CN104874663B - 一种金属管材的增量式温差胀形方法 - Google Patents

Abstract

一种金属管材的增量式温差胀形装置及胀形方法。金属管材的增量式温差胀形装置包括胀形模具、电磁感应加热机构以及线圈进给机构。带孔冲头和无孔冲头分别位于所述胀形模具的两端，并使带孔冲头、无孔冲头和胀形模具三者的中心线重合。线圈进给机构位于所述胀形模具外一侧，并使该线圈进给机构中的电磁感应线圈套装在所述胀形模具的外圆周上，并与之同轴；电磁感应线圈与胀形模具之间有间隙。在加热胀形的过程中，分段加热部分管坯而不加热模具，对加热部分的管材进行胀形，实现管材零件的增量式温差胀形，改善材料的成形性能，减小管材的回弹，解决管材的失稳和起皱现象，得到壁厚分布均匀的管材零件。

Description

一种金属管材的增量式温差胀形方法

技术领域

本发明涉及金属管材的热胀形技术领域，具体是一种金属管材的电磁感应加热增量式温差胀形装置及方法

背景技术

各种尺寸和形状的金属管材被广泛的应用在航空航天、汽车、石油化工以及电力系统等领域。在航空航天等领域，管材的材质除了常用的钢、铜、铝等金属材料外，还大量采用钛合金、铝合金、高温合金等金属材料，这些金属材料在室温下的塑性差，成形所需要的压力大，同时材料的回弹大，精度不易控制，而适当提高成形温度则能够克服这些问题。电磁感应加热就是采用向电磁感应线圈中通入高频交流电流的方式，使得电磁感应加热线圈周围产生磁场，磁场内的磁力线通过金属管材且在金属管材表面产生涡流，从而使管材本身发热，进而温度升高。

金属管材的增量式温差胀形采用电磁感应加热的方式对管材进行加热，在管坯成形前，调整线圈的位置，使其位于模具过渡区域的起始位置。开通电源后，由于线圈只覆盖这部分的管坯，则只在这部分的管坯表面产生温升，而其他部分管坯的温度基本保持不变。由于高温下材料的塑性较常温下的塑性好，同时材料变形抗力低，因此此时向管坯中充入气体，管坯在气体压力的作用下发生塑性变形，并逐渐贴靠模具，同时，管坯两端的冲头推动管坯向型腔中补料，由于管坯温差的原因，管坯的变形只发生在加热的这一部分，并且在轴向冲头进给的配合下，能够保持在胀形中管材的厚度基本不变。在完成这一部分管坯的加热以及胀形后，将线圈移动一个长度到达下一位置后停止，此时在线圈的覆盖位置管坯的温度升高，保持管坯中气体的压力，同时管坯两端的冲头推动管坯向型腔中配合补料，直到这一部分的管坯胀形完成。继续移动线圈，对其所加罩部位的管坯进行加热以及带轴向进给的充气胀形，如此移动线圈并胀形，按照这种增量式温差胀形的方式，逐渐完成管材的胀形，直到整个管材都贴靠模具，最终获得符合精度要求的管材零件。

在管材的热胀形研究中，中国专利CN 1751819A(轻合金管材热态内高压成形方法)介绍了轻合金管材空心变截面部件热态内高压成形的方法，其装置包括：冲头、模具、热态液体、加热装置和管路，该发明采用热电阻方式将模具加热到适当温度， 再将管坯放入模具中密封，通过向管坯中注入热态液体介质的方式实现对管坯的加热，同时控制冲头的轴向进给量，最终成形出轻合金管材零件，解决了轻合金在常温下加工困难的问题。但是，由于液体介质的加热温度有限，这使得管材的加热和成形温度受到限制，并且在成形的过程中对模具加热，这降低了模具的整体强度。同时，这种整体式的加热保温方法对能源的消耗量大，并且成形中管材厚度的均匀性不易保证。

因此，需要设计一种金属管材的电磁感应加热增量式温差胀形装置，实现只加热管坯而不加热模具，并且只对管材的局部进行加热和胀形，采用增量式的方法逐渐成形出管材零件，解决在轴向进给与气体压力相结合胀形时管材的失稳和起皱问题，同时这种增量式的温差胀形方法能够保证成形后管材壁厚分布的均匀性。

发明内容

为克服现有技术中存在的胀形时管材的失稳和起皱不足，能够保证成形后管材壁厚分布的均匀性，本发明提出了一种金属管材的增量式温差胀形装置及胀形方法。

本发明包括胀形模具、电磁感应加热机构以及线圈进给机构。所述胀形模具中的上半模和下半模对合形成了胀形模具。带孔冲头和无孔冲头分别位于所述胀形模具的两端，并使带孔冲头、无孔冲头和胀形模具三者的中心线重合。线圈进给机构位于所述胀形模具外一侧，使电磁感应加热机构中的电磁感应线圈套装在所述胀形模具的外圆周上，并与之同轴；电磁感应线圈与胀形模具之间有一定间隙，不发生接触。

所述上半模为半圆环形柱，该上半模长度方向的中部的内腔形成了模具的型槽，该型槽的两端为管坯的定位段，该定位段的直径与管坯的外径相同。在该型槽的中部为胀形段，胀形段的两端通过过渡段分别与两侧的定位段连接。所述下半模的结构与所述上半模相同。所述带孔冲头的中心有气体通孔。

所述线圈进给机构中的丝杠安装在滑动支架的上表面，滑块套装在该丝杠上。连接杆的一端与支撑块固连在一起，另一端与滑块的小端连接。所述滑块的小端位于滑动支架的滑槽内，滑块的大端与丝杠连接，将丝杠的旋转运动转化为滑块的直线运动。所述连接杆、滑动支架以及丝杠均与管坯的轴向方向平行。

本发明提出的利用所述金属管材的增量式温差胀形装置胀形的具体的步骤如下：

第一步，工装准备；

第二步，胀形参数的确定：所述的胀形参数包括气体压力p、上半模与下半模之 间的合模力F、线圈每次的移动量a和每个冲头第i次的轴向进给量△h_i。

确定管材胀形时的最大气体压力p：

根据公式(1)确定管材胀形中通入气体的压力，根据材料的高温力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定充气胀形中的成形压力：

其中，t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料在成形温度下的屈服强度。

确定上半模与下半模之间的合模力F：

根据公式(2)确定两个模具之间的合模力：

F＝p·s (2)

其中，p是管材胀形时的最大气体压力，s是模具型腔的投影面积。

确定线圈每次的移动量a：

根据管材零件的具体结构特征，将胀形模具的过渡段和胀形段沿着轴向方向分解成为n段长度相等的加热段，每段的长度均为a，通过式(3)确定将胀形模具加热段的数量n，每个加热段的长度为线圈每次的移动量。

其中，h₁是要成形零件过渡区域最大的轴向长度，h₂是要成形零件胀形区域最大的轴向长度，l为电磁感应线圈的长度。i为将大段分成的小段的数量，其中i≥2。

确定每个冲头第i次的轴向进给量△h_i：

要保持管坯的厚度不变，根据平面应变准则，则冲头的轴向进给量由式(4)确定。在管材的胀形过程中，带孔冲头和无孔冲头以间歇式的移动方式同时从管坯的两端向所述管坯长度方向的中心移动，并且该带孔冲头和无孔冲头移动的次数与分段胀形时的分段数量相同。所述带孔冲头和无孔冲头的移动距离相同，各冲头的单次进给位移量依次通过公式(4)确定：

其中，ε_t代表管坯厚度方向的应变，为径向应变；ε_θ表示管坯的周向应变；ε_z表示管坯的轴向应变；D是模具胀形段的直径；d是管坯的初始外径；△h表示两边冲头在胀形完毕时总共的进给位移；△h_i表示单个冲头在胀形第i段的进给位移。各冲头的总移动量小于胀形模具定位段的轴向长度。

第三步，增量式温差胀形：所述的增量式温差胀形为根据确定的加热段数量对管坯分段胀形；胀形中，使电磁感应线圈位于模具过渡段的起始位置，并给该电磁感应线圈通电开始胀形；所述电源的功率为5KW～20KW，电源频率为80KHZ～200KHZ；胀形过程中，需保持充入管坯中氩气的压力。

采用增量式温差胀形时，首先使所述电磁感应线圈位于胀形模具一端过渡段的第一个加热段上，对电磁感应线圈通电，该电磁感应线圈在所述第一个加热段上停留并向密封的管坯内充入氩气并保压，停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第一次的进给量；至此完成对管坯第一个加热段的胀形过程。移动所述电磁感应线圈至相邻的第二个加热段上停留并继续向密封的管坯内充入氩气并保压，该电磁感应线圈的移动量为a；停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第二次的进给量；至此完成对管坯第二个加热段的胀形过程。重复所述加热胀形过程，直至依次完成各加热段的各胀形过程。

第四步，取出零件：管材胀形完成后，待零件冷却后打开模具，取出成形后的管材零件。

本发明中的胀形模具安装在液压机的工作台上，电磁感应加热机构位于整个模具的外侧，电磁感应线圈套在模具的外侧，通电后电磁感应线圈周围产生磁场，管坯位于磁场中，因表面产生涡流而温度升高。线圈进给机构安装在胀形模具的一侧，用于 完成电磁感应线圈的进给运动。充气加压单元与胀形模具的带孔冲头连接，用于提供管坯胀形中的气体压力。液压机的主液压缸用于提供胀形模具的合模力，侧向液压缸用于完成轴向冲头的进给运动。

所述胀形模具中的带孔冲头与无孔冲头一方面用于管坯两端的密封，另一方面，带孔冲头与无孔冲头分别由液压机的两个侧向液压缸提供动力，在侧向液压缸的作用下，冲头在管材胀形的过程中推动管坯移动，对胀形区域进行填充补料，保持胀形后管材厚度分布的均匀性。将上半模和下半模的平面贴合后采用液压机的主液压缸将模具压紧并固定，模具采用陶瓷材料。具体模具结构形式根据所需要成形的管材形状确定。

所述电磁感应加热机构主要由电源、电磁感应线圈以及连接导线组成。电源采用变频交流电源，电磁感应线圈位于与胀形模具同心的外侧，线圈的材料为空心铜管，当对线圈通电的同时，铜管管芯内也开始通入冷却水。电磁感应线圈选为单圈螺线型柱状结构线圈，采用空心铜管绕制。移动电磁感应线圈，使电磁感应线圈只在管坯的某一段表面产生温升，而其他小段管坯的温度基本保持不变。在线圈进给机构的作用下，电磁感应线圈沿着成形控制线进行间歇式的移动，加热一段，胀形一段，对管坯进行增量式的温差胀形。

本发明工作时：首先将下半模安装在液压机的工作台上，并将管坯放置在下半模的型槽中，管坯的两端采用冲头密封，上半模下行，将两个模具的平面贴合，所述上半模、下半模之间形成本发明中管材的成形型腔。管坯一端密封的带孔冲头的中心孔通过加压管与充气压力机密封连接，同时，液压机的两个侧向液压缸分别为两个冲头提供轴向进给，主液压缸用于提供上半模与下半模之间的合模力。将电磁感应线圈套装在上述安装好的模具上，使线圈覆盖在成形控制线的起始段，并且线圈与管坯同轴。线圈的两端通过导线与电源连通，对管坯胀形的起始段进行加热，然后向管坯内通入气体，控制管坯两侧冲头的轴向进给量，待此段的管坯胀形完成后，线圈进给机构带动线圈按照成形控制线的直线继续移动，直到线圈的中心线与模具相邻的中心圆环线对齐时停止移动，对这段管坯进行加热、胀形，按照这种增量式温差胀形的方式，逐渐完成管材的胀形，直到整个管材都贴靠模具，最终获得符合精度要求的管材零件。

本发明在加热的过程中，只加热部分管坯而不加热模具，对加热部分的管材进行胀形，实现管材零件的增量式温差胀形，改善材料的成形性能，减小管材的回弹，解 决管材的失稳和起皱现象，得到壁厚分布均匀的管材零件。采用本发明能够实现只加热管坯而不加热模具，解决在轴向进给与气体压力相结合胀形时管材可能出现的失稳和起皱问题，保证成形后管材壁厚分布的均匀性。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

采用陶瓷模具和电磁感应加热方式，在加热时，只加热管坯而不加热模具，可以使热量集中在管坯局部并获得较大的热流密度，能够改善材料的成形性能，减小管材的回弹，这种方式的加热区域易控制，同时加热效率高、加热速度快，并具有方便实用、结构简单、易于加工制造的特点。

采用气体压力与轴向进给位移相适应的方式，根据计算得到轴向进给量与气体压力的关系，待管坯加热后，一边向管坯内通入气体进行气压胀形，一边推动管坯向胀形区域填充补料，这样能够使胀形后管材的厚度分布均匀。

采用的增量式胀形方法，是先对管坯的一部分进行加热、胀形，然后移动电磁感应线圈，对下一加热段的管坯进行加热、胀形，如此逐渐完成整段管坯的胀形，采用这种增量式的胀形方法能够有效避免对整段管坯进行加热胀形时，轴向进给量过大造成管材的失稳和起皱问题。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是本发明中电磁感应加热增量式温差胀形装置的结构示意图。

图2是本发明中管材增量式温差胀形的过程示意图。

图3是本发明中上半模的结构示意图。

图4是本发明中带孔冲头的结构示意图。

图5是本发明中无孔冲头的结构示意图。

图6是本发明中线圈进给机构的结构示意图。

图7是本发明中连接杆的结构示意图。

图8是本发明中滑块的结构示意图。

图9是本发明中滑块与连接杆的配合示意图。

图10是本发明中滑动支架的结构示意图。

图11是本发明中丝杠的结构示意图。其中：

1氩气瓶，2加压管，3带孔冲头，4上半模，5电磁感应线圈，6管坯，7无孔冲 头，8下半模，9电源，10导线，11支撑块，12连接杆，13滑动支架，14丝杠，15滑块。

具体实施方式

本实施例是一种金属管材电磁感应加热增量式温差胀形装置，所成形管材的管坯外径为Φ20mm，厚度1mm，长度为100mm，成形后的管材零件两端直径小、中部直径大，材料为铝合金6061。

本实施例是一种铝合金管材电磁感应加热增量式温差胀形装置，主要包括胀形模具、充气加压单元、电磁感应加热机构以及线圈进给机构。所述胀形模具包括上半模4、下半模8、带孔冲头3和无孔冲头7；所述充气加压单元包括氩气瓶1以及加压管2；所述电磁感应加热机构包括电源9、电磁感应线圈5和连接导线10；所述线圈进给机构包括支撑块11、连接杆12、滑块15、滑动支架13以及丝杠14。

在本实施例的执行过程中，需要借助与液压机以及电动机来完成管材的增量式温差胀形。所述液压机为三相四柱液压机，为现有技术。所述液压机的主液压缸用于提供上半模和下半模之间的合模力，两个侧向液压缸分别为密封管坯两端的两个冲头提供轴向进给。

本实施例中，由所述上半模4和下半模8对合形成了胀形模具。所述带孔冲头3和无孔冲头7分别位于所述胀形模具的两端，并使带孔冲头3、无孔冲头7和胀形模具三者的中心线重合。线圈进给机构位于所述胀形模具外一侧。电磁感应加热机构中的电磁感应线圈5套装在所述胀形模具的外圆周上，并使该电磁感应线圈与所述胀形模具同轴；电磁感应线圈5与胀形模具之间有一定间隙，不发生接触。所述氩气瓶1通过加压管2与带孔冲头3的中心孔连通，为管坯的胀形提供气体压力。

所述上半模4与下半模8的结构相同，本实施例中仅以上半模4为例加以描述。

所述上半模4为用陶瓷制成的半圆环形柱，该上半模长度方向的中部的内腔形成了模具的型槽，该型槽的两端为管坯的定位段，该定位段的直径与管坯的外径相同。在该型槽的中部为胀形段，胀形段的两端通过过渡段分别与两侧的定位段连接。本实施例中，管坯的外径为Φ20mm，厚度为1mm，所述胀形段的直径为Φ30mm，轴向长度为40mm，所述定位段的直径与管坯的外径相同，均为Φ20mm，定位段的轴向长度为35mm。所述胀形段与过渡段的角度为45°，轴向长度为5mm，并在两段之间的连接处做导圆角处理。

所述无孔冲头7为用Q235钢制成的回转体，该无孔冲头的外圆周表面为三级阶梯状，其中一端的第一级阶梯段的直径与管坯的内径相同，另一端的第三级阶梯段的直径大于胀形模具两端定位段的直径；无孔冲头的中部为第二级阶梯段，该第二级阶梯段的直径与胀形模具两端定位段的直径相同。所述第一级阶梯段与第二级阶梯段之间的阶梯差端面为待成形管件的定位面。本实施例中，无孔冲头第一级阶梯段的直径与管坯的内径相同，为18mm，轴向长度为10mm；第二级阶梯段的直径与管坯的外径相同，直径均为Φ20mm，轴向长度为30mm；第三级阶梯段的直径为Φ28mm，轴向长度为10mm。

所述带孔冲头3亦为用Q235钢制成的回转体，其外形以及尺寸与无孔冲头7的外形以及尺寸相同。在所述带孔冲头的中心有用于与加压管2连接的气体通孔。所述加压管2的一端与胀形模具的型腔连通，另一端与氩气瓶连接，用于将氩气瓶提供的气体传输给管坯，使管坯在气体压力的作用下发生胀形。所述带孔冲头3中圆柱孔的直径为Φ8mm。

所述充气加压单元包括氩气瓶1和加压管2。所述氩气瓶1位于所述管坯的左侧，能提供的最大压力为15MPa；加压管2的一端与所述氩气瓶1的出气端连通，另一端与带孔冲头3的圆柱孔密封连接，氩气瓶1通过所述加压管2将气体充入管坯6内，促使管坯胀形。

所述电源9采用超音频感应加热设备CGP-20A，输入电压为380V，输出功率20KW，震荡频率为100-300KHZ连续可调，为电磁感应线圈5提供交流电流。

所述电磁感应线圈5为单圈螺线型柱状结构线圈，由空心铜管绕制，线圈的直径为55mm，轴向长度为10mm，铜管的直径为8mm，螺距为2mm，在所述线圈的外侧包裹着一层绝热绝缘的石棉层。在对感应线圈5通电的同时，对铜管管芯内开始通入冷却水，降低线圈因自身电阻产生的热量。所述电磁感应线圈5位于与胀形模具同轴的外侧，单圈的线圈只覆盖管坯6的一段，在线圈进给机构的作用下，沿着各等高线层面上的成形控制线进行间断式的移动，加热一段，胀形一段，对管坯6进行增量式的温差胀形。电源9的正负极通过导线10分别与电磁感应线圈5的两端连接，为电磁感应线圈5提供电流。同时，所述电磁感应线圈5被固定在支撑块11上，通过所述支撑块11带动电磁感应线圈5沿着管坯6的轴向方向移动。

所述线圈进给机构包括支撑块11、连接杆12、滑块15、滑动支架13以及丝杠14。所述丝杠14安装在滑动支架13的上表面，滑块15套装在该丝杠14上，电动机安装 在该丝杠的一端。连接杆12的一端与支撑块11通过螺纹固连在一起，另一端通过螺栓与滑块15连接。滑块15与连接杆12固连的一端位于滑动支架13的凹槽内，位于凹槽外侧的滑块15与丝杠14通过螺纹连接，将丝杠14的旋转运动转化为滑块15的直线运动。电动机与丝杠14之间通过皮带连接，电动机的旋转带动丝杠14旋转，滑块15将丝杠14的旋转运动转化为自身的直线运动，进而带动连接杆12、支撑块11以及电磁感应线圈5进行平行移动。所述连接杆12、滑动支架13以及丝杠14均与管坯6的轴向方向平行，以保证电磁感应线圈5始终沿着管坯6的轴向方向移动。

在对管坯6进行增量式胀形时，将下半模8安装在液压机的工作台上，并将管坯6放置在下半模8的型槽中，管坯6的两端分别通过带孔冲头3和无孔冲头7密封，闭合上半模4，使上半模4的平面和下半模8的平面贴合，然后由液压机的主液压缸将模具压紧并固定，提供上半模4与下半模8之间的合模力。所述上半模4、下半模8之间形成本发明中管材的成形型腔。用于管坯6一端密封的带孔冲头3通过加压管2与氩气瓶1密封连接，为管坯6的胀形过程提供气体压力。同时，液压机的两个侧向液压缸分别为两个冲头提供轴向进给，带孔冲头3与无孔冲头7分别在液压机的两个侧向液压缸的作用下，推动管坯6移动向胀形段移动填充补料，保持胀形后管材厚度分布的均匀性。所述电磁感应线圈5套装在上述胀形模具外侧，且与管坯6同轴，同时电磁感应线圈5的两端通过导线10与电源9连通。线圈进给机构通过支撑块11与电磁感应线圈5的两端连接，用于控制电磁感应线圈5沿着管坯轴向方向的移动。

在使用所述电磁感应加热增量式温差胀形装置进行金属管材的胀形时，具体的工作步骤如下：

第一步，工装准备：将下半模安装在液压机的工作台上，并将管坯放置在下半模的型槽中，管坯的两端分别通过带孔冲头和无孔冲头密封；闭合上半模，使上半模的平面和下半模的平面贴合，通过液压机的主液压缸提供上半模与下半模之间的合模力。密封管坯的带孔冲头通过加压管与氩气瓶密封连接。将液压机的两个侧向液压缸分别与位于胀形模具两端的带孔冲头和无孔冲头连接。所述线圈进给机构置于所述胀形模具外一侧，并将电磁感应线圈套装在该胀形模具上，同时电磁感应线圈的两端通过导线与电源连通。将电磁感应线圈的两端固定在线圈进给机构的支撑块上，该线圈进给机构可控制电磁感应线圈5沿着管坯的轴向方向移动。所述管坯、胀形模具和电磁感应线圈三者同轴。

第二步，胀形参数的确定：所述的胀形参数包括气体压力p、上半模与下半模之间的合模力F、线圈每次的移动量a和每个冲头第i次的轴向进给量△h_i。

确定气体压力p：

根据公式(1)确定管材胀形中通入气体的压力，根据材料的高温力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定充气胀形中的成形压力，得到管坯在胀形过程中的气体压力为5.8MPa。

其中，t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料在成形温度下的屈服强度。

确定上半模与下半模之间的合模力F：

根据公式(2)计算两个模具之间的合模力，得到上半模与下半模之间的合模力为1.682KN。

F＝p·s (2)

其中，p是管材胀形时的最大气体压力，s是模具型腔的投影面积。

确定线圈每次的移动量a：

根据管材零件的具体结构特征，将胀形模具的过渡段和胀形段沿着轴向方向分解成为一系列长度相等的加热段，共n段，每段的长度为a，a即为线圈在增量式温差胀形中每次的移动量，在本实施例中，通过式(3)确定将胀形模具分为20个加热段，每个加热段的长度为2.5mm，即线圈每次的移动量为2.5mm。

其中，h₁是要成形零件过渡区域最大的轴向长度，h₂是要成形零件胀形区域最大的轴向长度，l为电磁感应线圈的长度。i为将大段分成的小段的数量，其中i≥2。

确定每个冲头第i次的轴向进给量△h_i：

要保持管坯的厚度不变，根据平面应变准则，则冲头的轴向进给量由式(4)确定。在管材的胀形过程中，带孔冲头和无孔冲头以间歇式的移动方式同时从管坯的两端向所述管坯长度方向的中心移动，并且该带孔冲头和无孔冲头移动的次数与分段胀形时 的分段数量相同。所述带孔冲头和无孔冲头的移动距离相同，各冲头的单次进给位移量依次为0.16mm，0.32mm，0.64mm，……，0.64mm，0.32mm，0.16mm，其中省略号代表剩余16个未表示出来的0.64mm。各冲头的总移动量小于胀形模具定位段的轴向长度。

其中，ε_t代表管坯厚度方向的应变，为径向应变；ε_θ表示管坯的周向应变；ε_z表示管坯的轴向应变；D是模具胀形段的直径；d是管坯的初始外径；△h表示两边冲头在胀形完毕时总共的进给位移；△h_i表示单个冲头在胀形第i段的进给位移。

第三步，增量式温差胀形：所述的增量式胀形为根据确定的加热段数量对管坯分段胀形；胀形中，确定电磁感应线圈的移动方向，使该电磁感应线圈从管材胀形区域的一端向另一端间歇式移动。在线圈进给机构的作用下，调整电磁感应线圈的位置，使其位于模具过渡段的起始位置。开通电源，给电磁感应线圈通电，所述电源的功率为5KW～20KW，电源频率为80KHZ～200KHZ，本实施例中，电源的功率为12.4KW，交流电的频率为136KHZ。

采用增量式温差胀形时，首先使所述电磁感应线圈位于胀形模具一端过渡段的第一个加热段上，对电磁感应线圈通电，该电磁感应线圈在所述第一个加热段上停留并向密封的管坯内充入氩气，停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第一次的进给量0.16mm；所述充入氩气的压力为5.8MPa；至此完成对管坯第一个加热段的胀形过程。移动所述电磁感应线圈至相邻的第二个加热段上停留并继续向密封的管坯内充入氩气，使所述氩气的压力保持5.8MPa；停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第二次的进给量0.32mm；至此完成对管坯第二个加热段的胀形过程。继续移动所述电磁感应线圈至相邻的第三个加热段上停留并继续向密封的管坯内充入氩气，使所述氩气的 压力保持5.8MPa；停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第三次的进给量0.64mm；至此完成对管坯第三个加热段的胀形过程。重复所述对第三个加热段的胀形过程，直至完成所有冲头进给量为0.64mm的各胀形过程。当完成第十八个加热段的胀形后，移动所述电磁感应线圈至相邻的第十九个加热段上停留并继续向密封的管坯内充入氩气；停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头第十九次的进给量0.32mm；当完成第十九个加热段的胀形后，该电磁感应线圈移动至第二十个加热段上停留并向密封的管坯内充入氩气，停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第二十次的进给量0.16mm。至此完成对管坯的胀形。

胀形过程中，需使充入管坯中氩气的压力保持在5.8MPa。所述电磁感应线圈每次移动的距离为0.25mm。

通入交变电流的电磁感应线圈周围产生磁场，管坯位于磁场中，磁场内的磁力线通过铝合金管坯并在其表面产生涡流，从而使铝合金管坯本身发热，进而温度升高。采用电磁感应线圈加热时铝合金管坯时，管坯表面的温升只产生在电磁感应线圈覆盖的部位，而其他部位管坯的温度基本保持不变。由于高温下材料的塑性较常温下的塑性好，同时材料的变形抗力低，因此此时向管坯中充入一定压力的气体，管坯的加热部位由于变形抗力较低，在气体压力的作用下发生塑性变形，并逐渐贴靠模具，由于管坯温差的原因，未加热区域的管坯因变形抗力较大而不发生胀形。在加热部位管坯胀形的同时，其两端密封的带孔冲头和无孔冲头匀速的沿轴向推送管坯向胀形区域移动一段距离，用于填充补料，能够使发生胀形后的这部分管坯的厚度保持基本不变。在完成这一部分管坯的加热以及胀形后，移动电磁感应线圈到下一加热部位，重复上述工作。在本实施例中，铝合金管坯的每个加热段在加热胀形的过程中，仅其带孔冲头和无孔冲头的轴向进给量不同，胀形压力以及电源的加热参数均相同。

按照这种增量式温差胀形的方式，逐渐完成管材的胀形，直到整个管材都贴靠模具，最终获得符合精度要求的管材零件。

第四步，取出零件：管材胀形完成后，关闭电源，停止对电磁感应线圈通电，排出管材中的高压气体，移除电磁感应线圈，待零件冷却后打开模具，取出成形后的管材零件。

Claims (2)

1.一种金属管材的增量式温差胀形方法，其特征在于，采用增量式温差胀形装置进行温差胀形，所述的增量式温差胀形装置包括胀形模具、电磁感应加热机构以及线圈进给机构；所述胀形模具中的上半模和下半模对合形成了胀形模具；带孔冲头和无孔冲头分别位于所述胀形模具的两端，并使带孔冲头、无孔冲头和胀形模具三者的中心线重合；线圈进给机构位于所述胀形模具外一侧；电磁感应加热机构中的电磁感应线圈套装在所述胀形模具的外圆周上，并与所述胀形模具同轴；电磁感应线圈与胀形模具之间有一定间隙，不发生接触；

所述上半模长度方向的中部的内腔形成了模具的型槽，该型槽的两端为管坯的定位段，该定位段的直径与管坯的外径相同；在该型槽的中部为胀形段，胀形段的两端通过过渡段分别与两侧的定位段连接；所述下半模的结构与所述上半模相同；所述带孔冲头的中心有气体通孔；

具体的工作步骤如下：

第一步，工装准备；

第二步，胀形参数的确定：所述的胀形参数包括气体压力p、上半模与下半模之间的合模力F、线圈每次的移动量a和每个冲头第i次的轴向进给量Δh_i；

确定管材胀形时的最大气体压力p：

根据公式(1)确定管材胀形中通入气体的压力，根据材料的高温力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定充气胀形中的成形压力：

$p=\frac{t}{r}\·{\mathrm{\σ}}_s---\left(1\right)$

其中，t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料在成形温度下的屈服强度；

确定上半模与下半模之间的合模力F：

根据公式(2)确定两个模具之间的合模力：

F＝p·s (2)

其中，p是管材胀形时的最大气体压力，s是模具型腔的投影面积；

确定线圈每次的移动量a：

根据管材零件的具体结构特征，将胀形模具的过渡段和胀形段沿着轴向方向分解成为n段长度相等的加热段，每段的长度均为a，通过公式(3)确定胀形模具加热段的数量n，每个加热段的长度为线圈每次的移动量；

其中，h₁是要成形零件过渡区域最大的轴向长度，h₂是要成形零件胀形区域最大的轴向长度，l为电磁感应线圈的长度；i为将大段分成的小段的数量，其中i≥2；确定每个冲头第i次的轴向进给量Δh_i：

要保持管坯的厚度不变，根据平面应变准则，则冲头的轴向进给量由公式(4)确定；在管材的胀形过程中，带孔冲头和无孔冲头以间歇式的移动方式同时从管坯的两端向所述管坯长度方向的中心移动，并且该带孔冲头和无孔冲头移动的次数与分段胀形时的分段数量相同；所述带孔冲头和无孔冲头的移动距离相同，各冲头的单次进给位移量依次通过公式(4)确定：

$\begin{array}{c}\underset{\·}{\·\·}{\mathrm{\ϵ}}_t=0\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=-{\mathrm{\ϵ}}_z\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{\left(D-d\right)\·2\mathrm{\π}}{2\mathrm{\π}\·d}=\frac{D-d}{d}\\ \stackrel{\·}{\·\·}{\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h}=\frac{D-d}{d}\\ \underset{\·}{\·\·}\mathrm{\Δ}h=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δh}}_i\\ \stackrel{\·}{\·\·}{\mathrm{\Δh}}_i=\frac{1}{2}\·\frac{D_i-d}{d}\·h_i\end{array}---\left(4\right)$

其中，ε_t代表管坯厚度方向的应变，为径向应变；ε_θ表示管坯的周向应变；ε_z表示管坯的轴向应变；D是模具胀形段的直径；d是管坯的初始外径；Δh表示两边冲头在胀形完毕时总共的进给位移；Δh_i表示单个冲头在胀形第i段的进给位移；各冲头的总移动量小于胀形模具定位段的轴向长度；h表示管坯变形区的总长度；ε_i表示第i段管坯的周向应变；D_i表示第i段的模具直径；h_i表示第i段的长度；

第三步，增量式温差胀形：增量式温差胀形为根据确定的加热段数量对管坯分段胀形；胀形中，使电磁感应线圈位于模具过渡段的起始位置，并给该电磁感应线圈通电开始胀形；电源的功率为5KW～20KW，电源频率为80KHZ～200KHZ；胀形过程中，需保持充入管坯中氩气的压力；

第四步，取出零件：管材胀形完成后，待零件冷却后打开模具，取出成形后的管材零件。

2.一种如权利要求1所述金属管材的增量式温差胀形方法，其特征在于，采用增量式温差胀形时，首先使所述电磁感应线圈位于胀形模具一端过渡段的第一个加热段上，对电磁感应线圈通电，该电磁感应线圈在所述第一个加热段上停留并向密封的管坯内充入氩气并保压，停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第一次的进给量；至此完成对管坯第一个加热段的胀形过程；移动所述电磁感应线圈至相邻的第二个加热段上停留并继续向密封的管坯内充入氩气并保压，该电磁感应线圈的移动量为a；停留的时间为所述带孔冲头和无孔冲头完成第二次的进给量；至此完成对管坯第二个加热段的胀形过程；重复所述加热胀形过程，直至依次完成各加热段的各胀形过程。