CN106513508A - 一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法 - Google Patents

一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装，由加热设备、绝缘模具和温度控制系统等组成；绝缘模具安装于冲压机床上，模面放置板料；加热设备的电极夹头位于绝缘模具两侧，电极夹头连接机床外电源；绝缘模具上开有测温孔用于安装温度控制系统的非接触式测温仪。本发明方法如下：将绝缘模具安装于冲压机床上，开模，将平面尺寸大于模面的板料放置于模面并由宽度或长度方向的外侧电极夹头夹住，合模，使上下模面与板料接触后进行通电加热板料，依靠温度控制系统测量、控制板料温度，直至板料达到成形温度，后进行不断电保持成形温度下的冲压成形，之后保持最终冲压状态不变保温一段时间，最后进行一定降温速率下的冷却，断电，开模，卸料。

Description

一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法
【技术领域】
本发明涉及一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法，尤其是一种采用自阻加热方式的钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法，用于钛合金、镁合金和铝合金等常温难成形材料的热成形，尤其适用于小批量钛合金钣金件的快速热冲压成形，属于热加工技术领域。
【技术背景】
钛合金具有高比强度、高极限强度、抗腐蚀性好、耐高温等一系列突出的优点，且与碳纤维复合材料相容性好，使其在航空航天领域得到大量应用。飞行器属于典型的框架壳体结构，钛合金钣金件大多应用于机翼、机舱面板或隔板、尾锥和动力舱的隔热屏等结构，特别在先进航空发动机上占有相当大的比重，在减轻发动机重量、改善和提高发动机性能等方面发挥着日益重要的作用。
冲压是钛合金钣金件主要成形工艺，但在常温下,钛合金的塑性变形范围很窄,所需成形力大,易开裂,回弹严重,成形困难,传统的冷冲压难以满足要求，热冲压成形是目前钛合金钣金件成形的主要方法。在一定的高温状态下(500℃以上)，钛合金板料的塑性可得到明显的改善，延伸率增加，成形性显著提高。国外大约有90％的钛合金板材零件采用热成形加工生产。
现有的钛合金钣金件热冲压成形方法,一般需要专用的机床，内含电加热炉,对模具和钛合金板料进行加热后保温成形。工艺过程是加热平台将热量传导给模具，使模具加热到成形温度，然后放入板料，加热到成形温度后进行热压成形，取出后进行热较形。这种成形方法的高能耗、低效率、设备复杂以及模具寿命短并不适用于航空航天领域钣金件小批量的生产要求。因此，如何从降低成本、提高效率、快速制造等方面入手，发展先进工艺，实现节能、高效、快速的制造理念和主题。是成形钛合金钣金件迫切需要解决的难题。
【发明内容】
1、目的：本发明的目的是为了解决钛合金钣金件热冲压成形的高成本、低效率和高耗时等问题，而提供一种基于自阻加热方式的钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法。
2、技术方案：
(1)本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装，它主要由加热设备、绝缘模具和温度控制系统三个部分组成，它们之间的位置连接关系为：将绝缘模具安装于冲压机床上，模面放置板料；加热设备的电极夹头位于模具两侧便于夹持板料，电极夹头连接机床外电源对板料供电加热；绝缘模具上开有测温孔用于安装温度控制系统的非接触式测温仪，温度控制系统接收非接触式测温仪反馈温度并调节电源输出电流大小，以控制板料电流密度，进而控制板料温度。
加热设备：具体包括电源、支承台和电极夹头。它们之间的位置连接关系为：电极夹头固定于支承台上用于夹持板料和供电，电极夹头同时与电源相连，依靠温度控制系统调节电源输出电流大小，来控制流经板料的电流密度。支承台位于绝缘模具宽度或是长度方向一侧，电极夹头夹住板料后，支承台可跟随板料移动以保证板料与电极夹头保持夹紧状态。
绝缘模具：对传统模具进行改造，所述的传统模具主要包括上模、下模、压边、顶料块，所述的改造包括绝缘和测温改造两部分。绝缘改造一是将上模、下模的模面之间铺绝缘绝热垫，与板料电隔绝、热隔绝；二是将上模、下模与模座之间用绝缘板和绝缘螺栓进行电隔绝，保护机床，保证设备安全性。测温改造是根据机床外形在上模或是下模开测温孔，用于安装非接触式测温仪，以便监测板料温度。
温度控制系统：包括PLC单片机及非接触式测温仪，非接触式测温仪用于测量板料温度，根据温度反馈信号，采用PLC单片机闭环控制所述电源的电流，进而控制板料温度，在整个成型周期内温度控制系统是自动可编程控制的。
本发明的工作程序如下：将绝缘模具安装于冲压机床上，开模，将平面尺寸大于模面的板料放置于模面并由宽度或长度方向的外侧电极夹头夹住，合模，使上下模面与板料接触后进行通电加热板料，依靠温度控制系统测量、控制板料温度，直至板料达到成形温度，后进行不断电保持成形温度下的冲压成形，之后保持最终冲压状态不变保温一段时间，最后进行一定降温速率下的冷却，断电，开模，卸料。
其中，所述支承台安装于绝缘模具长度方向适用于长度大于300mm的板料，安装于绝缘模具宽度方向适用于长度小于等于300mm的板料；
其中，所述电源的输出电压为1～20V,电流为1000～10000A；
其中，所述电极夹头材料为低电阻高电导率材料，其个数和宽度以及支承台移动范围按成形零件尺寸增减，保证板料加工过程的温度均匀性即可；
其中，对板料边缘暴露于空气的区域，用保温棉塞入绝缘模具缝隙防止热量散失。
其中，机床根据模具和压力要求选择即可。
(2)本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，该方法包含以下步骤：
步骤一、材料及设备准备：绝缘模具安装于机床上，绝缘模具宽度方向或长度方向两侧安装可移动电极夹头和支承台，电极夹头接电源；将准备好的宽度尺寸大于模面的板料涂润滑剂放置于模面之上，并用两侧电极夹头夹住；设备绝缘检测。
步骤二、通电加热：绝缘检测安全后，合模，温度控制系统结合温度测量仪控制电源输出对板料进行一定电流密度下的加热；
步骤三、冲压成形：当板料到达成形温度后，断电进行冲压成形；或是温度控制系统调节电源输出，进行一定电流密度下的保温，此时控制机床对板料进行不断电下的冲压成形；
步骤四、保温保压:成形后保持冲压状态不变，再通电或是不断电保温一定时间，使板料在一定温度下发生应力松弛行为；
步骤五、降温：保温后，开模，自然降温，取出零件，切边；或是温度控制系统控制电流输出进行一定速率下的降温，降低到一定温度后断电，开模，取出零件，切边。加工结束。
其中，步骤一中所述宽度尺寸应根据成形零件后宽度的缩减量来定；
其中，步骤一中所述的绝缘模具长度方向两侧安装可移动电极夹头和支承台，适用于长度大于300mm的板料，所述的绝缘模具宽度方向两侧安装可移动电极夹头和支承台，适用于长度小于等于300mm的板料。
其中，步骤二和三中所述电流密度为10～50A/mm2；
其中，步骤三中所述板料成形温度为600℃～800℃；
其中，步骤四中所述保温一定时间为10～45min，一定温度为600℃～800℃；
其中，步骤五中所述一定速率为10～30℃/min，一定温度为100～300℃。
3、优点及功效：
本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装及加工方法，采用自阻加热方法对板料进行加热，升温快，且无需加热模具，节省了能源。电流除了产生焦耳热之外还和温度场、应力场等其他形式的能量场耦合时，在宏观上会表现出电致塑(electro-plastic，简称EP)效应，可提高材料的塑性变形能力以及对金属基体的损伤具有一定的修复功能。二是冲压过程以及冲压后的保温保压，板料可一直处于不断电状态，借助温度控制系统可维持板料温度在一个合适的范围对板料进行冲压和发生应力松弛，成形精度高，无需后续热较形，非常适用于航空航天领域钛合金钣金件的小批量生产。
【附图说明】
图1是本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装系统示意图。
图2是本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形绝缘模具简图。
图3是本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工艺流程图。
图中符号说明如下：
1凹模；2，3，10，14绝缘绝热垫；4非接触式测温仪；
5，9，11绝缘板；6顶料块；7电极夹头；8支承台；
12凸模；13压边；15板料；16电源线；17温度控制系统；
18绝缘模具；19电源。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
一下实施例拟采用TC4(Ti-6Al-4V)钛合金作为要成形钣金件的材料，板料尺寸280*260*2mm，制造目标零件为壁厚2mm的“几”字形钣金件。
本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装，如图1、图2，它由加热设备、绝缘模具18和温度控制系统17(详图略)三个部分组成，如图1所示，它们之间的位置连接关系为：将绝缘模具18安装于冲压机床上，模面放置板料15；加热设备的电极夹头7位于模具宽度方向两侧便于夹持板料，电极夹头7连接机床外直流电源19对板料15供电加热；模具上开有测温孔用于安装温度控制系统的非接触式测温仪4，温度控制系统接收非接触式测温仪4的反馈温度信号并调节电源19输出电流大小，以控制板料15电流密度，进而控制板料温度。
加热设备：具体包括直流电源19、支承台8和电极夹头7。它们之间的位置连接关系为：电极夹头7固定于支承台8上用于夹持板料15和供电，同时通过电源线16与电源19相连，依靠温度控制系统(详图略)调节电源输出电流大小，来控制流经板料的电流密度。支承台8位于模具宽度方向两侧，电极夹头7夹住板料后，支承台8可跟随板料15移动以保证板料15与电极夹头7保持夹紧状态。
绝缘模具18：对传统模具进行改造，所述的传统模具主要包括凹模1、凸模12、压边13、顶料块6，所述的改造包括绝缘和测温改造两部分。绝缘改造一是将凹模1、凸模12的模面铺绝缘绝热垫2、3、10、14，与板料15电隔绝、热隔绝；二是将凹模1、凸模12与模座间用绝缘板5、9、11和绝缘螺栓进行电隔绝，保护机床，保证设备安全性。测温改造是根据机床外形在凹模开测温孔，用于安装非接触式测温仪4，以便监测板料15温度。
温度控制系统17：包括PLC单片机及非接触式测温仪，非接触式测温仪4测量板料温度，根据温度反馈信号，采用PLC单片机闭环控制电源电流，进而控制板料温度，在整个成型周期内温度控制系统(详图略)是自动可编程控制的。
本发明的工作程序如下：将绝缘模具安装于冲压机床上，开模，将平面尺寸大于模面的板料15放置于模面并由宽度方向的外侧电极夹头7夹住，合模，使上下模面与板料接触后进行通电加热板料15，依靠温度控制系统测量、控制板料温度，直至板料达到成形温度，后进行不断电保持成形温度下的冲压成形，之后保持最终冲压状态不变保温一段时间，最后进行一定降温速率下的冷却，断电，开模，卸料。
其中，所述电源19输出电压为1～20V,电流为1000～10000A；
其中，所述电极夹头7材料为低电阻高电导率材料，夹头单个宽度为100mm，共两对，板料两端对齐排列，以保证板料加工过程的温度均匀性；
其中，对板料边缘暴露于空气的区域，用保温棉塞入绝缘模具缝隙防止热量散失。
其中，机床根据模具和压力要求选择即可，在此选择的是北航自制BCS-50AR压力机，最大成形压力50吨。
本发明一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，下面结合图3说明具体实施步骤：
步骤一、材料及设备准备：绝缘模具18安装于机床上，绝缘模具宽度方向两侧安装可移动电极夹头7和支承台8，电极夹头7接直流电源19；将准备好的宽度尺寸大于模面的板料15涂润滑剂放置于模面之上，并用两侧电极夹头7夹住；设备绝缘检测。
步骤二、通电加热：绝缘检测安全后，绝缘模具的凸模12和压边13上行压紧板料，温度控制系统结合非接触式测温仪4控制电源输出对板料进行30A/mm2电流密度下的加热；
步骤三、冲压成形：当板料15到达成形温度670℃后，温度控制系统调节电源输出，进行10A/mm2电流密度下的保温，此时控制机床对板料15进行不断电下的冲压成形；
步骤四、保温保压:成形后保持冲压状态不变，不断电保温30min，使板料在670℃下发生应力松弛；
步骤五、降温：保温后，温度控制系统控制电流输出进行20℃/min速率下的降温，降低到150℃后断电，开模，取出零件，切边。加工结束。

Claims (10)

1.一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装，其特征在于：主要由加热设备、绝缘模具和温度控制系统三个部分组成，它们之间的位置连接关系为：将绝缘模具安装于冲压机床上，模面放置板料；加热设备的电极夹头位于绝缘模具两侧便于夹持板料，电极夹头连接机床外电源对板料供电加热；绝缘模具上开有测温孔用于安装温度控制系统的非接触式测温仪，温度控制系统接收非接触式测温仪反馈温度并调节电源输出电流大小，以控制板料电流密度，进而控制板料温度；
其中，加热设备具体包括电源、支承台和电极夹头；它们之间的位置连接关系为：电极夹头固定于支承台上用于夹持板料和供电，电极夹头同时与电源相连，依靠温度控制系统调节电源输出电流大小，来控制流经板料的电流密度；支承台位于绝缘模具宽度或是长度方向一侧，电极夹头夹住板料后，支承台可跟随板料移动以保证板料与电极夹头保持夹紧状态；
其中，绝缘模具主要包括上模、下模、压边、顶料块，将上模、下模的模面之间铺绝缘绝热垫，与板料电隔绝、热隔绝；将上模、下模与模座之间用绝缘板和绝缘螺栓进行电隔绝，保护机床，保证设备安全性；在上模或是下模开测温孔，用于安装非接触式测温仪，以便监测板料温度；
其中，温度控制系统包括PLC单片机及非接触式测温仪，非接触式测温仪用于测量板料温度，根据温度反馈信号，采用PLC单片机闭环控制所述电源的电流，进而控制板料温度，在整个成型周期内温度控制系统是自动可编程控制的。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装，其特征在于：所述支承台安装于绝缘模具长度方向适用于长度大于300mm的板料，安装于绝缘模具宽度方向适用于长度小于等于300mm的板料。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形工装，其特征在于：对板料边缘暴露于空气的区域，用保温棉塞入绝缘模具缝隙防止热量散失。
4.一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，该方法包含以下步骤：
步骤一、材料及设备准备：绝缘模具安装于机床上，绝缘模具宽度方向或长度方向两侧安装可移动电极夹头和支承台，电极夹头接电源；将准备好的宽度尺寸大于模面的板料涂润滑剂放置于模面之上，并用两侧电极夹头夹住；设备绝缘检测；
步骤二、通电加热：绝缘检测安全后，合模，温度控制系统结合温度测量仪控制电源输出对板料进行一定电流密度下的加热；
步骤三、冲压成形：当板料到达成形温度后，断电进行冲压成形；或是温度控制系统调节电源输出，进行一定电流密度下的保温，此时控制机床对板料进行不断电下的冲压成形；
步骤四、保温保压:成形后保持冲压状态不变，再通电或是不断电保温一定时间，使板料在一定温度下发生应力松弛行为；
步骤五、降温：保温后，开模，自然降温，取出零件，切边；或是温度控制系统控制电流输出进行一定速率下的降温，降低到一定温度后断电，开模，取出零件，切边；加工结束。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，其特征在于：步骤一中所述宽度尺寸应根据成形零件后宽度的缩减量来定。
6.根据权利要求4所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，其特征在于：步骤一中所述的绝缘模具长度方向两侧安装可移动电极夹头和支承台，适用于长度大于300mm的板料，所述的绝缘模具宽度方向两侧安装可移动电极夹头和支承台，适用于长度小于等于300mm的板料。
7.根据权利要求4所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，其特征在于：步骤二和步骤三中所述电流密度为10～50A/mm2。
8.根据权利要求4所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，其特征在于：步骤三中所述板料成形温度为600℃～800℃。
9.根据权利要求4所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，其特征在于：步骤四中所述保温一定时间为10～45min，一定温度为600℃～800℃。
10.根据权利要求4所述的一种钛合金钣金件冷模热冲压成形加工方法，其特征在于：步骤五中所述一定速率为10～30℃/min，一定温度为100～300℃。
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