CN104772380B - 一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形方法 - Google Patents

一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形方法,其在现有技术的温热电磁成形方法的基础上,通过增设铝驱动片、在凹模前后左右四个壁面上均分别设置若干数量的通气孔,以及凹模的顶部开设有与凹模内部贯通的冷却水通道等简单的技术手段,有效地解决了钛合金材料成形过程中的起皱和回弹问题,以进行钛合金的塑性加工。采用本发明的钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金板材成形方法,其零件的成形质量好、精度等级高,成形速率高,工件成形周期短。本发明在现有技术的基础上,通过简单的技术改造即可完成,其投入产出效益十分显著,具有良好的市场推广应用前景。

Description

一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钛合金板材的成形装置及其成形方法,尤其涉及一种钛合金板材 的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形方法。
背景技术
[0002] 钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
[0003] 但是,由于其成形性不好(常温下,延伸率为10%-20%左右),钛合金材料的塑形 变形量小,特别是低温下,其塑性变形的区域小,易在晶界处产生应力集中,一旦出现较大 的变形量,将产生局部穿晶断裂现象。这使得钛合金板材的塑性成形中,易于出现零件的回 弹和破裂,进而直接影响成形零件的质量。
[0004] 对于钛合金的塑性较差的问题,常用的解决方法主要为热处理,如:退火、固溶和 时效处理。其中,退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性,以获得较好的综合性能。
[0005] 如何有效解决成形过程中钛合金的回弹问题,已经成为本领域技术人员一直渴望 解决的主要技术问题,相关的研究已经成为一个热点课题。
[0006] 中国专利申请CN101590501B公开了一种镁合金板材温热电磁成形方法,其将镁合 金板材置于凹模上,通过凹模内的加热棒加热使镁合金板材升温至100_300°C,电磁成形线 圈在压力机的作用下压紧镁合金板材,再通过电磁成形设备对电磁成形线圈放电,使镁合 金板材贴模成形。
[0007] 这种镁合金板材温热电磁成形方法,对于提高镁合金板材的成形性能,进而实现 镁合金板材的塑性加工,具有一定程度的作用和效果。但是,这种方法存在诸多的缺陷或不 足之处:
[0008] 1、成形过程易于出现金属板材破裂,且等效应力应变较低,无法获得较高的加工 精度。
[0009] 2、磁场的穿透明显,且在线圈1/2处,磁压力峰值较低,磁场效率利用率低。
[0010] 3、线圈和凹形导体在线圈放电过程中可能出现打火现象,减少能量损失,降低了 线圈的寿命。
[0011] 4、塑性加工过程中,凹模中的空气产生的阻力对成形不利,加工的精度降低;而且 加工完成后,成形工件只能通过空气冷却,成形工件的组织结构不是很细密,强度和耐磨性 降低。
[0012] 截至目前,对于如何有效解决钛合金材料成形过程中的回弹问题,以进行钛合金 的塑性加工,现有技术中一直未出现行之有效或相对较为理想的解决办法。
发明内容
[0013] 本发明目的之一是,提供一种钛合金磁脉冲温热动态驱动成形装置,其利用电磁 成形和温成形复合优势,以降低或消除成型过程中钛合金的回弹,进而实现钛合金的塑性 加工成形。
[0014] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是,一种钛合金板材的磁脉冲温热动态 驱动成形装置,包括电磁成形线圈总成、凹模、钢套、电容充电回路和电容放电回路,其中, 钢套内设置有加热棒;其特征在于,还包括有铝驱动片;
[0015] 所述电磁成形线圈总成包括电磁成形线圈、电磁成形线圈外壳和填料;所述电磁 成形线圈插入电磁成形线圈外壳中,两者之间的间隙通过浇注填料进行密实填充,形成一 体;
[0016] 所述凹模的前后左右四个壁面上均分别设置有若干数量的通气孔,所述凹模的顶 部开设有与凹模内部贯通的冷却水通道;
[0017]所述钢套的壁面上均匀设置有若干数量的通透孔,所述加热棒数量为若干,分别 插入各自对应的通透孔内;
[0018] 所述钢套和凹模上均分别均匀设置有若干数量的拉延筋;
[0019] 所述电磁成形线圈总成装配在所述钢套内部,形成间隙配合;
[0020] 所述电容充电回路由并联连接的电源U和电容C组成;
[0021 ]所述电容C与开关K、电感L、电阻R和电磁成形线圈串联连接,形成所述电容放电回 路;
[0022]在进行钛合金板材成形时,所述铝驱动片与待成形的钛合金板材的中心对齐,钛 合金板材在上、铝驱动片在下,层叠放置在所述钢套的顶部中心位置处;
[0023]所述凹模固定在压力机的上滑块上,并由压力机的上滑块带动,自上向下紧压在 所述钛合金板材上,并将所述钛合金板材全部覆盖住;
[0024] 所述放电回路用于对电磁成形线圈放电,以产生磁脉冲,进而使钛合金板材和铝 驱动片在电磁力的作用下塑性变形。
[0025] 上述技术方案直接带来的技术效果是,采用钢套加热与增设铝驱动片等简单的技 术手段,将温成形和电磁成形方法有机结合于一体:
[0026] 成形初期,先对钢套中的加热棒通电,以使铝驱动片和钛合金板材升温;这主要是 为了利用钛合金板材在室温下较难承受塑性加工,而若温度处于室温以上,在结晶温度以 下,便可顺利进行加工。这样,钛合金板材在进行塑性变形时,除产生硬化外,还可以产生部 分回复,明显减少内部应力,降低变形抗力,提高塑性等特性。
[0027] 成形中后期,则利用铝驱动片动态驱动钛合金板材,在温热状态下利用脉冲电容 器突然释放所储存的能量,通过线圈产生强而短促的脉冲磁场,同时在钛合金板材上产生 感应涡流,并通过该感应涡流产生感应磁场,利用磁场力使钛合金板材成形。这种高速率温 热变形方式,可以有效减小,甚至是消除钛合金的回弹。
[0028] 而且,上述电磁成形过程中,由于采用铝驱动片动态驱动钛合金板材的变形,使得 在相同放电能量下,磁压力峰值明显增强,磁场效率显著提高,在高能量下,较高的应变速 率产生了较高的惯性稳定性,在很大程度上提高了材料的延展性,并且成形后材料的残余 应力低,回弹较小,改善了材料的应变性能;
[0029] 上述技术方案的磁脉冲成形,其利用高速率温热变形方法,可以在极短时间内(微 秒级)释放高能量而使钛合金板材变形,通过储能电容对电磁成形线圈瞬间放电产生强脉 冲磁场,并通过介质(空气)传递,以高压冲击波形式作用于铝驱动片和钛合金板材上,使其 在很高的速度下变形和贴模,由于磁脉冲温热成形中电磁脉冲能产生准静水压力,非常有 利于防止工件起皱及回弹问题的改善,并且金属材料在温热条件下塑性变形时,除产生硬 化外,还可以产生部分回复,明显减少内部应力,降低变形抗力,提高塑性。不仅克服了单一 温成形中的润滑及材料与环境污染、成形速度受限、模具强度、成形工艺条件苛刻、参数可 调整范围小等局限性;而且较好地解决了常规电磁成形过程中,磁压力不足的问题。
[0030] 而且,由于电磁成形过程中,电磁脉冲可以产生准静水压力,因而可有效防止工件 的起皱和回弹;
[0031] 进一步地,在凹模的前后左右四个壁面上均分别均匀设置有若干数量的通气孔, 这有利于在成形中后期,将凹模中的空气由通气孔排出,从而有效降低空气阻力对钛合金 板材的变形的阻碍作用,进一步保证成形精度;
[0032] 进一步地,由于材料变形时间短(一般可以在10~100ms之间完成),工件成形周期 大大缩短,从而进一步保证了钛合金板材的成形精度,减小了钛合金板材的回弹。
[0033]优选为,上述拉延筋为方形拉伸筋。
[0034]该优选技术方案直接带来的技术效果是,采用方形拉伸筋,即可充分满足增大进 料阻力、防止起皱的要求。
[0035]进一步优选,上述填料为环氧树脂、多乙烯多胺和氧化铝粉末的混合物,其中,按 质量百分比,环氧树脂、多乙烯多胺和氧化铝粉末分别为83%、4%和13%。
[0036]该优选技术方案直接带来的技术效果是,采用上述配方的填料,一方面,其流动性 能较好,易于浇铸成型,添加的多乙烯多胺和氧化铝粉末可以提高环氧树脂的耐热性,另一 方面,固化后的环氧树脂具有良好的绝缘性和韧性,可以减少线圈和凹形导体在线圈放电 过程中的打火现象,减少能量损失,有效的延长线圈的寿命。本发明的目的之二是,提供一 种利用上述的钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金板材成形方法。
[0037] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是,一种利用权利要求1所述的钛合金 板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金板材成形方法,其特征在于,包括以下步 骤:
[0038] 第一步,将电磁成形线圈插入电磁成形线圈外壳中,两者之间的间隙通过浇注填 料进行密实填充,填料浇注完成后,在室温下固化4小时,再放入80°C烘箱内保温2小时,得 到电磁成形线圈总成;
[0039] 将上述电磁成形线圈总成装配至钢套内,并将钢套固定在压力机的工作台面上, 其中,电磁成形线圈总成与钢套成间隙配合;
[0040] 再将凹模固定在压力机的上滑块上;
[0041] 然后,将铝驱动片与钛合金板材的中心对齐,钛合金板材在上、铝驱动片在下,层 叠放置在钢套的顶部中心位置处;
[0042] 第二步,开启电源,向电磁储能电容充电,当电磁储能电容充电电压达到25KV后, 断开充电回路;
[0043]第三步,将压力机上滑块下压,使凹模压制在钛合金板材上,保持铝驱动片和钛合 金板材之间紧密接触;
[0044] 然后,接通加热电路,对钢套中的加热棒通电,以使铝驱动片和钛合金板材升温;
[0045] 当铝驱动片和钛合金板材的温度上升至设定温度后,断开加热电路;
[0046] 第四步,闭合放电回路开关,利用储能电容对电磁成形线圈放电,使钛合金板材和 铝驱动片在电磁力的作用下高速变形,制得钛合金零件;
[0047] 第五步,向冷却水通道通入冷却水,将成品冷却至常温;然后,将压力机上滑块上 移,取出钛合金零件。
[0048] 上述技术方案直接带来的技术效果是,有效解决了钛合金板材在成形过程中的回 弹问题,使得钛合金材质的零件的成形质量好、精度等级高。
[0049 ]优选为,上述钛合金板材的厚度为1 -2mm,所述错驱动片的厚度为2mm。
[0050]该优选技术方案直接带来的技术效果是,铝驱动片适合高能量下的动态驱动,并 且2mm的驱动片厚度能有效利用磁场能量,驱动效果最佳,且能够更好地防止钛合金板材成 形过程中出现过早破裂。
[0051 ] 进一步优选,上述设定温度为600~700 °C。
[0052]该优选技术方案直接带来的技术效果是,温度选择为600~700°C,考虑的是,若温 度过高(接近或超过钛合金的结晶温度),钛合金板材的硬化指数n和板厚方向性系数r将相 应减小,不利于拉深变形;若温度过低,钛合金板材的塑性加工性能则相对较差。
[0053]综上所述,本发明相对于现有技术,具有以下有益效果:
[0054] 1、有效解决了钛合金板材在成形过程中的回弹问题,使得钛合金材质的零件的成 形质量好、精度等级高;
[0055] 2、成形速率高(一般可以在10~100ms之间完成),工件成形周期大大缩短。
[0056] 3、在现有技术的基础上,通过简单的技术改造即可完成,其投入产出效益十分显 著,因而具有良好的市场推广应用前景。
附图说明
[0057]图1为本发明的磁脉冲温热动态驱动成形的工装结构示意图;
[0058]图2为未放入钛合金板材时的均勾电磁线圈磁场分布情况不意图;
[0059] 图3为放入钛合金板材后的均匀电磁线圈磁场分布情况示意图。
[0060] 附图标记说明:
[0061 ] 1-凹模,2-钛合金板材,4-铝驱动片,5-冷却水通道,6-通气孔,7-工作线圈产生的 均匀脉冲磁场,8-热电偶,9-钢套,10-加热棒,11-电磁成形线圈,12-填料,13-电磁成形线 圈外壳,16-感应涡流产生感应脉冲磁场。
具体实施方式
[0062]下面结合附图和实施例对发明进行详细的说明。
[0063]如图1至3所示,本发明的钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置,包括电磁 成形线圈总成、凹模1、钢套9、电容充电回路和电容放电回路,其中,钢套9内设置有加热棒 10;
[0064]其还包括有铝驱动片4;
[0065]上述凹模的前后左右四个壁面上均分别设置有通气孔6,上述凹模的顶部开设有 与凹模内部贯通的冷却水通道5;
[0066] 上述电磁成形线圈总成包括电磁成形线圈11、电磁成形线圈外壳13和填料12;
[0067] 上述电磁成形线圈11插入电磁成形线圈外壳13中,两者之间的间隙通过浇注填料 12进行密实填充,形成一体;
[0068] 上述钢套9的壁面上均匀设置有若干数量的通透孔,上述加热棒10数量为若干,分 别插入对应的通透孔内;
[0069] 上述钢套9和凹模1上均分别均匀设置有若干数量的拉延筋;
[0070] 上述电磁成形线圈总成装配在上述钢套9内部,形成间隙配合;
[0071 ]上述电容充电回路由并联连接的电源U和电容C组成;
[0072] 上述电容C与开关K、电感L、电阻R和电磁成形线圈11串联连接,形成上述电容放电 回路;
[0073] 在进行钛合金板材成形时,上述铝驱动片4与待成形的钛合金板材2的中心对齐, 钛合金板材2在上、铝驱动片4在下,层叠放置在上述钢套9的顶部中心位置处;
[0074]上述凹模1固定在压力机的上滑块上,并由压力机的上滑块带动,自上向下紧压在 上述钛合金板材2上,并将上述钛合金板材2全部覆盖住;
[0075] 上述电磁成形线圈11串联在上述电容放电回路中;上述放电回路用于对电磁成形 线圈11放电,以产生磁脉冲,进而使钛合金板材2和铝驱动片4在电磁力的作用下塑性变形。 [0076]上述拉延筋优选为方形拉伸筋。
[0077]上述填料12为环氧树脂、多乙烯多胺和氧化铝粉末的混合物,其中,按质量百分 比,环氧树脂、多乙烯多胺和氧化铝粉末分别为83%、4%和13%。
[0078]为更好地理解本发明,下面结合实施例,对本发明的钛合金板材的磁脉冲温热动 态驱动成形装置进行钛合金板材成形方法进行详细说明。
[0079] 实施例1:
[0080] 所用TA20钛合金板材厚度为l-2mm,尺寸100mm X 100mm;其化学成分如下表所示。
Figure CN104772380BD00081
[0082]材料准备:对TA20钛合金板材进行磁脉冲温热动态驱动成形前,先进行均匀的退 火处理,退火温度为550~600 °C。
[0083]凹模材料和钢套材料均采用45号钢,以减少电磁的损失;
[0084]铝驱动片的厚度为2mm。
[0085]成形方法按如下步骤进行:
[0086] 第一步,将电磁成形线圈11插入电磁成形线圈外壳13中,两者之间的间隙通过浇 注填料12进行密实填充,填料浇注完成后,在室温下固化4小时,再放入80°C烘箱内保温2小 时,得到电磁成形线圈总成;
[0087] 将上述电磁成形线圈总成装配至钢套9内,并将钢套9固定在压力机的工作台面 上,其中,电磁成形线圈总成与钢套9成间隙配合;
[0088]再将凹模1固定在压力机的上滑块上;
[0089]然后,将铝驱动片4与TA20钛合金板材2的中心对齐,TA20钛合金板材2在上、铝驱 动片4在下,层叠放置在钢套9的顶部中心位置处;
[0090] 第二步,开启电源,向电磁储能电容充电,当电磁储能电容充电电压达到25KV后, 断开充电回路;
[0091] 第三步,将压力机上滑块下压,使凹模1压制在TA20钛合金板材2上,保持铝驱动片 4和TA20钛合金板材2之间紧密接触;
[0092]然后,接通加热电路,对钢套9中的加热棒10通电,以使铝驱动片4和TA20钛合金板 材2升温;
[0093]当铝驱动片4和TA20钛合金板材2的温度上升至设定温度后,断开加热电路;
[0094] 第四步,闭合放电回路开关,利用储能电容对电磁成形线圈放电,使TA20钛合金板 材2和铝驱动片4在电磁力的作用下高速变形,制得钛合金零件;
[0095] 第五步,向冷却水通道5通入冷却水,将成品冷却至常温;然后,将压力机上滑块上 移,取出钛合金零件。
[0096] 可以观察到,上述过程中,TA20钛合金板材的变形过程为:
[0097] 在成形的初期,受线圈结构的影响,变形过程为,TA20钛合金板材在相应于线圈半 径1/2处先发生塑性变形,TA20钛合金板材的中心部位的变形滞后于线圈半径1/2处而出现 凹陷形状,铝驱动片也出现与TA20钛合金板材相同的形状;
[0098] 随着变形的增大,TA20钛合金板材与铝驱动片在中心及靠近中心的周围区域出现 变形的不同步现象,即驱动片的变形滞后于板材。
[0099]随后,铝驱动片和TA20钛合金板材在惯性的作用下逐渐隆起,在某一时刻,铝驱动 片与TA20钛合金板材相遇,发生碰撞冲击(冲击发生在TA20钛合金板材的中心部位,而且不 是冲击的最初时刻),冲击后成型逐渐趋于结束。
[0100] 上述钛合金板材的厚度选择为l-2mm,铝驱动片的厚度选择为2mm。考虑的是,铝驱 动片适合尚能量下的动态驱动,并且2mm的驱动片厚度能有效利用磁场能量,驱动效果最 佳,且能够更好地防止钛合金板材成形过程中出现过早破裂。
[0101] 上述设定温度优选为600~700°C。这考虑的是,若温度过高(接近或超过钛合金的 结晶温度),钛合金板材的硬化指数n和板厚方向性系数r将相应减小,不利于拉深变形;若 温度过低,钛合金板材的塑性加工性能则相对较差。
[0102]为更好地理解本发明,现结合附图对本发明的工作原理进行简要说明。
[0103] 如图2、3所示,当高压开关K闭合后,储能电容C对电磁成形线圈11放电产生一个强 脉冲电流I:,工作线圈周围形成均匀脉冲磁场7,工作线圈内不放导电体时,磁力线分布如 图2;当电磁成形线圈内放入合金板材2时,电磁成形线圈产生的脉冲磁场使合金板内产生 涡流1 2,感应涡流产生感应脉冲磁场16。放电瞬间,钛合金板在电磁成形线圈和合金板之间 的叠加磁场的作用下受到电磁力,当磁场力F足够大,超过屈服极限时,钛合金板材发生塑 性变形。
[0104] 需要说明的是:根据本发明的技术思想,实际上,对于驱动片,不仅可以是铝驱动 片,还可以是铜驱动片、银驱动片或其他硬度不是太高,但导电性能良好的金属材质的驱动 片。

Claims (5)

  1. I. 一种利用钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金板材成形方法,其 特征在于,所述钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置包括电磁成形线圈总成、凹模、 钢套、电容充电回路和电容放电回路,其中,钢套内设置有加热棒;其特征在于,还包括有铝 驱动片; 所述电磁成形线圈总成包括电磁成形线圈、电磁成形线圈外壳和填料;所述电磁成形 线圈插入电磁成形线圈外壳中,两者之间的间隙通过浇注填料进行密实填充,形成一体; 所述凹模的前后左右四个壁面上均分别设置有若干数量的通气孔,所述凹模的顶部开 设有与凹模内部贯通的冷却水通道; 所述钢套的壁面上均匀设置有若干数量的通透孔,所述加热棒数量为若干,分别插入 各自对应的通透孔内; 所述钢套和凹模上均分别均匀设置有若干数量的拉延筋; 所述电磁成形线圈总成装配在所述钢套内部,形成间隙配合; 所述电容充电回路由并联连接的电源U和电容C组成; 所述电容C与开关K、电感L、电阻R和电磁成形线圈串联连接,形成所述电容放电回路; 在进行钛合金板材成形时,所述铝驱动片与待成形的钛合金板材的中心对齐,钛合金 板材在上、铝驱动片在下,层叠放置在所述钢套的顶部中心位置处; 所述凹模固定在压力机的上滑块上,并由压力机的上滑块带动,自上向下紧压在所述 钛合金板材上,并将所述钛合金板材全部覆盖住; 所述放电回路用于对电磁成形线圈放电,以产生磁脉冲,进而使钛合金板材和铝驱动 片在电磁力的作用下塑性变形; 所述钛合金板材成形方法,包括以下步骤: 第一步,将电磁成形线圈插入电磁成形线圈外壳中,两者之间的间隙通过浇注填料进 行密实填充,填料浇注完成后,在室温下固化4小时,再放入80°C烘箱内保温2小时,得到电 磁成形线圈总成; 将上述电磁成形线圈总成装配至钢套内,并将钢套固定在压力机的工作台面上,其中, 电磁成形线圈总成与钢套成间隙配合; 再将凹模固定在压力机的上滑块上; 然后,将铝驱动片与钛合金板材的中心对齐,钛合金板材在上、铝驱动片在下,层叠放 置在钢套的顶部中心位置处; 第二步,开启电源,向电磁储能电容充电,当电磁储能电容充电电压达到25KV后,断开 充电回路; 第三步,将压力机上滑块下压,使凹模压制在钛合金板材上,保持铝驱动片和钛合金板 材之间紧密接触; 然后,接通加热电路,对钢套中的加热棒通电,以使铝驱动片和钛合金板材升温; 当铝驱动片和钛合金板材的温度上升至设定温度后,断开加热电路; 第四步,闭合放电回路开关,利用储能电容对电磁成形线圈放电,使钛合金板材和铝驱 动片在电磁力的作用下高速变形,制得钛合金零件; 第五步,通过向冷却水通道通入冷却水,将成品冷却至常温;然后,将压力机上滑块上 移,取出钛合金零件。
  2. 2. 根据权利要求1所述的利用钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金 板材成形方法,其特征在于,所述拉延筋为方形拉伸筋。
  3. 3. 根据权利要求1所述的利用钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金 板材成形方法,其特征在于,所述填料为环氧树脂、多乙烯多胺和氧化铝粉末的混合物,其 中,按质量百分比,环氧树脂、多乙烯多胺和氧化铝粉末分别为83%、4%和13%。
  4. 4. 根据权利要求1所述的利用钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金 板材成形方法,其特征在于,所述钛合金板材的厚度为l_2mm,所述铝驱动片的厚度为2mm。
  5. 5. 根据权利要求1所述的利用钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置进行钛合金 板材成形方法,其特征在于,所述设定温度为600~700°C。
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