CN104139105B - 钛管差温剪切弯曲成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛管差温剪切弯曲成形方法及装置。所述钛管差温剪切弯曲成形装置包括：下模块和上模块，所述下模块和上模块相互配合并错开设置，并且结构相同；所述下模块包括：底板；对称设置在所述底板上的第一弯曲半模和第二弯曲半模，加热装置，设置在所述圆柱形水平型腔之外对所述圆柱形水平型腔加热，并位于所述第一弯曲半模中；冷却装置，设置在所述圆柱形竖直型腔之外，对所述圆柱形竖直型腔冷却，并位于所述第一弯曲半模中。所述钛管差温剪切弯曲成形方法包括：加热下模块和上模块的圆柱形水平型腔直至达到设定温度，并保温；管材在压力机作用下发生剪切弯曲变形，当管材的弯曲变形区转变为传力区直线段后，对管材的已变形区进行冷却。

Description

钛管差温剪切弯曲成形方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钛管差温剪切弯曲成形方法及装置，用于加工获得钛管，尤其是薄壁钛管。

背景技术

对于薄壁管的弯曲成形，工业界主要采用管材绕弯和管材推弯的方法实现，所能达到的最小弯曲半径也仅都大于管材直径。对于管材弯曲半径小于管材直径的管件，工业界不得不采用板材冲压半管再对焊的方法制造，沿管材内外脊线的焊缝增加了机体的重量，减小了机体的可靠性。在国外，日本首次提出了管材剪切弯曲成形的方法，该方法能够制造弯曲半径小于1倍管径的管件，该方法采用实体芯棒作为管材的内支撑，通过模具的相对运动对管材施加剪切力，管材发生剪切弯曲变形。在国内，哈尔滨工业大学提出了管材充液剪切弯曲成形方法(专利公开号：CN101537447A)，该方法采用液体介质实现内压支撑，采用冲头进给补料和模具的相对运动对管材施加轴向力和剪切力，进而实现管材的剪切弯曲变形。

钛合金在冷态下是难变形结构材料，钛合金管(钛管)屈强比和屈刚比较大，硬化指数较小，变形抗力大，材料抵抗塑性失稳的能力较低，管材易于发生过度减薄甚至破裂以及起皱缺陷。目前，日本人提出的方法仅能在室温下弯管，难以满足钛合金等难变形材料的弯曲成形。而管材充液剪切弯曲成形方法需要专用设备，同时对于钛合金等难变形材料，则需要更大的成形内压力和剪切力。

综上所述，现有技术中存在以下问题：由于钛合金管(钛管)屈强比和屈刚比较大，很难对钛管进行弯曲成形。

发明内容

本发明提供一种钛管差温剪切弯曲成形方法及装置，以解决由于钛管屈强比和屈刚比较大，钛管(尤其是弯曲半径小于1倍管径的钛管)很难进行弯曲成形的问题。

为此，本发明提出一种钛管差温剪切弯曲成形装置，所述钛管差温剪切弯曲成形装置包括：

下模块和上模块，所述下模块和上模块相互配合错开设置并且结构相同；其中，所述下模块包括：底板；

对称设置在所述底板上的第一弯曲半模和第二弯曲半模，所述第一弯曲半模和第二弯曲半模为可拆卸连接；

第一水平型腔，设置在所述第一弯曲半模中，所述第一水平型腔为半圆形；

第二水平型腔，设置在所述第二弯曲半模中，所述第二水平型腔为半圆形；

所述第一水平型腔与所述第二水平型腔的直径相同，所述第一水平型腔与所述第二水平型腔对接后形成圆柱形水平型腔；

芯棒，设置在所述圆柱形水平型腔中；

加热装置，设置在所述圆柱形水平型腔之外对所述圆柱形水平型腔加热，并位于所述第一弯曲半模和/或第二弯曲半模中；

第一竖直型腔，设置在所述第一弯曲半模中，所述第一竖直型腔为半圆形，所述第一竖直型腔的直径与所述第一水平型腔相同，所述第一竖直型腔与所述第一水平型腔垂直相交并相互连通；

第二竖直型腔，设置在所述第二弯曲半模中，所述第二竖直型腔为半圆形，所述第二竖直型腔与所述第二水平型腔垂直相交并相互连通；

所述第一竖直型腔与所述第二竖直型腔的直径相同，所述第一竖直型腔与所述第二竖直型腔对接后形成圆柱形竖直型腔；

冷却装置，设置在所述圆柱形竖直型腔之外，对所述圆柱形竖直型腔冷却，并位于所述第一弯曲半模和/或第二弯曲半模中。

进一步地，所述加热装置包括：

加热孔和设置在所述加热孔中的加热棒，加热棒例如为电加热棒，所述加热孔包括：顶部加热孔和底部加热孔，所述顶部加热孔设置在所述第一水平型腔的上侧和所述第二水平型腔的上侧，所述底部加热孔设置在所述第一水平型腔的下侧和所述第二水平型腔的下侧。顶部加热孔和底部加热孔便于均匀加热。

进一步地，所述加热装置还包括：保温隔热区，所述保温隔热区包括：顶部保温隔热区和底部保温隔热区，所述顶部保温隔热区设置在所述顶部加热孔的上侧，所述底部保温隔热区设置在所述底部加热孔的下侧。保温隔热区内设有保温材质，以便对加热效果进行保温。

进一步地，所述冷却装置包括：储水器、以及与所述储水器连接的进水管和出水管，所述储水器为半圆环形，所述储水器的轴线竖直设置，所述储水器的内圆环包围所述圆柱形竖直型腔。储水器为半圆环形，以便不影响上模和下模的合模。半圆环形储水器的轴切面为上模和下模的合模面。上模和下模合模时，上模的储水器的轴切面与下模的储水器的轴切面位于同一平面内但不重合或不完全重合，二者在高度方向上有错位。

进一步地，所述储水器的尺寸为：其中，L_cm是储水器内圆环直径，L_cj为常温下待加工管材的直径，Δt为管材常温与加热温度的变化量，α_j为管材的线膨胀系数，α_m为模具的线膨胀系数，δ为高温下管材与模具的间隙，取0.1-0.2mm。这样，可以满足加热、冷却以及弯曲变形的各种需要。

进一步地，所述冷却装置包括：冷却气流通路，设置在所述第一弯曲半模和第二弯曲半模上，所述冷却气流通路包括：设置在所述第一弯曲半模中的进气孔和设置在所述第二弯曲半模中的出气孔，所述进气孔与所述第一竖直型腔连通，所述出气孔与所述第二竖直型腔连通。对流冷却的特点是通过流体流动换热的方法，将管材表面的热量带走，降低管材温度。优点是不需要与管材直接接触。

进一步地，所述钛管差温剪切弯曲成形装置还包括：压力机，下模块安装在压力机下平台上，上模块安装在压力机上平台上。

本发明还提出一种钛管差温剪切弯曲成形方法，所述钛管差温剪切弯曲成形方法包括：

步骤A：将下模块安装在压力机下平台上，上模块安装在压力机上平台上，调整下模块和上模块的高度，使下模块和上模块的圆柱形水平型腔的中心线重合，使下模块和上模块的圆柱形竖直型腔的中心线重合；

步骤B：将待加工的管材插入到下模块和上模块的圆柱形水平型腔中，接着将下模块和上模块的芯棒插入到管材内腔中并将芯棒固定住；

步骤C：加热下模块和上模块的圆柱形水平型腔直至达到设定温度，并保温；

步骤D：然后，压力机上平台下压，管材在压力机作用下发生剪切弯曲变形，在管材弯曲变形的同时，对管材的已变形区进行冷却；

步骤E：压力机上平台下压到达到设定的行程后，停止加热，并停止对管材的已变形区进行冷却，然后卸载下模块，取出管材。

进一步地，对管材的已变形区进行冷却的方式为：使用储水器内的循环水通过传导的方式冷却管材或使用冷气通过对流的方式进行冷却。

进一步地，所述管材为直径为32mm，壁厚为1.5mm，弯曲半径为5mm的纯钛管，弯曲角度为90度，加热温度为300至600℃，例如为500℃，550℃，其中选加热温度为350℃，能够使管材容易变形，而且兼顾到加热能力和节能，压力机上平台下压速度为5mm/s，下压行程为50mm。

本发明先用加热装置对待加工的管材进行加热，管材温度升高，变形抗力减小，塑性提高，因而使钛管易于变形，管材弯曲时，当管材的弯曲变形区转变为传力区直线段后，需要对管材的已变形区进行冷却(管材的弯曲变形区为发生弯曲变形的区域，随着管材向前运动，弯曲变形区发生反弯曲变形，转变为直线段区，起传力的作用)。也可以说，当管材从弯曲模型腔弯曲段运动到竖直直线段时，开始冷却。或者说，在剪切变形中，对位于各弯曲半模中的竖直直线段(第一竖直型腔与所述第二竖直型腔)内的管材进行冷却，冷却装置迅速降低传力区的温度，该过程类似于“淬火”，传力区强度增加，传力区断裂可能性减小，传力区直线段长度能够大大增加，管材成形极限提升。

附图说明

图1用立体图示出了本发明第一实施例的钛管差温剪切弯曲成形装置的装配结构；

图2为本发明第一实施例的下模块的装配图；

图3为本发明第一实施例的冷却装置的结构示意图；

图4从侧视方向示出了管材弯曲前，本发明第一实施例的下模块和上模块的装配结构；

图5为图4的A-A剖视结构；

图6从侧视方向示出了管材弯曲后，本发明第一实施例的下模块和上模块的装配结构；

图7为图6的B-B剖视结构；

图8为本发明第一实施例的钛管差温剪切弯曲成形方法的步骤；

图9用立体图示出了本发明第二实施例的钛管差温剪切弯曲成形装置的装配结构；

图10为本发明第二实施例的下模块的装配图；

图11从侧视方向示出了管材弯曲前，本发明第二实施例的下模块和上模块的装配结构；

图12为图11的C-C剖视结构；

图13从侧视方向示出了管材弯曲后，本发明第二实施例的下模块和上模块的装配结构；

图14为图13的D-D剖视结构；

图15为本发明第二实施例的钛管差温剪切弯曲成形方法的步骤。

附图标号说明：

1-下模块；2-上模块；3-管材；4-隔热介质；5-冷却介质；6-下模块；7-上模块；

1.1-底板；1.2-下模块进水管；1.3-下模块出水管；1.4-下模块定位销；1.5-下模块芯棒；1.6-下模块芯棒固定器；1.7-第一弯曲半模；1.8-第二弯曲半模；1.9-下模块储水器；1.10-下模块合模销；1.15-第一竖直型腔；1.16-第二竖直型腔；1.18-加热孔；1.19-圆柱形竖直型腔；

2.1-底板；2.2-上模块进水管；2.3-上模块出水管；2.4-上模块定位销；2.5-上模块芯棒；2.6-上模块芯棒固定器；2.7-上模块第一弯曲半模；2.8-上模块第二弯曲半模；2.9-上模块储水器；2.10-上模块合模销；2.19-圆柱形竖直型腔；

6.1-底板；6.2-第一弯曲半模；6.3-下模块芯棒；6.4-下模块芯棒固定器；6.5-下模块定位销；6.6-第二弯曲半模；6.7-下模块合模销；6.9-出气孔；6.10-进气孔；6.15-第一竖直型腔；6.16-第二竖直型腔；

7.1-底板；7.2-第一弯曲半模；7.3-下模块芯棒；7.4-下模块芯棒固定器；7.5-下模块定位销；7.6-第二弯曲半模；7.7-下模块合模销。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

实施例1：

实施例1示出了基于传导冷却的一种钛管差温剪切弯曲成形装置，由图1所示，钛管差温剪切弯曲成形装置，由下模块1和上模块2组成，上下两模块相互对称，仅以下模块1为例，说明模块特征。

如图2所示，下模块1由底板1.1、第一弯曲半模1.7、第二弯曲半模1.8、合模销1.10、芯棒1.5、芯棒固定器1.6、定位销1.4、进水管1.2、出水管1.3以及储水器1.9组成。其中，两个弯曲半模(第一弯曲半模1.7和第二弯曲半模1.8)相互对称，通过合模销1.10定位相互扣合。第一弯曲半模1.7和第二弯曲半模1.8为块状结构，第一弯曲半模1.7和第二弯曲半模1.8可以提供各种空腔、型腔、槽、孔，为芯棒、加热装置和冷却装置等提供空间和支撑。第一竖直型腔1.15和第二竖直型腔1.16为半圆形，二者相互配合，形成圆柱形竖直型腔1.19。

底板1.1连接两个弯曲半模1.7和1.8(第一弯曲半模1.7和第二弯曲半模1.8)，芯棒1.5通过定位销1.4与芯棒固定器1.6相连，芯棒固定器1.6连接两个弯曲半模1.7和1.8(第一弯曲半模1.7和第二弯曲半模1.8)。

如图3所示，储水器1.9为半圆环形中空壳体，储水器1.9外圆环面分别与进水管1.2和出水管1.3相连，组成冷却系统。两个弯曲半模1.7和1.8上开有孔和槽，分别与进水管1.2和出水管1.3表面配合，保证冷却系统能够镶嵌在两个弯曲半模1.7和1.8(第一弯曲半模1.7和第二弯曲半模1.8)中间，同时保证储水器1.9内圆环面与第一弯曲半模1.7的第一竖直型腔1.15和第二弯曲半模1.8的第二竖直型腔1.16相互配合。第一弯曲半模1.7合模面开有两个矩形槽，槽内填充隔热介质4(如图2)，两个矩形槽与第一弯曲半模1.7的圆柱形水平型腔(圆柱形水平型腔用于容纳管材，图中未标示)对称分布，圆柱形水平型腔放置管材3和芯棒1.5，圆柱形水平型腔中心线两侧等间距分布多个加热孔1.18，且加热孔为通孔。在第一弯曲半模1.7背面，沿圆柱形水平型腔中心线，等间距分布多个测温孔，且测温孔为盲孔。

同理，上下两模块相互对称，如图4和图5所示，上模块2由底板2.1、第一弯曲半模2.7、第二弯曲半模2.8、合模销2.10、芯棒2.5、芯棒固定器2.6、定位销2.4、进水管2.2、出水管2.3以及储水器2.9组成。

弯曲前，分别装配好上、下模块，下模块1与压力机下平台相连，上模块2反转180度与压力机上平台相连，保证上、下模块的合模面对齐；压力机下平台保持固定，上平台提升，直至上、下模块的圆柱形水平型腔中心线重合；使下模块的圆柱形竖直型腔1.19和上模块的圆柱形竖直型腔2.19中心线重合；将管材3插入到圆柱形水平型腔，接着将芯棒1.5和芯棒2.5插入到管材3内腔，并通过定位销1.4和定位销2.4与芯棒连接器1.6和芯棒连接器2.6相连；将隔热介质4置于上、下模块的矩形槽内；同时加热上、下模块的加热区，直至达到设定温度。

如图6和图7所示，压力机上平台下降，管材3发生剪切弯曲变形，当管材3的弯曲变形区转变为传力区直线段后，同时将冷却介质5(例如为冷却水)注入储水器1.9内和储水器2.9内，冷却管材3的已变形区，直到达到设定的行程；加热区停止加热，直至冷却到管材3的出模温度，卸载下模块1，取出管材3。

下面针对规格为Φ32×1.5×5mm(直径×壁厚×弯曲半径)的TA2纯钛管，弯曲角度为90度，阐述基于传导冷却的钛合金管材差温剪切弯曲成形装置及成形方法的实施方式，具体步骤如图8所示。

步骤1：管材3下料，测量管材3的直径和壁厚。

步骤2：确定各弯曲半模(第一弯曲半模和第二弯曲半模)的圆柱形型腔直径、储水器内圆弧面直径以及芯棒直径，按下式确定：

$L_{cm}=\frac{L_{cj}(1+{\mathrm{\α}}_j\mathrm{\Δ}t)+\mathrm{\δ}}{1+{\mathrm{\α}}_m\mathrm{\Δ}t}---\left(1\right)$

其中，L_cm是储水器内圆环直径，L_cj为常温下管材的直径，Δt为管材常温与加热温度的变化量，α_j为管材的线膨胀系数，α_m为模具的线膨胀系数，δ为高温下管材与模具的间隙，一般取0.1-0.2mm。公式(1)是通式，圆柱形型腔直径、储水器内圆环直径以及芯棒直径都可以用该式计算，不同的是圆柱形型腔、储水器内圆环以及芯棒与管材在高温时的间隙δ可能是不同的，计算圆柱形型腔直径、储水器内圆环直径以及芯棒直径时，δ取值有所变化。

步骤3：设计制造各弯曲半模，两个弯曲半模结构相互对称，

(1)根据钛合金管材几何尺寸，确定各弯曲半模的尺寸，各弯曲半模厚度一般比管材直径大80-100mm，各弯曲半模长度l由下式计算，

l＝0.5l₀+c(2)

其中，l₀为管材长度，c为20-40mm。

(2)距各弯曲半模上表面90-110mm，根据管材直径和弯曲半径，在合模面上切出圆柱形型腔，圆柱形型腔包括依次连接的水平直线段(圆柱形水平型腔)、弯曲段和竖直直线段(圆柱形竖直型腔)，弯曲段用于过渡连接水平直线段和竖直直线段；

(3)沿竖直直线段型腔，在距弯曲段型腔20-25mm处切出半径70-80mm圆柱形型腔，与储水器相互配合；

(4)沿各弯曲半模高度方向，以圆柱形水平型腔为中心，对称外延40-50mm范围，作为加热区。加热区内，圆柱形水平型腔中心线两侧对称分布多个直径为15-20mm的加热孔，且为通孔，孔间距为30-42mm。加热区背面，沿圆柱形水平型腔中心线，等间距分布多个直径为8mm测温孔，且为盲孔，孔间距为35-46mm，孔深为70-80mm。

(5)加热区外各切两个矩形槽，槽宽一般为20-30mm，槽长短于各弯曲半模长度20-30mm，槽深短于各弯曲半模厚度40-50mm。

步骤4：根据加热区的尺寸，计算加热区的体积和质量，进而确定弯曲半模加热孔的数量，按下式确定：

n＝cmΔT/pt(3)

其中，n为加热孔的数量，c为模具的比热容，m为加热区的质量，ΔT为温度变化量，p为加热棒的功率，t为加热时间。测温孔的数量为n-1。

步骤5：设计制造储水器，储水器为半圆环形中空壳体，壳体厚度为3-5mm，半径为70-80mm，沿壳体外圆环面分别连接两根直管，一根为进水管，直径为20-25mm，一根为出水管，直径为10-15mm，各弯曲半模上开孔和槽，保证能够储水器、进水管和出水管能够镶嵌在两个弯曲半模中间。储水器内圆弧面与两个弯曲半模圆柱形竖直型腔相互配合。

步骤6：通过合模销定位，将储水器、进水管、出水管与两个弯曲半模装配起来，底板连接两个弯曲半模，组装好下模块，然后用相同的方法组装好上模块。

步骤7：下模块与压力机下平台相连，上模块反转180度与压力机上平台相连，保证上下模块的合模面对齐；压力机下平台保持固定，上平台提升，直至上下模块的圆柱形水平型腔中心线重合。将管材插入到圆柱形水平型腔，接着将芯棒插入到管腔内，芯棒通过定位销与芯棒连接器相连，芯棒固定器连接两个弯曲半模；将隔热介质置于上下模块的矩形槽内。

步骤8：设定加热区温度，加热上下模块的加热区，直至达到设定温度，并保温。

步骤9：设定压力机上平台压下速度和压下行程。

步骤10：压力机上平台下降，管材发生剪切弯曲变形，当管材的弯曲变形区转变为传力区直线段后，同时将冷却介质由进水管分别注入上下模块的储水器内，冷却介质同时由出水管流出，不断循环，冷却管材的已变形区，直到压力机上平台达到设定的行程。

步骤11：上、下模块加热区停止加热，然后停止冷却，卸载下模块，取出管材。

实施例2：

图9为本发明第二实施例的钛管差温剪切弯曲成形装置，该装置由下模块6和上模块7组成，上、下两模块相互对称，仅以下模块6为例，说明模块特征。

如图10所示，下模块同样包括底板6.1，第一弯曲半模6.2和第二弯曲半模6.6，芯棒6.3，芯棒固定器6.4，定位销6.5以及合模销6.7。其中，两个弯曲半模6.2和6.6(第一弯曲半模6.2和第二弯曲半模6.6)相互对称，通过合模销6.7定位相互扣合，底板6.1连接两个弯曲半模6.2和6.6，芯棒6.3通过定位销6.5与芯棒固定器6.4相连，芯棒固定器6.4连接两个弯曲半模6.2和6.6。

弯曲半模6.2合模面开有两个矩形槽，槽内填充隔热介质4(图12)，两个矩形槽与弯曲半模6.2圆柱形水平型腔对称分布，圆柱形水平型腔放置管材3和芯棒6.3，圆柱形水平型腔中心线上下两侧等间距分布多个加热孔，且加热孔为通孔。在弯曲半模6.2背面，与圆柱形水平型腔中心线平行，对称等间距分布多个测温孔，且测温孔为盲孔。与圆柱形竖直型腔中心线平行，等间距分布6个进气孔6.10，且进气孔为盲孔。在第一弯曲半模6.2和第二弯曲半模6.6竖直直线段型腔上增加了6个等间距分的出气孔6.9，进气孔和出气孔相互垂直相交，组成冷却气流通路。第一竖直型腔6.15和第二竖直型腔6.16相互配合，形成圆柱形竖直型腔。同理，上模块同样包括底板7.1，第一弯曲半模7.2和第二弯曲半模7.6，芯棒7.3，芯棒固定器7.4，定位销7.5以及合模销7.7。

如图11和图12所示，弯曲前，分别装配好上、下模块，下模块6与压力机下平台相连，上模块7反转180度与压力机上平台相连，保证上、下模块的合模面对齐；压力机下平台保持固定，上平台提升，直至上、下模块的圆柱形水平型腔中心线重合；将管材3插入到圆柱形水平型腔，接着将芯棒6.3和芯棒7.3插入到管材3内腔，并通过定位销6.5和定位销7.5与芯棒固定器6.4和芯棒固定器7.4相连；将隔热介质4置于上、下模块的矩形槽内；同时加热上、下模块的加热区，直至达到设定温度；

如图13和图14所示，压力机上平台下降，管材3发生剪切弯曲变形，当管材3的弯曲变形区转变为传力区直线段后，同时将低温气体通过冷却气流通路注入到各弯曲半模的竖直型腔内，冷却管材3的已变形区，直到压力机上平台达到设定的行程；加热区停止加热，直至冷却到管材3出模温度，卸载下模块，取出管材3。

下面针对规格为Φ32×1.5×5mm(直径×壁厚×弯曲半径)的TA2纯钛管，弯曲角度为90度，结合图例，阐述基于对流冷却的钛合金管材差温剪切弯曲成形装置及成形方法的实施方式，具体步骤如图15所示。

步骤1：管材3下料，测量管材3的直径和壁厚。

步骤2：根据式(1)，确定各弯曲半模圆柱形型腔直径为32.10mm以及芯棒直径为29.10mm。

步骤3：设计制造各弯曲半模，如图10所示，两弯曲半模结构相互对称；

(1)根据TA2纯钛管材几何尺寸，确定各弯曲半模的尺寸，第一弯曲半模6.2厚度为110mm，第一弯曲半模6.2长度为280mm；

(2)距第一弯曲半模6.2上表面90mm，根据管材3直径和弯曲半径，在合模面上切出圆柱形型腔，圆柱形型腔包括依次连接的水平直线段、弯曲段和竖直直线段；

(3)沿第一弯曲半模6.2高度方向，以圆柱形水平型腔为中心，对称外延40mm范围，作为加热区。加热区内，圆柱形水平型腔中心线两侧对称分布多个直径为20mm的加热孔，且为通孔，孔间距为42mm。加热区背面，沿圆柱形水平型腔中心线，等间距分布多个直径为8mm测温孔，且为盲孔，孔间距为46mm，孔深为70mm。

(4)与圆柱形竖直型腔中心线平行，分布6个直径为10mm的进气孔，孔间距为25mm，孔深为100mm。在第一弯曲半模6.2竖直直线段型腔上设置6个直径为5mm的出气孔，孔深37mm，孔间距25mm，保证出气孔和进气孔垂直相交。

(5)加热区外各切两个矩形槽，槽宽为20mm，槽长为260mm，槽深为80mm。

步骤4：根据式(2)确定第一弯曲半模6.2加热孔的数量7个，测温孔的数量为6个。

步骤5：通过合模销6.7定位，将两个弯曲半模6.2和6.6装配起来，底板6.1连接两个弯曲半模6.2和6.6，组装好下模块6，然后用相同的方法组装好上模块7。

步骤6：如图9所示，下模块6与压力机下平台相连，上模块7反转180度与压力机上平台相连，保证上、下模块的合模面对齐；压力机下平台保持固定，上平台提升，直至上、下模块的圆柱形水平型腔中心线重合。将管材3插入到圆柱形水平型腔，接着将芯棒(插入到管材3内腔，芯棒6.3和芯棒7.3通过定位销6.5和定位销7.5与芯棒连接器6.4和芯棒连接器7.4相连，芯棒连接器连接弯曲半模6.2和弯曲半模6.6，弯曲半模7.2和弯曲半模7.6)；将隔热介质4置于上、下模块的矩形槽内。

步骤7：设定加热区温度为350℃，加热上、下模块的加热区，直至达到设定温度，并保温。

步骤8：设定压力机上平台下压速度为5mm/s，下压行程为50mm。

步骤9：如图5所示，压力机上平台下降，管材3发生剪切弯曲变形，当管材的弯曲变形区转变为传力区直线段后，同时将低温气体通过冷却气流通路注入到各弯曲半模的竖直型腔内，冷却管材3的已变形区，直到达到设定的行程；加热区停止加热，卸载下模块，取出管材3。管材3的弯曲半径为5mm，弯曲角度为90度，弯曲后，管材由直线形变为阶梯形。

上述两个实施例最主要的区别是在冷却方式上有所区别，其他方面，包括加热装置和加热方式，剪切弯曲方式，圆柱形水平型腔、圆柱形竖直型腔的设置方式和结构上，二者相同。

本发明的有益效果是：(1)不需要专用成形设备，将加热装置和冷却装置集成在弯管工装上，能够实现管材不同区域的差温主动控制；(2)加热装置加热管材，降低钛合金等难变形材料的变形抗力，提高钛合金管材的塑性，当管材的弯曲变形区转变为传力区直线段后，冷却装置迅速降低传力区的温度，传力区强度增加，传力区断裂可能性减小，传力区直线段长度能够大大增加，管材成形极限提升。

本发明针对钛合金等难变形结构材料，提出钛管差温剪切弯曲成形方法和装置，可以实现钛合金等难变形材料弯管变形和微观组织的主动调控，为实现小弯曲半径(弯曲半径小于1倍管径)薄壁钛管的制造提供了新的思路。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述钛管差温剪切弯曲成形装置包括：

下模块和上模块，所述下模块和上模块相互配合并错开设置，并且结构相同；其中，所述下模块包括：底板；

对称设置在所述底板上的第一弯曲半模和第二弯曲半模，所述第一弯曲半模和第二弯曲半模为可拆卸连接；

第一水平型腔，设置在所述第一弯曲半模中，所述第一水平型腔为半圆形；

第二水平型腔，设置在所述第二弯曲半模中，所述第二水平型腔为半圆形；

所述第一水平型腔与所述第二水平型腔的直径相同，所述第一水平型腔与所述第二水平型腔对接后形成圆柱形水平型腔；

芯棒，设置在所述圆柱形水平型腔中；

加热装置，设置在所述圆柱形水平型腔之外对所述圆柱形水平型腔加热，并位于所述第一弯曲半模和/或第二弯曲半模中；

第一竖直型腔，设置在所述第一弯曲半模中，所述第一竖直型腔为半圆形，所述第一竖直型腔的直径与所述第一水平型腔相同，所述第一竖直型腔与所述第一水平型腔垂直相交并相互连通；

第二竖直型腔，设置在所述第二弯曲半模中，所述第二竖直型腔为半圆形，所述第二竖直型腔与所述第二水平型腔垂直相交并相互连通；

所述第一竖直型腔与所述第二竖直型腔的直径相同，所述第一竖直型腔与所述第二竖直型腔对接后形成圆柱形竖直型腔；

冷却装置，设置在所述圆柱形竖直型腔之外，对所述圆柱形竖直型腔冷却，并位于所述第一弯曲半模和/或第二弯曲半模中。

2.如权利要求1所述的钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述加热装置包括：

加热孔和设置在所述加热孔中的加热棒，所述加热孔包括：顶部加热孔和底部加热孔，所述顶部加热孔设置在所述第一水平型腔的上侧和所述第二水平型腔的上侧，所述底部加热孔设置在所述第一水平型腔的下侧和所述第二水平型腔的下侧。

3.如权利要求2所述的钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述加热装置还包括：保温隔热区，所述保温隔热区包括：顶部保温隔热区和底部保温隔热区，所述顶部保温隔热区设置在所述顶部加热孔的上侧，所述底部保温隔热区设置在所述底部加热孔的下侧。

4.如权利要求1所述的钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述冷却装置包括：储水器、以及与所述储水器连接的进水管和出水管，所述储水器为半圆环形，所述储水器的轴线竖直设置，所述储水器的内圆环包围所述圆柱形竖直型腔。

5.如权利要求4所述的钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述储水器的尺寸为：其中，L_cm是储水器内圆环直径，L_cj为常温下待加工管材的直径，Δt为管材常温与加热温度的变化量，α_j为管材的线膨胀系数，α_m为模具的线膨胀系数，δ为高温下管材与模具的间隙，取0.1-0.2mm。

6.如权利要求1所述的钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述冷却装置包括：冷却气流通路，设置在所述第一弯曲半模和第二弯曲半模上，所述冷却气流通路包括：设置在所述第一弯曲半模中的进气孔和设置在所述第二弯曲半模中的出气孔，所述进气孔与所述第一竖直型腔连通，所述出气孔与所述第二竖直型腔连通。

7.如权利要求1所述的钛管差温剪切弯曲成形装置，其特征在于，所述钛管差温剪切弯曲成形装置还包括：压力机，下模块安装在压力机下平台上，上模块安装在压力机上平台上。