CN102896193B - 钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法 - Google Patents

Abstract

钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，涉及一种钛及钛合金热旋压成形方法。为了解决目前热旋压机的钛及钛合金热旋压成形方法成本高，加工出的零件性能不好的问题。它是利用电流流经薄壁管坯所产生的焦耳电阻热直接对薄壁管坯本身进行加热，并使其温度保持在热成形温度范围内，然后通过加压装置对薄壁管坯施加一定的压力，使其发生塑性变形，所以不仅避免了传统塑性热成形工艺中整体式加热消耗在方法中其它部件上的热量损失，而且使得加热过程非常迅速，薄壁管坯内部温度分布非常均匀，极大地提高了能量的利用率与加热的效率。它用于对钛及钛合金旋压成形。

Description

钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法

技术领域

本发明涉及一种钛及钛合金热旋压成形方法,特别涉及一种钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法。

背景技术

金属旋压成形技术是一种综合了锻造、拉伸、挤压、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点的少无切削加工的先进塑性加工工艺，是材料近净成形极为有效的成形技术。这种成形技术具有变形条件好，制品性能高，尺寸精度高，材料利用率高，制品范围广，可制成整体无缝空心回转体零件等优点。特别适合塑性较差的难变形金属成形。

钛合金属于难变形金属，因其比强度高，耐蚀、可焊、环境相容性好等优异特性己广泛在航空、航天、兵器等部门用作各种薄壁壳体，钛合金的旋压技术因此而发展起来。但是钛合金室温塑性差、变形回弹大、各向异性严重、弯曲能力差、易失稳起皱，这些问题决定了钛合金难于进行冷旋压和普旋成形，所以钛合金部件的旋压主要采用热旋压进行。目前开发了钛合金专用的热旋压机，但是价格昂贵，操作和维护都很困难。

钛合金的旋压尽管已进行了多年，但多是在冷旋压设备上进行，坯料加热极不规范，大部分还是采用火焰喷枪加热的方式，造成旋压温度极不均匀，工人劳动条件差，劳动强度高，钛合金产品表面烧损及污染严重，零件质量稳定性差，操作人员技术素质、操作熟练程度严重影响产品质量等问题。而目前热旋压机的钛及钛合金热旋压成形方法成本高，加工出的零件性能不好。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前热旋压机的钛及钛合金热旋压成形方法成本高，加工出的零件性能不好的问题，本发明提供一种钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法。

本发明的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，它包括如下步骤：

步骤一：在将芯轴的一端与冷旋压机主轴同轴固定连接，且芯轴与冷旋压机主轴9保持绝缘；

步骤二：将钛或钛合金形成的均匀厚度的薄壁管坯套在芯轴的外表面且固定连接，薄壁管坯的内径比芯轴的外径大0.2~0.4mm；

步骤三：在薄壁管坯的一端设置电极和电源，电极的另一端与薄壁管坯摩擦连接，辊子、电极和薄壁管坯串联连接在电源的输出回路中；

步骤四：打开电源使其输出恒定电流，辊子和薄壁管坯在电流的作用下开始被加热；

步骤五：利用光学测温仪实时测量薄壁管坯与辊子接触部分的温度，并根据所述温度实时调整电源的输出电流参数；

步骤六：当光学测温仪测量到的温度到达500-700℃时，启动冷旋压机，冷旋压机主轴带动薄壁管坯旋转；

步骤七：在旋转过程中，驱动辊子和电极同步向薄壁管坯的另一端移动，使薄壁管坯受辊子的压力减薄，当移动到薄壁管坯的另一端时停止，同时关闭冷旋压机和电源，完成薄壁管坯的热压成形；

在所述旋转过程中，光学测温仪始终测量薄壁管坯与辊子接触部分的温度，并根据该温度调整电源的输出电流参数，使得所述温度位于500-700℃之间。

本发明的电流辅助钛合金热旋压成形的方法，是利用电流流经薄壁管坯所产生的焦耳电阻热直接对薄壁管坯本身进行加热，并使其温度保持在热成形温度范围内，然后通过加压装置对薄壁管坯施加一定的压力，使其发生塑性变形，所以不仅避免了传统塑性热成形工艺中整体式加热消耗在方法中其它部件上的热量损失，而且使得加热过程非常迅速，薄壁管坯内部温度分布非常均匀，极大地提高了能量的利用率与加热的效率。

在成形时施加的大电流还能够产生“电塑性”，提高材料的塑性变形能力。

此外，由于薄壁管坯到一定温后可以立即进行成形，温度均匀，有利于坯料的塑性变形，改善产品质量。

现有的热旋压机的成形方法都是对模具及薄壁管坯整体进行加热，达到可加工的温度之后，开始旋压，该种方式在旋压之前需要长时间的加热过程，并且，该方法中需要将待加工的管材的温度保持到整根管材旋压完成之后，才能够降温，众所周知，金属在长时间处于高温的条件下，其表面就会发生氧化反应，而金属氧化之后必然会导致其内部性能的变化，最明显的就是微观组织的改变，而微观组织的改变会改变金属的性能，因此，采用现有热旋压法对钛合金管进行成形的过程中容易导致管材表面氧化以及微观组织发生改变的问题。

本发明所述的方法克服了现有热旋压技术的偏见，没有对管材的整体进行加热，而是采用对待加工的管坯进行局部加热的方法实现旋压成形，由于是局部加热，因此加热速度快，当局部加热到一定温度之后，立即开始旋压成形，并且在旋压成形之后，就不对该部分进行加热，该部分既可在室温下冷却。采用该方法对管材旋压成形的过程中，每个部分的加热时间短，使得管材表面不易氧化，所以采用本方法加工的钛合金薄壁壳体零件的性能明显要好于现有的热旋压机的成形方法。另外，由于本方法是采用局部加热的方式对管材局部进行加热，因此加热时间短，整体管材的加工周期也比现有热旋压的方法段。

本发明所述的方法具有加工效率高、加工成本低、加工工艺简单以及加工成形的钛合金薄壁的质量高的优点。

附图说明

图1是本发明的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，它包括如下步骤：

步骤一：在将芯轴3的一端与冷旋压机主轴9同轴固定连接，且芯轴3与冷旋压机主轴9保持绝缘；

步骤二：将钛或钛合金形成的均匀厚度的薄壁管坯2套在芯轴3的外表面且固定连接，薄壁管坯2的内径比芯轴3的外径大0.2~0.4mm；

步骤三：在薄壁管坯2的一端设置电极6和电源7，电极6的另一端与薄壁管坯2摩擦连接，辊子8、电极6和薄壁管坯2串联连接在电源7的输出回路中；

步骤四：打开电源7使其输出恒定电流，辊子8和薄壁管坯2在电流的作用下开始被加热；

步骤五：利用光学测温仪5实时测量薄壁管坯2与辊子8接触部分的温度，并根据所述温度实时调整电源7的输出电流参数；

步骤六：当光学测温仪5测量到的温度到达500~700℃时，启动冷旋压机，冷旋压机主轴9带动薄壁管坯2旋转；

步骤七：在旋转过程中，驱动辊子8和电极6同步向薄壁管坯2的另一端移动，使薄壁管坯2受辊子8的压力减薄，当移动到薄壁管坯2的另一端时停止，同时关闭旋压机和电源7，完成薄壁管坯2的热压成形；

在所述旋转过程中，光学测温仪5始终测量薄壁管坯2与辊子8接触部分的温度，并根据该温度调整电源7的输出电流参数，使得所述温度位于500~700℃之间。

本实施方式中，若实施步骤七后薄壁管坯2的厚度没有达到零件所需的尺寸，可重复对其成形，直到薄壁管坯2达到所需尺寸。

本实施方式中所述的电源输出的信号是低电压高电流信号。

当薄壁管坯达到需要的零件壁厚尺寸时，经断电、泄压、退辊子、退电极、退芯轴五个工序，将已经成形的零件从模具中脱出，同时又为下一个零件的成形做好准备。

目前钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法一般应用于拉丝成形方面，由于丝材的直径一般较小，工艺简单，因此电源的功率一般较小，实现方法也比较简单。

本实施方式中采用芯轴为钛及钛合金成形的模具，电极和辊子分别电源连接，电源为大功率电源，电极、辊子和薄壁管坯的待成形部位形成通电回路。芯轴和旋压机主轴螺栓连接固定，同时保持绝缘；芯轴3和冷旋压机保持绝缘，绝缘设计使芯轴不会分流流经待成形薄壁管坯的电流，减少能量损失。在所述的回路中待成形薄壁管坯的电阻要远远大于回路其它部分的电阻，所以电流会在薄壁管坯待成形部位上产生大量的焦耳热，使其能够在短时间内，几秒至几十秒，被加热至热成形温度。

未成形的薄壁管坯2的壁厚范围为6~20mm，成形后的薄壁管坯2的壁厚范围为2~3mm，例如，内径200mm，厚度10mm，高度100mm的管坯，经过多次旋压成形后，壁厚可以减薄到2~3mm，高度增加到300~500mm。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法的进一步限定，

步骤一中所述将芯轴3的一端与冷旋压机主轴9同轴固定连接的方式为：用螺栓穿过芯轴3内表面，与芯轴3内表面的固定连接，所述螺栓的一端与夹持器1固定连接，所述螺栓的另一端与冷旋压机主轴9固定连接。

本实施方式中是由夹持器1、芯轴3和螺栓组合成钛及钛合金成形的模具，芯轴置于待成形薄壁管坯2内部。同时保持夹持器1、芯轴3和螺栓与冷旋压机绝缘。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法的进一步限定，

步骤一中芯轴3与冷旋压机主轴9保持绝缘的方法为通过耐高温的云母片、陶瓷、石棉橡胶板、聚四氟乙烯实现绝缘。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法的进一步限定，步骤四中，薄壁管坯2的局部加热速度的范围为10℃/s～30℃/s。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法的进一步限定，

电源7输出的电压为2～10V，输出电流为1000～20000A。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法的进一步限定，所述电源7的功率范围为：10KW~200KW。

本发明的方法对内径为200mm，厚度为10mm，高度为100mm的薄壁管坯进行成形，旋压成形时电源7输出的电压和电流分别是1~2V和3000~5000A，成形时间只需要30分钟，耗电量只需要3~5度。如果采用现有整体加热的方法对同样规格的薄壁管坯进行成形，加热和成形的时间需要2-4小时，耗电量大约为80~160度。本发明的方法明显优于现有整体加热的成形方法，大大缩短了加热时间，同时也节省了电量。

本发明的电流辅助钛合金热旋压成形的方法，通过在筒形的薄壁管坯上局部施加一定的电流，使坯料局部自身发热，达到要求的温度，然后再进行旋压成形，提高温度场均匀性和零件质量。该方法可以在现有冷旋压机上简单改造即可，由于只对钛及钛合金筒体局部进行加热，可以明显降低能耗，减少生成过程中的氧化。本发明对还用于加工对设备和工艺方法的要求很高的尺寸较大的零件，本方法可以通过采用大功率的电源，实现钛合金的快速加热，达到900度只需要不到60秒。进一步将加热温度提高到500-700℃,不会导致严重的氧化和显微组织恶化,并且从根本上改善可变形性。所以本发明可以高效率、低成本的成形钛合金薄壁壳体零件，并提高零件质量，降低操作难度。

Claims (6)

1.钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，它包括如下步骤：

步骤一：将芯轴（3）的一端与冷旋压机主轴（9）同轴固定连接，且芯轴（3）与冷旋压机主轴（9）保持绝缘；

步骤二：将钛或钛合金形成的均匀厚度的薄壁管坯（2）套在芯轴（3）的外表面且固定连接，薄壁管坯（2）的内径比芯轴（3）的外径大0.2～0.4mm；

步骤三：在薄壁管坯（2）的一端设置电极（6）和电源（7），电极（6）的一端与薄壁管坯（2）摩擦连接，辊子（8）、电极（6）和薄壁管坯（2）串联连接在电源（7）的输出回路中；

步骤四：打开电源（7）使其输出恒定电流，辊子（8）和薄壁管坯（2）在电流的作用下开始被加热；

步骤五：利用光学测温仪（5）实时测量薄壁管坯（2）与辊子（8）接触部分的温度，并根据所述温度实时调整电源（7）的输出电流参数；

步骤六：当光学测温仪（5）测量到的温度到达500～700℃时，启动冷旋压机，冷旋压机主轴（9）带动薄壁管坯（2）旋转；

步骤七：在旋转过程中，驱动辊子（8）和电极（6）同步向薄壁管坯（2）的另一端移动，使薄壁管坯（2）受辊子（8）的压力减薄，当移动到薄壁管坯（2）的另一端时停止，同时关闭冷旋压机和电源（7），完成薄壁管坯（2）的热压成形；

在所述旋转过程中，光学测温仪（5）始终测量薄壁管坯（2）与辊子（8）接触部分的温度，并根据该温度调整电源（7）的输出电流参数，使得所述温度位于500～700℃之间。

2.根据权利要求1所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，其特征在于，步骤一中所述将芯轴（3）的一端与冷旋压机主轴（9）同轴固定连接的方式为：用螺栓穿过芯轴（3）内表面，与芯轴（3）内表面的固定连接，所述螺栓的一端与夹持器1固定连接，所述螺栓的另一端与冷旋压机主轴（9）固定连接。

3.根据权利要求1所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，其特征在于，步骤一中芯轴（3）与冷旋压机主轴（9）保持绝缘的方法为通过耐高温的云母片或陶瓷或石棉橡胶板或聚四氟乙烯实现绝缘。

4.根据权利要求1所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，其特征在于，步骤四中，薄壁管坯（2）的局部加热速度的范围为10℃/s～30℃/s。

5.根据权利要求1所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，其特征在于，电源（7）输出的电压为2～10V，输出电流为1000～20000A。

6.根据权利要求1所述的钛及钛合金电流辅助热旋压成形方法，其特征在于，所述电源（7）的功率范围为：10KW～200KW。