CN105081020A - 一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法，属于金属加工成形技术领域。本发明所提供的方法是通过模具密封管材的端部，通过模具上的气孔排空管材内的空气，并充入惰性气体，将管材置于凹模上，加热至工作温度后利用凸模对管材施加弯折力，同时管材的一端或两端进给补料并控制内部惰性气体的压力，合模完成后保压一段时间后降低气体压力，按退火曲线降温，当温度低于100℃时，卸载气压，开模取件。本发明所提供的方法具有加工效率高、加工精度高、成品率高但成本低的特点，利用本发明的方法可以有效避免弯折过程中弯角处减薄过度，内角起皱等问题。

Description

一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法，属于金属加工成形技术领域。

背景技术

在航空航天领域，高速飞行器飞行时与空气摩擦产生大量热量，易导致产品机械性能下降，为保证产品在服役周期中具有较高的强度、刚度和较轻的重量，通常采用钛合金作为关键部位的零部件材料。考虑到飞行器装配需要，通常将连接管材设计成等截面异形管，以规避相干涉部件。这类钛合金等截面异形管材成形时，通常采用冷折弯配合热校形工艺。冷折弯工艺是通过在管材内部放置万向轴，利用弯管机折弯滑块运动来带动管材成形；热校形工艺是将管坯与模具加热至工艺温度，通过机械压力使管材发生变形，依靠热校形模具内型腔保证管材成形精度。但由于钛合金室温塑性差、强度高、弹性模量低等特点，导致该方法存在以下技术难点：(1)冷折弯成形力较大，小吨位设备难以满足需求；(2)弯角外侧易出现过度减薄甚至破裂缺陷，而弯角内侧易起皱；(3)冷折弯过程中，管材圆截面圆整精度难以保证，向垂直于折弯平面方向延展，需设计较大回弹余量，折弯角精度控制困难；(4)热校形时，热成形模具合模时易出现“咬边”缺陷，且长时加热易产生高温蠕变，导致产品圆截面的圆整度难以控制；(5)两步成形周期较长，成本较高。因此，亟待提出一种适用于薄壁钛合金异形管材的高效率、高精度、高成品率、低成本成形方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法，所采取的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法。该方法是通过模具密封管材的端部，通过模具上的气孔排空管材内的空气，并充入惰性气体，将管材置于凹模上，加热至工作温度后利用凸模对管材施加弯折力，同时管材的一端或两端进给补料并控制内部惰性气体的压力，合模完成后保压一段时间后，降低气压并按照退火曲线降温。

进一步，所述方法是通过模具镶块压实管材端部的方式对管材两端进行硬密封，再通过模具上的气孔排空管材内的空气，并充入惰性气体，将管材置于成型机的凹模上，将管材加热至工作温度后，利用凸模对向管材侧壁施加折弯力使管材向凹模内折弯，同时，调节管材内部气体压力并控制一端或两端的模具向管材弯曲部位进给补料，合模成型后保压一段时间后，降低气压并按照退火曲线降温。

所述方法的步骤如下：

1)将管材的两端放置在紧固模具中，通过螺栓连接产生的压力对管材进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度惰性气体，排出空气；

3)加热管材至工作温度，同时通过气路控制系统调节管材内气体的压力；

4)下压凸模促使管材折弯，同时进给一端或两端的紧固模具，并控制管材内部气体压力；

5)合模完成后保压一段时间，降低气体压力，并按照退火曲线降温。

优选地，步骤1)所述管材，厚度为0.1mm-0.6mm，内壁直径为10mm-50mm，长度为50mm-200mm。

优选地，步骤2)所述惰性气体，为氩气。

更优选地，在管材加热过程中，气体压力0.1MPa-0.3MPa；弯折成型过程中，气体压力，1MPa-5MPa。

优选地，步骤3)所述工作温度为400℃-800℃。

优选地，步骤4)所述下压凸模，可采用冲压或挤压的方式，下压速度为0.01mm/s-0.5mm/s；所述进给，进给的速度为0.01mm/s-0.5mm/s。

优选地，步骤5)所述保压一段时间，为5min-15min；所述再按照退火曲线降温并降低气体压力，降温减压的过程中，保持管材内外压差在0.1MPa-0.3MPa，待管材冷却至100℃以下时，卸载压力并取出零件。

所述方法的具体步骤如下：

1)将厚度为0.1mm-0.6mm，内壁直径为10mm-50mm，长度为50mm-200mm的薄壁钛合金管材放置在紧固模具中，通过螺栓连接后进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度氩气，排出管材和炉腔内的空气；

3)将管材加热至400℃-800℃，同时通过管材两端紧固模具上的气孔所连接的气路控制系统保持压力至0.1MPa-0.3MPa；

4)通过冲压的方式，以0.01mm/s-0.5mm/s的速度下压凸模，下压凸模过程中，同时保证管材内气体压力为1MPa-5MPa，并同时控制两端紧固模具按照0.01mm/s-0.5mm/s的速度进给补料；

5)合模完成后保压5min-15min，再按照退火曲线降温并降低气压，降温减压过程中保持管材内外压差在0.1MPa-0.3MPa，待管材冷却至100℃以下时，卸载压力并取出零件。

本发明所成的既定降温曲线，本领域技术人员可以根据公知常识或少量的实验经验获得。

本发明获得有益效果如下：

1.相对于现有技术中最常用的冷折弯+热矫形的两步成型工艺，本发明采用了内压支撑结合外部热折弯的制备工艺，具有加工效率高、加工精度高、成品率高且成本低的特点。

2.本发明采用惰性气体作为管材折弯过程中的内部支撑介质，一方面省去了万向轴或芯模等刚性工装；另一方面，通过向管材内部通入惰性气体可以给管材内部施加适量的背压，以避免管材内弯角起皱、截面畸变的发生。同时，在加热、成型和降温过程严格控制管材内外的压力，提高了成品率，降低了生产成本。

3.本发明在折弯过程中，管材两端或一端进行进给补料，并严格控制凸模下压量、管材两端补料量与管材内部气压的数值关系，从而避免管材在折弯过程中外弯角处的减薄，保证管材折弯后仍然具有较高强度，提高了弯折管材的质量与成品率。

4.同时，本发明仅仅通过一次热交换即实现了管材的高效高精度折弯成型，简化了加工工艺，降低了加工的时间成本。

附图说明

图1为本发明方法所用的模具及工作的原理图。

图中：1，凸模；2，连接螺栓；3和4为紧固模具；5，管材；6，凹模；7，气孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

以下实施例所用材料，方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料，方法和仪器，本领域普通技术人员均可通过商业渠道获得。

图1为本发明方法所用的模具及工作的原理图，其中，1为凸模，2为连接螺栓，3和4为紧固模具，5为管材，6为凹模，7为气孔。图1中左半部分为已经进行了扩口，但凸模1还没有下压时的状态，右半部分为凸模1下压到最底部时的状态。

实施例1

本实施例提供了一种现有常用的冷折弯+热矫形工艺弯折薄壁钛合金薄壁管材的方法，具体步骤如下：

1)选取厚度为0.1mm的Ti-6Al-4V钛合金管材，管材外径为10mm，长度为50mm。

2)冷折弯过程中，将外径为9.6mm的万向轴放置在管材内部待折弯区域。将管材放置在弯管机工作台面上，通过弯管机滑块机构运动，带动待折弯区域变形，根据钛合金回弹量经验参数，设定一定过盈量以控制折弯管材弯角精度。

3)取出万向轴，将冷折弯后的管材放置在热成型模具中，在热矫形过程中，加热管材与模具至工作温度500℃，下压凸模，利用凸模与凹模形成的型腔为管材矫形。

4)保证合模力不变，降低温度至100℃，开模，取件。

实施例2

本实施例提供了一种本发明所提供的方法，具体步骤如下：

1)将厚度为0.1mm，内壁直径为10mm，长度为50mm的薄壁Ti-6Al-4V钛合金管材放置在紧固模具中，通过螺栓连接后进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度氩气，排出管材和炉腔内的空气；

3)将管材加热至550℃，同时通过管材两端紧固模具上的气孔所连接的气路控制系统保持压力至0.1MPa；

4)通过冲压的方式，以0.02mm/s的速度下压凸模，下压凸模过程中，同时保证管材内气体压力为1MPa，并同时控制两端紧固模具按照0.01mm/s的速度进给补料；

5)合模完成后保压10min，在将气压降低至0.1MPa，并按照退火曲线降温，当温度低于100℃时，卸载气压，开模取件。

实施例3

本实施例提供了一种本发明所提供的方法，具体步骤如下：

1)将厚度为0.6mm，内壁直径为50mm，长度为200mm的薄壁TA15钛合金管材放置在紧固模具中，通过螺栓连接后进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度氩气，排出管材和炉腔内的空气；

3)将管材加热至400℃，同时通过管材两端紧固模具上的气孔保持压力至0.3MPa；

4)通过冲压的方式，以0.01mm/s的速度下压凸模，下压凸模过程中，同时保证管材内气体压力为5MPa，并同时控制两端紧固模具按照0.1mm/s的速度进给补料；

5)合模完成后保压15min，在将气压降低至0.3MPa，并按照退火曲线降温，当温度低于100℃时，卸载气压，开模取件。

实施例4

本实施例提供了一种本发明所提供的方法，具体步骤如下：

1)将厚度为0.3mm，内壁直径为20mm，长度为100mm的薄壁Ti-23Al-25Nb管材放置在紧固模具中，通过螺栓连接后进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度氩气，排出管材和炉腔内的空气；

3)将管材加热至800℃，同时通过管材两端紧固模具上的气孔保持压力至0.2MPa；

4)通过冲压的方式，以0.5mm/s的速度下压凸模，下压凸模过程中，同时保证管材内气体压力为3MPa，并同时控制两端紧固模具按照0.5mm/s的速度进给补料；

5)合模完成后保压15min，在将气压降低至0.2MPa，并按照退火曲线降温，当温度低于100℃时，卸载气压，开模取件。

实施例5

本实施例对实施例1-4所制备的管材的成品率、弯角减薄率、弯角精度、圆整度等质量指标进行了测定，测定结果如表1所示。

表1实施例1-4所制备折弯管材的质量

从表1可知，与实施例1相比，利用实施例2-4方法制备的零件，在各项指标上均有明显提高。对于相同规格的原料，实施例2的成品率可达到93.7％，而实施例1的成品率最高只有80％，成品率明显提高了。类似地，在折弯处截面圆整度上也得到了明显提高，而在减薄率和弯角褶皱出现的频率则明显降低，这说本发明方法可以明显提高产品的质量。对于其他规格的零件，成品率甚至可高达97.8％，折弯处截面圆整度可保持在96％。同时，值得注意的是，本发明的方法简化了工艺，减少了1个工序，降低了生产成本，相对于现有技术具有显著的技术进步。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法，其特征在于，通过模具密封管材的端部，通过模具上的气孔排空管材内的空气，并充入惰性气体，将管材置于凹模上，加热至工作温度后利用凸模对管材施加弯折力，同时管材的一端或两端进给补料并控制内部惰性气体的压力，合模完成后保压一段时间后，降低气压并按照退火曲线降温。

2.权利要求1所述一种薄壁钛合金管材高精度折弯的成型方法，其特征在于，通过模具镶块压实管材端部的方式对管材两端进行硬密封，再通过模具上的气孔排空管材内的空气，并充入惰性气体，将管材置于成型机的凹模上，将管材加热至工作温度后，利用凸模对向管材侧壁施加折弯力使管材向凹模内折弯，同时，调节管材内部气体压力并控制一端或两端的模具向管材弯曲部位进给补料，合模成型后保压一段时间后，降低气压并按照退火曲线降温。

3.权利要求2所述方法，其特征在于，步骤如下：

1)将管材的两端放置在紧固模具中，通过螺栓连接产生的压力对管材进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度惰性气体，排出空气；

3)加热管材至工作温度，同时通过气路控制系统调节管材内气体的压力；

4)下压凸模促使管材折弯，同时进给一端或两端的紧固模具，并控制管材内部气体压力；

5)合模完成后保压一段时间，降低气体压力，并按照退火曲线降温。

4.权利要求3所述方法，其特征在于，步骤1)所述管材，厚度为0.1mm-0.6mm，内壁直径为10mm-50mm，长度为50mm-200mm。

5.权利要求3所述方法，其特征在于，步骤2)所述惰性气体，为氩气。

6.权利要求3所述方法，其特征在于，管材加热过程中，气体压力0.1MPa-0.3MPa；弯折成型过程中，气体压力为1MPa-5MPa。

7.权利要求3所述方法，其特征在于，步骤3)所述工作温度为400℃-800℃。

8.权利要求3所述方法，其特征在于，步骤4)所述下压凸模，可采用冲压或挤压的方式，下压速度为0.01mm/s-0.5mm/s；所述进给，进给的速度为0.01mm/s-0.5mm/s。

9.权利要求3所述方法，其特征在于，步骤5)所述保压一段时间，为5min-15min；所述再按照退火曲线降温并降低气体压力，降温减压的过程中，保持管材内外压差在0.1MPa-0.3MPa，待管材冷却至100℃以下时，卸载压力并取出零件。

10.权利要求3所述方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将厚度为0.1mm-0.6mm，内壁直径为10mm-50mm，长度为50mm-200mm的薄壁钛合金管材放置在紧固模具中，通过螺栓连接后进行扩口密封，获得密封管材；

2)将步骤1)所得的密封管材放置在热压成型机的凹模上，通过管材两端紧固模具上的气孔向管材和成型机炉腔内通入高纯度氩气，排出管材和炉腔内的空气；

3)将管材加热至400℃-800℃，同时通过管材两端紧固模具上的气孔所连接的气路控制系统保持压力至0.1MPa-0.3MPa；

4)通过冲压的方式，以0.01mm/s-0.5mm/s的速度下压凸模，下压凸模过程中，同时保证管材内气体压力为1MPa-5MPa，并同时控制两端紧固模具按照0.01mm/s-0.5mm/s的速度进给补料；

5)合模完成后保压5min-15min，再按照退火曲线降温并降低气压，降温减压过程中保持管材内外压差在0.1MPa-0.3MPa，待管材冷却至100℃以下时，卸载压力并取出零件。