CN105642765A - 一种钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法，涉及一种热冲孔装置及冲孔方法。本发明要解决现有的钛合金板材热冲孔装置和方法效率低、冲孔精度差，能源消耗高的问题。本发明装置包括上筒形纯铜导体、环形钨铜冲头、环形钨铜垫圈、下筒形纯铜导体、电流电源、上铜板导体和下铜板导体；上铜板导体连接上筒形紫铜导体和电流电源，下铜板导体连接下筒形紫铜导体和电流电源；冲孔方法：一：将孔钛合金板材放置于冲孔装置上并与环形钨铜冲头接触；二：当被加热区域升温至750℃～860℃时加20MPa～40MPa压力进行冲孔。本发明装置及方法效率高、冲孔精度高，能源消耗高低。本发明适用于钛合金板材热冲孔处理。

Description

一种钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法。
背景技术
钛合金具有轻质高强、耐蚀性好、低温或高温性能良好、热稳定性和焊接性能优异等一系列优点，是目前逐渐广泛应用的一种先进结构材料，并且随着钛合金型材成本的逐渐降低，尤其是钛合金的板材，其在航空航天、医疗、建筑、化工、电子通讯等领域的应用逐年增加；
但由于钛合金室温塑性差，传统的塑性加工手段往往难以直接应用在钛合金上，目前钛合金板材孔加工主要通过机械钻孔或者采用板材整体加热的热冲孔方法完成；
然而机械钻孔不仅效率相对较低，精度也受到限制，而热冲孔方法是将钛合金板材整体加热后进行冲孔，实际上只有冲孔剪切变形区需要升温以降低强度，将钛合金板材整体加热不仅浪费能源，而且使非变形区强度降低，也部分参与变形，降低冲孔精度以及工作效率。
发明内容
本发明为了解决现有的钛合金板材热冲孔装置和方法效率低、冲孔精度差，能源消耗高的问题，提出一种钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法。
本发明的技术方案是：
一种钛合金板材热冲孔装置，该装置包括上平台、上绝缘陶瓷、上筒形纯铜导体、环形钨铜冲头、环形钨铜垫圈、下筒形纯铜导体、下绝缘陶瓷、下平台、电流电源、上铜板导体和下铜板导体；
所述上筒形纯铜导体、环形钨铜冲头、环形钨铜垫圈和下筒形纯铜导体同轴，上绝缘陶瓷固定在上平台下端面，上筒形纯铜导体固定在上绝缘陶瓷下端面，环形钨铜冲头固定在上筒形纯铜导体下端面，下绝缘陶瓷固定在下平台上端面，下筒形纯铜导体固定在下绝缘陶瓷上端面，环形钨铜垫圈固定在下筒形纯铜导体的上端面，上铜板导体的一端与上筒形纯铜导体连接，上铜板导体的另一端与电流电源的正极连接，下铜板导体的一端与下筒形纯铜导体连接，下铜板导体的另一端与电流电源的负极连接。
所述的环形钨铜冲头的外径小于环形钨铜垫圈的内径；所述的环形钨铜冲头与环形钨铜垫圈之间的间距可根据待冲孔钛合金板材的厚度进行调节；
所述的上铜板导体的横截面积大于30cm2；所述的下铜板导体的横截面积大于30cm2；所述的上绝缘陶瓷的材质为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷；所述的下绝缘陶瓷的材质为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷；所述的环形钨铜冲头的材质为W80Cu20合金；所述的环形钨铜垫圈的材质为W80Cu20合金；
一种利用钛合金板材热冲孔装置进行热冲孔的方法按以下步骤进行：
步骤一：将待冲孔钛合金板材放置于钛合金板材热冲孔装置的环形钨铜垫圈上，然后将环形钨铜冲头下降至其下表面与待冲孔钛合金板材接触；
步骤二：启动电流电源，当待冲孔钛合金板材表面与环形钨铜冲头和环形钨铜垫圈接触部分的温度升至750℃～860℃时，再通过环形钨铜冲头向待冲孔钛合金板材施加20MPa～40MPa的压力，即完成冲孔。
本发明所述装置及利用该装置进行冲孔的方法的原理为：
待冲孔钛合金板材放置于环形钨铜冲头和环形钨铜垫圈之间的间隙后，环形钨铜冲头随上平台、上绝缘陶瓷和上筒形纯铜导体下降并与待冲孔钛合金板材接触，此时上筒形纯铜导体、环形钨铜冲头、环形钨铜垫圈、下筒形纯铜导体、电流电源、上铜板导体下铜板导体和待冲孔钛合金板材形成电流回路，然后电流电源供电，待冲孔钛合金板材的电阻率远大于上筒形纯铜导体、环形钨铜冲头、环形钨铜垫圈、下筒形纯铜导体、上铜板导体和下铜板导体，因此在待冲孔钛合金板材表面与环形钨铜冲头和环形钨铜垫圈接触部分即被加热区域产生较大的焦耳热并快速升温，当待冲孔钛合金板材被加热区域的温度达到750℃～860℃后，此时的待冲孔钛合金板材剪切强度约为12MPa，通过环形钨铜冲头向待冲孔钛合金板材施加20MPa～40MPa的压力，即完成冲孔。
本发明钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法具备以下有益效果：
1、本发明装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，相比于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热而言，可以减少无谓加热导致大量能源浪费，相对于传统的整体加热冲孔，可节约能源80％以上；
2、现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，并且每冲一次孔后板材会逐渐降温，需要进行再加热，严重影响力对钛合金板材的热冲孔效率；本发明中，由于待冲孔钛合金板材的电阻率远低于电流回路中的其他导体，并且钛合金板材导热系数较低，散热较慢，因此钛合金可产生极佳的焦耳热效应，可以很快的在短时内升温至所需温度，一般只需要5s～15s即可完成升温，相对于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，可以节约时间10倍以上，对钛合金板材的热冲孔效率显著提高；
3、本发明装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，即将被剪切区进行加热，而钛合金板材的其余部分不在加热范围内，仍然保持室温高强度，被加热的剪切区由于高温其剪切强度急剧减小，而未被加热的区域仍保持原剪切强度，提可高冲孔的表面精度20％以上。
附图说明
图1是本发明装置剖面图；其中1为上平台、3为上绝缘陶瓷、5为上筒形纯铜导体、7为环形钨铜冲头、8为环形钨铜垫圈、6为下筒形纯铜导体、4为下绝缘陶瓷、2为下平台、9为电流电源、10为上铜板导体、11为下铜板导体；
图2是具体实施方式九中利用钛合金板材热冲孔装置进行热冲孔的示意图，其中12为待冲孔钛合金板材，13为被加热区域；
图3是实施例1中待冲孔钛合金板材被加热区域示意图，其中12为待冲孔钛合金板材，13为被加热区域；
图4是实施例1中待冲孔钛合金板材冲孔后的示意图，其中12为待冲孔钛合金板材，14为冲孔。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种钛合金板材热冲孔装置包括上平台1、上绝缘陶瓷3、上筒形纯铜导体5、环形钨铜冲头7、环形钨铜垫圈8、下筒形纯铜导体6、下绝缘陶瓷4、下平台2、电流电源9、上铜板导体10和下铜板导体11；
所述上筒形纯铜导体5、环形钨铜冲头7、环形钨铜垫圈8和下筒形纯铜导体6同轴，上绝缘陶瓷3固定在上平台1下端面，上筒形纯铜导体5固定在上绝缘陶瓷3下端面，环形钨铜冲头7固定在上筒形纯铜导体5下端面，下绝缘陶瓷4固定在下平台2上端面，下筒形纯铜导体6固定在下绝缘陶瓷4上端面，环形钨铜垫圈8固定在下筒形纯铜导体6的上端面，上铜板导体10的一端与上筒形纯铜导体5连接，上铜板导体10的另一端与电流电源9的正极连接，下铜板导体11的一端与下筒形纯铜导体6连接，下铜板导体11的另一端与电流电源9的负极连接。
本实施方式所述钛合金板材热冲孔装置具备以下有益效果：
1、本发明装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，相比于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热而言，可以减少无谓加热导致大量能源浪费，相对于传统的整体加热冲孔，可节约能源80％以上；
2、现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，并且每冲一次孔后板材会逐渐降温，需要进行再加热，严重影响力对钛合金板材的热冲孔效率；本发明中，由于待冲孔钛合金板材的电阻率远低于电流回路中的其他导体，并且钛合金板材导热系数较低，散热较慢，因此钛合金可产生极佳的焦耳热效应，可以很快的在短时内升温至所需温度，一般只需要5s～15s即可完成升温，相对于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，可以节约时间10倍以上，对钛合金板材的热冲孔效率显著提高；
3、本发明装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，即将被剪切区进行加热，而钛合金板材的其余部分不在加热范围内，仍然保持室温高强度，被加热的剪切区由于高温其剪切强度急剧减小，而未被加热的区域仍保持原剪切强度，提可高冲孔的表面精度20％以上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的环形钨铜冲头7的外径小于环形钨铜垫圈8的内径。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的上铜板导体10的横截面积大于30cm2。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的下铜板导体11的横截面积大于30cm2。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的上绝缘陶瓷3的材质为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的下绝缘陶瓷4的材质为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的环形钨铜冲头7的材质为W80Cu20合金。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的环形钨铜垫圈8的材质为W80Cu20合金。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：一种利用钛合金板材热冲孔装置进行热冲孔的方法按以下步骤进行：
步骤一：将待冲孔钛合金板材放置于钛合金板材热冲孔装置的环形钨铜垫圈8上，然后将环形钨铜冲头7下降至其下表面与待冲孔钛合金板材接触；
步骤二：启动电流电源9，当待冲孔钛合金板材表面与环形钨铜冲头7和环形钨铜垫圈8接触部分的温度升至750℃～860℃时，再通过环形钨铜冲头7向待冲孔钛合金板材施加20MPa～40MPa的压力，即完成冲孔。
本实施方式所述方法具备如下有益效果：
1、本发明装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，相比于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热而言，可以减少无谓加热导致大量能源浪费，相对于传统的整体加热冲孔，可节约能源80％以上；
2、现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，并且每冲一次孔后板材会逐渐降温，需要进行再加热，严重影响力对钛合金板材的热冲孔效率；本发明中，由于待冲孔钛合金板材的电阻率远低于电流回路中的其他导体，并且钛合金板材导热系数较低，散热较慢，因此钛合金可产生极佳的焦耳热效应，可以很快的在短时内升温至所需温度，一般只需要5s～15s即可完成升温，相对于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，可以节约时间10倍以上，对钛合金板材的热冲孔效率显著提高；
3、本发明装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，即将被剪切区进行加热，而钛合金板材的其余部分不在加热范围内，仍然保持室温高强度，被加热的剪切区由于高温其剪切强度急剧减小，而未被加热的区域仍保持原剪切强度，提可高冲孔的表面精度20％以上。通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
一种钛合金板材热冲孔装置，该装置包括上平台1、上绝缘陶瓷3、上筒形纯铜导体5、环形钨铜冲头7、环形钨铜垫圈8、下筒形纯铜导体6、下绝缘陶瓷4、下平台2、电流电源9、上铜板导体10和下铜板导体11；
所述上筒形纯铜导体5、环形钨铜冲头7、环形钨铜垫圈8和下筒形纯铜导体6同轴，上绝缘陶瓷3固定在上平台1下端面，上筒形纯铜导体5固定在上绝缘陶瓷3下端面，环形钨铜冲头7固定在上筒形纯铜导体5下端面，下绝缘陶瓷4固定在下平台2上端面，下筒形纯铜导体6固定在下绝缘陶瓷4上端面，环形钨铜垫圈8固定在下筒形纯铜导体6的上端面，上铜板导体10的一端与上筒形纯铜导体5连接，上铜板导体10的另一端与电流电源9的正极连接，下铜板导体11的一端与下筒形纯铜导体6连接，下铜板导体11的另一端与电流电源9的负极连接。
所述的环形钨铜冲头7的外径小于环形钨铜垫圈8的内径，环形钨铜冲头7与环形钨铜垫圈8之间的间距可根据钛合金板材的厚度进行调节；
所述的上铜板导体10的横截面积为31cm2；所述的下铜板导体11的横截面积为31cm2；所述的上绝缘陶瓷3的材质为氧化铝陶瓷；所述的下绝缘陶瓷4的材质为氧化铝陶瓷；所述的环形钨铜冲头7的材质为W80Cu20合金；所述的环形钨铜垫圈8的材质为W80Cu20合金；环形钨铜冲头7的外径为15cm；
一种利用钛合金板材热冲孔装置进行热冲孔的方法按以下步骤进行：
步骤一：将待冲孔钛合金板材放置于钛合金板材热冲孔装置的环形钨铜垫圈8上，然后将环形钨铜冲头7下降至其下表面与待冲孔钛合金板材接触；
步骤二：启动电流电源9，当待冲孔钛合金板材表面与环形钨铜冲头7和环形钨铜垫圈8接触部分的温度升至800℃时，再通过环形钨铜冲头7向待冲孔钛合金板材施加30MPa的压力，即完成冲孔。
本实施例中待冲孔钛合金板材被加热区域示意图如图3所示，其中12为待冲孔钛合金板材，13为被加热区域；本实施例中待冲孔钛合金板材冲孔后的示意图如图4所示，其中12为待冲孔钛合金板材，14为冲孔。
本实施例钛合金板材热冲孔装置及利用该装置进行冲孔的方法具备以下有益效果：
1、本实施例装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，相比于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热而言，可以减少无谓加热导致大量能源浪费，相对于传统的整体加热冲孔，可节约能源90％；
2、现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，并且每冲一次孔后板材会逐渐降温，需要进行再加热，严重影响力对钛合金板材的热冲孔效率；本实施例中，由于待冲孔钛合金板材的电阻率远低于电流回路中的其他导体，并且钛合金板材导热系数较低，散热较慢，因此钛合金可产生极佳的焦耳热效应，可以很快的在短时内升温至所需温度，需要5s即可完成升温，相对于现有的钛合金热冲孔将板材整体加热，可以节约时间10倍，对钛合金板材的热冲孔效率显著提高；
3、本实施例装置是将待冲孔钛合金板材进行局部加热，即将被剪切区进行加热，而钛合金板材的其余部分不在加热范围内，仍然保持室温高强度，被加热的剪切区由于高温其剪切强度急剧减小，而未被加热的区域仍保持原剪切强度，提高了冲孔的表面精度20％。

Claims (9)

1.一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于该装置包括上平台(1)、上绝缘陶瓷(3)、上筒形纯铜导体(5)、环形钨铜冲头(7)、环形钨铜垫圈(8)、下筒形纯铜导体(6)、下绝缘陶瓷(4)、下平台(2)、电流电源(9)、上铜板导体(10)和下铜板导体(11)；
所述上筒形纯铜导体(5)、环形钨铜冲头(7)、环形钨铜垫圈(8)和下筒形纯铜导体(6)同轴，上绝缘陶瓷(3)固定在上平台(1)下端面，上筒形纯铜导体(5)固定在上绝缘陶瓷(3)下端面，环形钨铜冲头(7)固定在上筒形纯铜导体(5)下端面，下绝缘陶瓷(4)固定在下平台(2)上端面，下筒形纯铜导体(6)固定在下绝缘陶瓷(4)上端面，环形钨铜垫圈(8)固定在下筒形纯铜导体(6)的上端面，上铜板导体(10)的一端与上筒形纯铜导体(5)连接，上铜板导体(10)的另一端与电流电源(9)的正极连接，下铜板导体(11)的一端与下筒形纯铜导体(6)连接，下铜板导体(11)的另一端与电流电源(9)的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的环形钨铜冲头(7)的外径小于环形钨铜垫圈(8)的内径。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的上铜板导体(10)的横截面积大于30cm2。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的下铜板导体(11)的横截面积大于30cm2。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的上绝缘陶瓷(3)的材质为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的下绝缘陶瓷(4)的材质为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的环形钨铜冲头(7)的材质为W80Cu20合金。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金板材热冲孔装置，其特征在于所述的环形钨铜垫圈(8)的材质为W80Cu20合金。
9.一种利用如权利要求1所述的钛合金板材热冲孔装置进行热冲孔的方法，其特征在于利用钛合金板材热冲孔装置进行热冲孔的方法是按以下步骤进行：
步骤一：将待冲孔钛合金板材放置于钛合金板材热冲孔装置的环形钨铜垫圈(8)上，然后将环形钨铜冲头(7)下降至其下表面与待冲孔钛合金板材接触；
步骤二：启动电流电源(9)，当待冲孔钛合金板材表面与环形钨铜冲头(7)和环形钨铜垫圈(8)接触部分的温度升至750℃～860℃时，再通过环形钨铜冲头(7)向待冲孔钛合金板材施加20MPa～40MPa的压力，即完成冲孔。
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