CN108555132B - 一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置 - Google Patents

一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置，属于金属板材塑性成形技术领域。该方法为将成形用钛合金板材放置于凸模和凹模之间；控制加热温度并保温；控制凸模移动速率、移动方向和移动距离，同时开启超声波发生器，通过超声波振子带动凸模或凹模输出稳定的循环超声载荷，对成形用钛合金板材施加超声振动，直到凸模和凹模完全闭合，成形用钛合金板材完全贴合成形模具并保温，保证成形零件的尺寸精度；加热装置降温，将凸模移出，取出成形用钛合金板材成形后的零件，清理。采用装置包括：成形模具，加热装置，超声波发生器和超声波振子。该方法充分发挥温热成形和超声振动辅助成形的优势，成形出精度更高、质量更好的钛合金板材零件。

Description

一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置
技术领域
本发明属于钛合金板材塑性成形技术领域，特别涉及一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置。
背景技术
钛合金板材成形是利用材料塑性，在模具或工具的外力作用下成形出一定形状和尺寸精度的薄壁零件的主要方法，具有材料利用率高、尺寸稳定性好、生产效率高等优点。但对于难变形钛合金板材，通常采用加热、施加外部超声振动等方式提高钛合金板材的塑性变形能力，实现复杂形状钛合金板材零件的成形。采用加热钛合金板材的温热成形是现阶段采用最普遍的方法，成形过程是将钛合金板材加热到一定温度后再进行成形，通过对温度和加热时间的控制达到提高钛合金板材塑性变形能力和成形质量的目的。采用在钛合金板材施加外部超声振动的超声振动辅助成形是近年来发展起来的一种新方法，成形过程对被加工钛合金板材(或模具)施加一定方向、一定频率和振幅的超声振动，借助超声振动效应达到提高钛合金板材的塑性变形能力和成形质量的目的。
发明内容
本发明通过结合钛合金板材温热成形和超声振动辅助成形各自的特点，提出了一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置，是一种能够提高钛合金板材塑性变形能力、提升钛合金板材成形质量的方法。该方法将超声振动辅助成形和温热成形同时引入钛合金板材成形过程。一方面，在相同温度条件下，通过超声振动可以进一步提高钛合金板材成形性能和成形质量；而在相同钛合金板材成形性能和成形质量条件下，通过超声振动可以降低钛合金板材成形温度和生产成本。另一方面，在相同超声振动工艺参数条件下，通过将钛合金板材加热到一定温度，可以进一步提高超声振动对钛合金板材成形性能和成形质量的影响；而在相同钛合金板材成形性能和成形质量条件下，通过将钛合金板材加热到一定温度还可以降低超声振动辅助成形工艺参数。将温热成形与超声振动辅助成形同时引入钛合金板材成形过程，可以充分发挥温热成形和超声振动辅助成形的优势，成形出精度更高、质量更好的钛合金板材零件。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据所需制备的零件参数，选取成形用钛合金板材；
步骤二：将成形用钛合金板材设置于凸模和凹模之间，放置在设置在下方的凹模上；
步骤三：控制加热装置的加热温度，并保温；
步骤四：控制凸模移动速率、移动方向和移动距离，同时开启超声波发生器，通过超声波振子带动凸模或凹模输出稳定的循环超声载荷，对成形用钛合金板材施加超声振动，直到凸模和凹模完全闭合，成形用钛合金板材完全贴合成形模具，并保温一段时间，保证成形零件的尺寸精度；
步骤五：将加热装置降温，将凸模移出，取出成形用钛合金板材成形后的零件，清理。
所述的步骤三中，所述的加热温度和保温时间根据所选取的成形用钛合金板材的成形加工所需温度决定，不同的成形用钛合金板材所用温度有所不同。
所述的步骤四中，所述的超声波的频率为20～50kHz，振幅为5～15μm。
所述的步骤四中，所述的保温时间根据成形用钛合金板材性能的不同有所不同，优选为5～30min。
所述的步骤五中，所述的降温具体为降至室温或指定温度，为自然冷却至室温或指定温度。
所述的步骤五中，在加热装置降温过程中，同时伴随超声波振动，其可以进一步提高成形零件的精度。
上述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，可以采用如下温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置：
所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置，包括：成形模具，加热装置，超声波发生器和超声波振子；
所述的成形模具包括凸模和凹模；
其中，凸模中的型腔和凹模中的型腔相对设置，凸模和凹模呈上下方向设置，成形模具四周设置有加热装置，凸模或凹模与超声波振子相连，超声波振子与设置在加热装置外的超声波发生器相连。
所述的凸模外连接有凸模动力装置，当凸模与超声波振子相连时，凸模动力装置通过法兰盘先与超声波振子相连；
所述的超声波振子与凸模或凹模通过螺纹连接。
所述的加热装置内设置有加热元件和热电偶。
所述的成形模具，加热装置，超声波发生器均设置在装置工作平台上方，超声波振子位于凸模或凹模的上方/下方，超声波振子和超声波发生器通过转换器连接。
本发明的一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法及装置，其有益效果：
本发明与温热成形相比，通过超声振动可以进一步提高钛合金板材成形性能和成形质量，同时还可以降低钛合金板材成形温度和生产成本。与超声振动辅助成形相比，通过将钛合金板材加热到一定温度，可以进一步促进超声振动对钛合金板材成形性能和成形质量的提高，同时还可以降低超声振动辅助成形工艺参数。将温热成形与超声振动辅助成形同时引入钛合金板材成形过程，在温热环境和超声振动作用下，实现用较低的成形温度或超声振动工艺参数，有效的提高钛合金板材的成形性能及成形质量。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置(初始状态)结构示意图；
图2为本发明实施例1的一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置(成形状态)结构示意图；
图3为本发明实施例2的一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置(初始状态)结构示意图；
图4为本发明实施例2的一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置(成形状态)结构示意图；
图中，1-超声波振子，2-凸模，3-加热装置，4-加热元件，5-成形用钛合金板材，6-凹模，7-超声波发生器，8-热电偶，9-法兰盘。
实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例
一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置，其初始状态结构示意图见图1，包括：成形模具，加热装置3，超声波发生器7和超声波振子1；
所述的成形模具包括凸模2和凹模6；本实施例以成形用钛合金板材90°的V型弯曲为例；
其中，凸模2中的型腔和凹模6中的型腔相对设置，凸模2和凹模6呈上下方向设置，成形模具四周设置有加热装置3，设置在上方的成形移动模具凸模2的上端设置有超声波振子1，超声波振子1与设置在加热装置3外的超声波发生器7相连；
所述的凸模2外连接有凸模动力装置，凸模动力装置与超声波振子1通过法兰盘9相连。
所述的超声波振子1与凸模2通过螺纹连接。
所述的加热装置3内设置有加热元件4和热电偶8。
所述的成形模具，加热装置3，超声波发生器7均设置在装置工作平台上方，超声波振子1位于凸模2的上方，超声波振子1和超声波发生器7通过转换器连接。
本实施例中，目标材料为钛合金板材，成形用钛合金板材5选取的材质是TC1钛合金，厚度1mm，长度60mm，宽度10mm；成形温度500℃；超声波频率20kHz，振幅12μm。
一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，采用了所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置，包括如下步骤：
步骤一：根据所需制备的零件参数，选取成形用钛合金板材5；
步骤二：在加热装置3内，将提前准备好的成形用钛合金板材5放置到凹模6上方；
步骤三：启动加热装置3，到热电偶测量温度至500℃时停止加热并保温；
步骤四：控制凸模2缓慢下移，移动速率为5-30mm/min，并同时开启超声波发生器7，通过超声波振子1带动凸模2对成形用钛合金板材5输出稳定的循环超声振动载荷，对成形用钛合金板材5施加超声振动，超声波频率为20kHz，振幅12μm，直到成形用钛合金板材5完全贴合成形模具，继续保温10min，以提高弯曲件的成形质量；其中，温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置成形状态的结构示意图见图2；
步骤五：待加热装置3内温度自然降至室温后，关闭超声波发生器7，停止超声振动，控制凸模2上移，取下由成形用钛合金板材5成形后得到的零件，最后完成零件清理。
本实施例中，对于弯曲角为90°的V型，如果是在室温条件下单独施加超声振动时，零件弯曲角度为102度，回弹量为12度。如果加热500℃后进行温热弯曲时，零件弯曲角度为95度，回弹量为5度；如果加热500℃后施加超声振动进行弯曲时，零件弯曲角度为92度，回弹量为2度。
实施例
一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置，其初始状态结构示意图见图3，包括：成形模具，加热装置3，超声波发生器7和超声波振子1；
所述的成形模具包括凸模2和凹模6；本实施例以成形用钛合金板材90°的V型弯曲为例；
其中，凸模2中的型腔和凹模6中的型腔相对设置，凸模2和凹模6呈上下方向设置，成形模具四周设置有加热装置3，设置在下方的凹模6的底部设置有超声波振子1，超声波振子1与设置在加热装置3外的超声波发生器7相连；
所述的凸模2外连接有凸模动力装置。
所述的超声波振子1与凹模6通过螺纹连接。
所述的加热装置3内设置有加热元件4和热电偶8。
所述的成形模具，加热装置3均设置在装置工作平台上方，超声波振子1位于凹模6的下方，超声波振子1和超声波发生器7通过转换器连接。
本实施例中，目标材料为钛合金板材，成形用钛合金板材5选取的材质是TC1钛合金，厚度1mm，长度60mm，宽度10mm；成形温度500℃；超声波频率20kHz，振幅12μm。
一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，同实施例1，不同之处在于，采用了上述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置，是通过将超声波振子置于凹模下方把振动施加在凹模上。其中，温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置成形状态的结构示意图见图4。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据所需制备的零件参数，选取成形用钛合金板材；
步骤二：将成形用钛合金板材设置于凸模和凹模之间，放置在设置在下方的凹模上；
步骤三：控制加热装置的加热温度，并保温；
步骤四：控制凸模移动速率、移动方向和移动距离，同时开启超声波发生器，所述的超声波的频率为20～50kHz，振幅为5～15μm，通过超声波振子带动凸模或凹模输出稳定的循环超声载荷，对成形用钛合金板材施加超声振动，直到凸模和凹模完全闭合，成形用钛合金板材完全贴合成形模具，并保温一段时间，所述的保温时间根据成形用钛合金板材性能的不同有所不同，具体为5～30min，保证成形零件的尺寸精度；
步骤五：在加热装置降温过程中，同时伴随超声波振动，将加热装置降温，将凸模移出，取出成形用钛合金板材成形后的零件，清理。
2.如权利要求1所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的加热温度和保温时间根据所选取的成形用钛合金板材的成形加工所需温度决定，不同的成形用钛合金板材所用温度有所不同。
3.如权利要求1～2中任意一项所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，采用如下温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置：
所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的装置，包括：成形模具，加热装置，超声波发生器和超声波振子；
所述的成形模具包括凸模和凹模；
其中，凸模中的型腔和凹模中的型腔相对设置，凸模和凹模呈上下方向设置，成形模具四周设置有加热装置，凸模或凹模与超声波振子相连，超声波振子与设置在加热装置外的超声波发生器相连。
4.如权利要求3所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，所述的凸模外连接有凸模动力装置，当凸模与超声波振子相连时，凸模动力装置通过法兰盘先与超声波振子相连。
5.如权利要求3所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，所述的超声波振子与凸模或凹模通过螺纹连接。
6.如权利要求3所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，所述的加热装置内设置有加热元件和热电偶。
7.如权利要求3所述的温热环境下超声振动辅助钛合金板材成形的方法，其特征在于，所述的成形模具，加热装置，超声波发生器均设置在装置工作平台上方，超声波振子位于凸模或凹模的上方/下方，超声波振子和超声波发生器通过转换器连接。
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