}{W_m{t}_m}$

其中：n_mh为芯棒加热孔数量，n_mt为芯棒测温孔数量，C_m为芯棒材料的比热容，m_m为芯棒的质量，ΔT为升高的温度，W_m为单个芯棒加热棒的功率，t_m为芯棒的加热时间；

IV、芯棒的直径比室温弯曲弯曲时的直径稍小，通过下述公式确定：

$d(1-\mathrm{\α\ΔT})\≤d_h\≤d(1-\frac{1}{2}\mathrm{\α\ΔT})$

其中：d为室温弯曲芯棒的直径，d_h为加热弯曲芯棒的直径，α为芯棒材料的热膨胀系数，ΔT为升高的温度。

所述压力模加热孔和芯棒加热孔为贯通孔，所述压力模测温孔和芯棒测温孔为盲孔。

本发明还提出了一种利用薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具成形薄壁纯钛管的方法，包括以下步骤：

第一步，模具与弯管机的隔热；在压力模的装配面与机床连接面之间安放压力模隔热板，在防皱模与机床连接面之间安放防皱模隔热板；

第二步，装配与调试模具；

第三步，弯管机弯曲速度和的压力模弯曲时助推速度的设定；设定弯管机的弯曲速度为1°～5°/s，当D/t≥70时弯曲速度为1°～3°/s，当D/t＜70时弯曲速度为3°～5°/s；设定的压力模的助推速度与管件弯曲时该管件轴线的线速度相同；关闭弯管机；

第四步，管件弯曲角度的设定；根据管件成形要求设定管件弯曲角度；

第五步，模具与管件的润滑；在防皱模、芯棒及芯球上均匀喷涂一层石墨润滑剂；

第六步，加热及温控装置的安装；在压力模加热孔内放置压力模加热棒，在芯棒加热孔内放置芯棒加热棒，并且在压力模测温孔内和芯棒测温孔内分别放置热电偶；将所述压力模加热棒的导线和防皱模加热棒的导线分别与温度控制器的控制端口连接；将所述热电偶的导线分别与温度控制器测量端口连接；

第七步，设定芯棒和压力模的加热温度；设定芯棒和压力模的加热温度为150℃～300℃；其中，当管件弯曲半径R≤1.5D时，芯棒和压力模的加热温度设定为220℃～300℃，当管件弯曲半径R＞1.5D时，芯棒和压力模的加热温度设定为150℃～220℃；

第八步，管件弯曲；当完成芯棒和压力模加热温度的设定后，将待成形管件安装到芯模上，通过加热棒对芯棒和压力模进行加热至设定的温度值并保温；打开弯管机机床，操作弯管机将压力模、夹持模、镶块、弯曲模、防皱模与管件装配；装配后通过温度控制器控制加热棒对芯棒和压力模加热30s～90s；加热后操作弯管机，按照设定的弯曲速度对管件进行弯曲，得到弯曲成形后的管件；

第九步，卸载；操作弯管机松开各模具；松开模具的顺序依次为：芯模、压力模、夹持模；取下弯曲后的管件后，将压力模、夹持模、镶块、弯曲模和芯模恢复至弯曲前位置，关闭弯管机，将管件空冷至室温。

本发明改进了直径D＞40mm薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具，并通过确定弯管模具、模具与弯管机的隔热、弯曲速度、管件与模具的润滑、模具的加热及温度控制等问题，提出了实现大直径薄壁纯钛管数控热弯成形的技术方案。本发明中仅对压力模及芯棒进行加热，加热孔均匀分散布置，与现有技术相比可有效避免管件加热温度不均匀导致管件在夹紧区域易形成严重的颈缩的问题，降低恒温加热管件带来的过多的能源消耗，保证了夹持端的强度，提高了模具的寿命和管件弯曲成品率。本发明用于大直径薄壁纯钛管小弯曲半径(≤2D)的弯曲成形，管件弯曲后，内侧不起皱，表面无划痕，外侧壁厚减薄＜17％，截面扁化率＜3.0％，可满足飞机对小弯曲半径、直径D＞40mm薄壁纯钛弯管件的需求。

附图说明

图1是本发明数控加热弯曲模具构成示意图；

图2是本发明压力模开孔分布三维示意图；

图3是本发明芯棒开孔分布的三维示意图；

图4是本发明数控加热弯曲加热控温示意图；

图5是本发明数控加热弯曲模具与管件装配示意图；

图6是本发明管件的数控加热弯曲过程示意图。其中：

1.压力模加热孔  2.压力模测温孔     3.压力模         4.芯球          5.夹持模

6.镶块          7.弯曲模           8.芯棒           9.芯棒加热孔    10.芯棒测温孔

11.防皱模       12.防皱模隔热板    13.压力模隔热板  14.温度控制器

15.管件

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具。

本实施例所述的模具是对现有技术中的数控室温弯曲成形模具和用于热弯的数控弯管机模具改进得到的，包括压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11和芯模。所述的芯模包括芯棒8和芯球4。本实施例是在压力模3和芯棒8上分别增加加热孔和测温孔，并优化芯棒8的直径，以满足进行小弯曲半径大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲的要求。本实施例的具体技术方案是：

压力模3的一侧表面为凹弧形的压力模成形面，用于与弯管的外表面配合；压力模3的另一侧表面是与机床配合的装配面。在压力模3的上表面，沿该压力模的长度方向均布有多个压力模加热孔1，在各相邻的两个压力模加热孔1之间有压力模测温孔2；压力模加热孔1和压力模测温孔2的数量根据压力模3的质量、加热时间、加热温度及加热棒功率通过下述公式确定：

$n_{\mathrm{ph}}=\frac{C_p{m}_p\mathrm{\ΔT}}{W_p{t}_p},$ n_pt＝n_ph-1

其中：n_ph为压力模加热孔1的数量，n_pt为压力模测温孔2的数量，C_p为压力模3材料的比热容，m_p为压力模3的质量，ΔT为升高的温度，W_p为单个压力模加热棒的功率，t_p为压力模3的加热时间。

本实施例中，所述压力模加热孔1的数量为9个，压力模测温孔2的数量为8个。

所述压力模加热孔1的孔径与所使用加热棒的直径相匹配；所述压力模测温孔2的孔径与所使用的热电偶的直径相匹配。

所述压力模加热孔1和压力模测温孔2分布在压力模3的压力模成形面与机床配合面之间，并且压力模测温孔2较压力模加热孔1更靠近压力模成形面。所述压力模加热孔1的中心线与所述压力模成形面的弧底面之间的距离为20～50mm，本实施例中，压力模加热孔1的中心线与所述压力模成形面的弧底面之间的距离为25mm。

所述各压力模加热孔1和压力模测温孔2的中心线垂直于压力模的上表面。所述压力模加热孔1为贯通孔，所述压力模测温孔2为盲孔。

在芯棒8的端面上沿圆周均布有多个芯棒加热孔9和芯棒测温孔10，并且各芯棒测温孔10位于各相邻的芯棒加热孔9之间；芯棒测温孔10的位置较芯棒加热孔9的位置更靠近芯棒8的外表面。所述各芯棒加热孔9和芯棒测温孔10的中心线与芯棒8的中心线平行。

所述的芯棒加热孔9和芯棒测温孔10的数量根据芯棒8的质量、加热时间、加热温度及加热棒功率通过下述公式确定：

$n_{\mathrm{mt}}=n_{\mathrm{mh}}=\frac{C_m{m}_m\mathrm{\ΔT}}{W_m{t}_m}$

其中：n_mh为芯棒加热孔9数量，n_mt为芯棒测温孔10数量，C_m为芯棒8材料的比热容，m_m为芯棒8的质量，ΔT为升高的温度，W_m为单个芯棒加热棒的功率，t_m为芯棒8的加热时间。

本实施例中，所述芯棒加热孔9和芯棒测温孔10的数量为6个。

所述芯棒加热孔9的孔径与所使用加热棒的直径相匹配；所述芯棒测温孔10的孔径与所使用的热电偶的直径相匹配。

所述芯棒加热孔9为贯通孔，所述芯棒测温孔10为盲孔。

芯棒8的直径比室温弯曲弯曲时的直径稍小，通过下述公式确定：

$d(1-\mathrm{\α\ΔT})\≤d_h\≤d(1-\frac{1}{2}\mathrm{\α\ΔT})$

其中：d为室温弯曲芯棒8的直径，d_h为加热弯曲芯棒8的直径，α为芯棒8材料的热膨胀系数，ΔT为升高的温度。

夹持模5、镶块6均与现有技术中相同。弯曲模7和防皱模11的结构与现有技术中的数控室温弯曲模具相同，在该弯曲模7和防皱模11上均无加热孔。芯球4的数量与数控室温弯曲成形模具的数量一致。

本实施例中压力模3、夹持模5、镶块6和弯曲模7的均为材料为Cr12MoV模具钢，防皱模11、芯棒8和芯球4的材料均为QAl10-3-1.5铝青铜。

实施例二

本实施例是利用实施例一所述模具数控加热弯曲成形薄壁纯钛管的方法。

本实施例采用的是标准为SAEAMS4941E，2008的规格为Φ50.8×t0.508，即管径D为50.8mm，壁厚t为0.508mm的纯钛管，该纯钛管的D/t＝100，弯曲半径R＝2D。

具体实施过程包括以下步骤：

第一步，模具与弯管机的隔热。在压力模3的装配面与机床连接面之间安放压力模隔热板13，在防皱模11与机床连接面之间安放防皱模隔热板12，通过压力模隔热板13和防皱模隔热板12实现模具与弯管机的隔热。所述的压力模隔热板13和防皱模隔热板12均采用冲压用纤维复合材料隔热板。

第二步，装配与调试模具。按照公开号为CN 101422792A的发明创造中已公开的薄壁管数控弯曲成形模具调试方法调试模具。装配与调试模具时，将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11和芯模安装到弯管机上，打开弯管机，并按照薄壁管数控弯曲成形模具调试方法调整压力模3、夹持模5、防皱模11和芯模，使所述压力模3、夹持模5防皱模11上的各成形面的中心线及芯棒8的中心线与镶块6和弯曲模7的成形面的中心线位于同一水平面；使芯棒伸出量为4mm；通过夹持模5与镶块6将管件15的完全夹紧，保证管件15弯曲过程中夹持部分不发生打滑；使防皱模11的刃口端部与弯曲切点平齐，并使防皱模11的成形面与管件15紧密贴合，防皱模11的结合面与弯曲模7的成形面完全贴合；调整压力模3的相对位置，保证装配时通过压力模3使管件15与防皱模11的成形面紧密贴合。调整完成后将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11恢复到初始位置。

第三步，弯管机弯曲速度和的压力模3弯曲时助推速度的设定。设定弯管机的弯曲速度为1°～5°/s，当D/t≥70时弯曲速度选取1°～3°/s以保证成形质量，当D/t＜70时弯曲速度选取3°～5°/s以提高弯曲效率。本实施例中，弯管机弯曲速度为1.5°/s。

当弯管机弯曲速度的设定后，进而设定压力模3弯曲时的助推速度，具体是，使压力模3在弯管机的作用下运动；该压力模3的助推速度与管件弯曲时该管件轴线的线速度相同，完成压力模3弯曲时助推速度的设定。本实施例中，压力模3的助推速度为2.66mm/s。设定完成后关闭弯管机。

第四步，管件弯曲角度的设定。根据管件成形要求，管件弯曲角度为0°～185°，本实施例中，管件弯曲角度为90°。

第五步，模具与管件的润滑。在防皱模11、芯棒8及芯球4上均匀喷涂一层石墨润滑剂。

第六步，加热及温控装置的安装。在压力模加热孔1内放置压力模加热棒，在芯棒加热孔9内放置芯棒加热棒，并且在压力模测温孔2内和芯棒测温孔10内分别放置热电偶；将所述压力模加热棒的导线和防皱模加热棒的导线分别与温度控制器14的控制端口连接；将所述热电偶的导线分别与温度控制器14测量端口连接。

第七步，设定芯棒8和压力模3的加热温度。设定芯棒8和压力模3的加热温度设定为150℃～300℃，控温精度为±5℃；其中，当管件弯曲半径R≤1.5D时，芯棒8和压力模3的加热温度设定为220℃～300℃以保证足够的延伸率，当管件弯曲半径R＞1.5D时，芯棒8和压力模3的加热温度设定为150℃～220℃以提高加热的效率。

本实施例中，管件弯曲半径R＝2D，通过温度控制器14设定的芯棒8和压力模3的加热温度为200℃。

第八步，管件弯曲。当完成芯棒8和压力模3加热温度的设定后，将待成形管件15安装到芯模上，通过加热棒对芯棒8和压力模3进行加热至设定的温度值，并通过温度控制器保温。打开弯管机机床，操作弯管机将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11与管件15装配。装配后通过温度控制器控制加热棒对芯棒和压力模加热30s～90s。加热后操作弯管机，按照设定的弯曲速度1.5°/s对管件15进行弯曲至90°，得到弯曲成形后的管件15。

本实施例中，压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11与管件15装配后对芯棒8和压力模3加热的时间为30s。

第九步，卸载。操作弯管机松开各模具。松开模具的顺序依次为：芯模、压力模3、夹持模5。取下弯曲后的管件15后，将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7和芯模恢复至弯曲前位置，关闭弯管机，将管件15空冷至室温。

完成弯曲后，检验弯曲成形后的管件15成形质量得到管件内侧不起皱，表面无划痕，外侧壁厚最大减薄率为12.05％，最大截面扁化率2.1％，完全满足使用要求。

在批量生产时，重复第四～第九步，实现弯管件的批量生产。

实施例三

本实施例采用的是标准为SAE AMS4941E，2008的规格为Φ76.2×t1.0668，即管径D为76.2mm，壁厚t为1.0668mm的纯钛管，该纯钛管的D/t＝71.4，弯曲半径R＝2D。

具体实施过程包括以下步骤：

第一步，模具与弯管机的隔热。在压力模3的装配面与机床连接面之间安放压力模隔热板13，在防皱模11与机床连接面之间安放防皱模隔热板12，通过压力模隔热板13和防皱模隔热板12实现模具与弯管机的隔热。所述的压力模隔热板13和防皱模隔热板12均采用冲压用纤维复合材料隔热板。

第二步，装配与调试模具。按照公开号为CN 101422792A的发明创造中已公开的薄壁管数控弯曲成形模具调试方法调试模具。装配与调试模具时，将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11和芯模安装到弯管机上，打开弯管机，并按照薄壁管数控弯曲成形模具调试方法调整压力模3、夹持模5、防皱模11和芯模，使所述压力模3、夹持模5防皱模11上的各成形面的中心线及芯棒8的中心线与镶块6和弯曲模7的成形面的中心线位于同一水平面；使芯棒伸出量为5mm；通过夹持模5与镶块6将管件15的完全夹紧，保证管件15弯曲过程中夹持部分不发生打滑；使防皱模11的刃口端部与弯曲切点平齐，并使防皱模11的成形面与管件15紧密贴合，防皱模11的结合面与弯曲模7的成形面完全贴合；调整压力模3的相对位置，保证装配时通过压力模3使管件15与防皱模11的成形面紧密贴合。调整完成后将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11恢复到初始位置。

第三步，弯管机弯曲速度和的压力模3弯曲时助推速度的设定。设定弯管机的弯曲速度为1°～5°/s，当D/t≥70时弯曲速度选取1°～3°/s以保证成形质量，当D/t＜70时弯曲速度选取3°～5°/s以提高弯曲效率。本实施例中，弯管机弯曲速度为3°/s。

当弯管机弯曲速度的设定后，进而设定压力模3弯曲时的助推速度，具体是，使压力模3在弯管机的作用下运动；该压力模3的助推速度与管件弯曲时该管件轴线的线速度相同，完成压力模3弯曲时助推速度的设定。本实施例中，压力模3的助推速度为7.98mm/s。设定完成后关闭弯管机。

第四步，管件弯曲角度的设定。管件弯曲角度根据要求设定为0°～185°，本实施例中，管件弯曲角度为180°。

第五步，模具与管件的润滑。在防皱模11、芯棒8及芯球4上均匀喷涂一层石墨润滑剂。

第六步，加热及温控装置的安装。在压力模加热孔1内放置压力模加热棒，在芯棒加热孔9内放置芯棒加热棒，并且在压力模测温孔2内和芯棒测温孔10内分别放置热电偶；将所述压力模加热棒的导线和防皱模加热棒的导线分别与温度控制器14的控制端口连接；将所述热电偶的导线分别与温度控制器14测量端口连接。

第七步，设定芯棒8和压力模3的加热温度。设定芯棒8和压力模3的加热温度设定为150℃～300℃，控温精度为±5℃；其中，当管件弯曲半径R≤1.5D时，芯棒8和压力模3的加热温度设定为220℃～300℃以保证足够的延伸率，当管件弯曲半径R＞1.5D时，芯棒8和压力模3的加热温度设定为150℃～220℃以提高加热的效率。

本实施例中，管件弯曲半径R＝2D，通过温度控制器14设定的芯棒8和压力模3的加热温度为180℃。

第八步，管件弯曲。当完成芯棒8和压力模3加热温度的设定后，而后将待成形管件15安装到芯模上，通过加热棒对芯棒8和压力模3进行加热至设定的温度值，并通过温度控制器保温。打开弯管机机床，操作弯管机将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11与管件15装配。装配后通过温度控制器控制加热棒对芯棒和压力模加热30s～90s。加热后操作弯管机，按照设定的弯曲速度3°/s对管件15进行弯曲至180°，得到弯曲成形后的管件15。

本实施例中，压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11与管件15装配后对芯棒8和压力模3加热的时间为70s。

第九步，弯曲后卸载。操作弯管机松开各模具。松开模具的顺序依次为：芯模、压力模3和夹持模5。取下弯曲后的管件15后，将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11和芯模恢复至弯曲前位置，关闭弯管机，将管件15空冷至室温。

完成弯曲后，检验弯曲成形后管件15成形质量得到管件内侧不起皱，表面无划痕，外侧壁厚最大减薄率为10.76％，最大截面扁化率1.7％，完全满足使用要求。

在批量生产时，重复第四～第九步，实现弯管件的批量生产。

实施例四

本实施例采用的是标准为SAE AMS4941E，2008的规格为Φ63.5×t1.0668，即管径D为63.5mm，壁厚t为1.0668mm的纯钛管，该纯钛管的D/t＝59.5，弯曲半径R＝1.5D。

具体实施过程包括以下步骤：

第一步，模具与弯管机的隔热。在压力模3的装配面与机床连接面之间安放压力模隔热板13，在防皱模11与机床连接面之间安放防皱模隔热板12，通过压力模隔热板13和防皱模隔热板12实现模具与弯管机的隔热。所述的压力模隔热板13和防皱模隔热板12均采用冲压用纤维复合材料隔热板。

第二步，装配与调试模具。按照公开号为CN 101422792A的发明创造中已公开的薄壁管数控弯曲成形模具调试方法调试模具。装配与调试模具时，将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11和芯模安装到弯管机上，打开弯管机，并按照薄壁管数控弯曲成形模具调试方法调整压力模3、夹持模5、防皱模11和芯模，使所述压力模3、夹持模5防皱模11上的各成形面的中心线及芯棒8的中心线与镶块6和弯曲模7的成形面的中心线位于同一水平面；使芯棒伸出量为4mm；通过夹持模5与镶块6将管件15的完全夹紧，保证管件15弯曲过程中夹持部分不发生打滑；使防皱模11的刃口端部与弯曲切点平齐，并使防皱模11的成形面与管件15紧密贴合，防皱模11的结合面与弯曲模7的成形面完全贴合；调整压力模3的相对位置，保证装配时通过压力模3使管件15与防皱模11的成形面紧密贴合。调整完成后将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11恢复到初始位置。

第三步，弯管机弯曲速度和的压力模3弯曲时助推速度的设定。设定弯管机的弯曲速度为1°～5°/s，当D/t≥70时弯曲速度选取1°～3°/s以保证成形质量，当D/t＜70时弯曲速度选取3°～5°/s以提高弯曲效率。本实施例中，弯管机弯曲速度为4°/s。

当弯管机弯曲速度的设定后，进而设定压力模3弯曲时的助推速度，具体是，使压力模3在弯管机的作用下运动；该压力模3的助推速度与管件弯曲时该管件轴线的线速度相同，完成压力模3弯曲时助推速度的设定。本实施例中，压力模3的助推速度为6.65mm/s。设定完成后关闭弯管机。

第四步，管件弯曲角度的设定。管件弯曲角度根据要求设定为0°～185°，本实施例中，管件弯曲角度为120°。

第五步，模具与管件的润滑。在防皱模11、芯棒8及芯球4上均匀喷涂一层石墨润滑剂。

第六步，加热及温控装置的安装。在压力模加热孔1内放置压力模加热棒，在芯棒加热孔9内放置芯棒加热棒，并且在压力模测温孔2内和芯棒测温孔10内分别放置热电偶；将所述压力模加热棒的导线和防皱模加热棒的导线分别与温度控制器14的控制端口连接；将所述热电偶的导线分别与温度控制器14测量端口连接。

第七步，设定芯棒8和压力模3的加热温度。设定的芯棒8和压力模3的加热温度设定为150℃～300℃，控温精度为±5℃；其中，当管件弯曲半径R≤1.5D时，芯棒8和压力模3的加热温度设定为220℃～300℃以保证足够的延伸率，当管件弯曲半径R＞1.5D时，芯棒8和压力模3的加热温度设定为150℃～220℃以提高加热的效率。

本实施例中，管件弯曲半径R＝1.5D，通过温度控制器14设定的芯棒8和压力模3的加热温度为250℃。

第八步，管件弯曲。当完成芯棒8和压力模3加热温度的设定后，而后将待成形管件15安装到芯模上，通过加热棒对芯棒8和压力模3进行加热至设定的温度值，并通过温度控制器保温。打开弯管机机床，操作弯管机将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11与管件15装配。装配后通过温度控制器控制加热棒对芯棒和压力模加热30s～90s。加热后操作弯管机，按照设定的弯曲速度4°/s对管件15进行弯曲至120°，得到弯曲成形后的管件15。

本实施例中，压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11与管件15装配后对芯棒8和压力模3加热的时间为80s。

第九步，弯曲后卸载。操作弯管机松开各模具。松开模具的顺序依次为：芯模、压力模3、夹持模5。取下弯曲后的管件15后，将压力模3、夹持模5、镶块6、弯曲模7、防皱模11和芯模恢复至弯曲前位置，关闭弯管机，将管件15空冷至室温。

完成弯曲后，检验弯曲成形后管件15成形质量得到管件内侧不起皱，表面无划痕，外侧壁厚最大减薄率为16.50％，最大截面扁化率2.8％，完全满足使用要求。

在批量生产时，重复第四～第九步，实现弯管件的批量生产。

Claims (1)

1.一种大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具成形薄壁纯钛管的方法，其特征在于，所使用的弯曲成形模具包括压力模、夹持模、镶块、弯曲模、防皱模和芯模；所述的芯模包括芯棒和芯球；压力模的一侧表面为凹弧形的压力模成形面，另一侧表面是与机床配合的装配面；并且述模具具有以下特征：

Ⅰ、在压力模的上表面，沿该压力模的长度方向均布有多个压力模加热孔，在各相邻的两个压力模加热孔之间有压力模测温孔；压力模加热孔和压力模测温孔的数量根据压力模的质量、加热时间、加热温度及加热棒功率通过下述公式确定：

$n_{\mathrm{ph}}=\frac{C_p{m}_p\mathrm{\ΔT}}{W_p{t}_p},$ n_pt=n_ph-1

其中：n_ph为压力模加热孔的数量，n_pt为压力模测温孔的数量，C_p为压力模材料的比热容，m_p为压力模的质量，ΔT为升高的温度，W_p为单个压力模加热棒的功率，t_p为压力模的加热时间；

Ⅱ、所述压力模加热孔和压力模测温孔分布在压力模的压力模成形面与机床配合面之间，并且压力模测温孔较压力模加热孔更靠近压力模成形面；所述压力模加热孔的中心线与所述压力模成形面的弧底面之间的距离为20～50mm；

Ⅲ、在芯棒的端面上沿圆周均布有多个芯棒加热孔和芯棒测温孔，并且各芯棒测温孔位于各相邻的芯棒加热孔之间；芯棒测温孔的位置较芯棒加热孔的位置更靠近芯棒的外表面；所述各芯棒加热孔和芯棒测温孔的中心线与芯棒的中心线平行；所述的芯棒加热孔和芯棒测温孔的数量根据芯棒的质量、加热时间、加热温度及加热棒功率通过下述公式确定：

$n_{\mathrm{mt}}=n_{\mathrm{mh}}=\frac{C_m{m}_m\mathrm{\ΔT}}{W_m{t}_m}$

其中：n_mh为芯棒加热孔数量，n_mt为芯棒测温孔数量，C_m为芯棒材料的比热容，m_m为芯棒的质量，ΔT为升高的温度，W_m为单个芯棒加热棒的功率，t_m为芯棒的加热时间；

Ⅳ、芯棒的直径比室温弯曲时的直径稍小，通过下述公式确定：

$d(1-\mathrm{\α\ΔT})\≤d_h\≤d(1-\frac{1}{2}\mathrm{\α\ΔT})$

其中：d为室温弯曲芯棒的直径，d_h为加热弯曲芯棒的直径，α为芯棒材料的热膨胀系数，ΔT为升高的温度；

所述成形薄壁纯钛管的方法包括以下步骤：

第一步，模具与弯管机的隔热；在压力模的装配面与机床连接面之间安放压力模隔热板，在防皱模与机床连接面之间安放防皱模隔热板；

第二步，装配与调试模具；

第三步，弯管机弯曲速度和的压力模弯曲时助推速度的设定；设定弯管机的弯曲速度为1°～5°/s，当D/t≥70时弯曲速度为1°～3°/s，当D/t<70时弯曲速度为3°～5°/s；设定的压力模的助推速度与管件弯曲时该管件轴线的线速度相同；关闭弯管机；

第四步，管件弯曲角度的设定；根据管件成形要求设定管件弯曲角度；

第五步，模具与管件的润滑；在防皱模、芯棒及芯球上均匀喷涂一层石墨润滑剂；第六步，加热及温控装置的安装；在压力模加热孔内放置压力模加热棒，在芯棒加热孔内放置芯棒加热棒，并且在压力模测温孔内和芯棒测温孔内分别放置热电偶；将所述压力模加热棒的导线和防皱模加热棒的导线分别与温度控制器的控制端口连接；将所述热电偶的导线分别与温度控制器测量端口连接；

第七步，设定芯棒和压力模的加热温度；设定芯棒和压力模的加热温度为150℃～300℃；其中，当管件弯曲半径R≤1.5D时，芯棒和压力模的加热温度设定为220℃～300℃，当管件弯曲半径R>1.5D时，芯棒和压力模的加热温度设定为150℃～220℃；

第八步，管件弯曲；当完成芯棒和压力模加热温度的设定后，将待成形管件安装到芯模上，通过加热棒对芯棒和压力模进行加热至设定的温度值并保温；打开弯管机机床，操作弯管机将压力模、夹持模、镶块、弯曲模、防皱模与管件装配；装配后通过温度控制器控制加热棒对芯棒和压力模加热30s～90s；加热后操作弯管机，按照设定的弯曲速度对管件进行弯曲，得到弯曲成形后的管件；

第九步，卸载；操作弯管机松开各模具；松开模具的顺序依次为：芯模、压力模、夹持模；取下弯曲后的管件后，将压力模、夹持模、镶块、弯曲模和芯模恢复至弯曲前位置，关闭弯管机，将管件空冷至室温。

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