CN108856441B - 一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，涉及一种金属管材成形方法。要解决现有热态介质内高压成形方法存在加热速率低、导热系数低、密封困难、成形压力仅能达到0～50MPa左右的问题。方法：一、根据管材种类确定管材内高压成形温度区间；二、根据管材内高压成形温度，选择玻璃材料；三、将待成形的管材预热；四、将管坯竖直放入成形用模具中，合模，密封；五、将玻璃材料加热得到熔融态玻璃；六、玻璃介质注入密封管坯内部；七、管坯在高温装填下被加热至内高压成形温度；八、补料；九、保压，将熔融态玻璃通过溢流阀流出，开模，得到成形后的异形截面管材零件。本发明用于内高压成形领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属管材成形方法。
背景技术
随着现代飞行器在高速、高机动性能方面要求的不断提高，对构件的轻量化、长寿命等指标提出了越来越高的要求。同时减轻汽车、飞机的自重是减少能源消耗和污染排放的措施之一。轻量化主要途径是采用轻质材料和轻体结构。轻质材料包括铝合金、镁合金、钦合金和复合材料等。轻体结构主要形式包括整体结构、薄壳和空心变截面。这种材料大多室温变形能力较差，延伸率一般都小于10％～15％，常温条件下用传统的成形工艺难以成形复杂截面形状的零件，这极大地制约了其广泛应用。目前，主要采用热态成形方法来成形此类材料，即将待成形的坯料加热到合适的温度后再进行成形，铝合金、镁合金材料在中等温度区间200℃～400℃范围内的成形性能可以得到显著的提高，钛合金材料在750℃～850℃的高温条件下塑性变形能力显著增强。
目前，轻质合金管状构件热成形的工艺方法主要是采用液体、气体作为传力介质的内高压成形技术，按照加热温度的不同可将成形工艺分为温热成形(warm forming)和热态成形(hot forming)，在温热条件下(低于300℃，可用专用的耐热油作为压力介质，坯料和压力介质都需要加热到指定的温度。在超过300℃以后，由于现有耐热油都将无法工作，此时需要采用压缩气体等其他耐高温的介质。提高成形温度的另一主要作用是可以降低材料的变形抗力，从而可在较低的压力下完成零件的成形。适用于于钛合金、高强钢等强度很高的材料，成形温度达到900℃甚至超过1200℃。但压缩气体作为热态传力介质，存在加热速率低、导热系数低、密封困难、成形压力仅能达到0～50MPa左右等缺点，因此气体介质的使用条件较为苛刻。
发明内容
本发明是要解决现有热态介质内高压成形方法存在加热速率低、导热系数低、密封困难、成形压力仅能达到0～50MPa左右的问题，提供一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法。
本发明基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，包括以下步骤：
步骤一、根据管材种类确定管材内高压成形温度区间；
步骤二、根据管材内高压成形温度，选择玻璃材料，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；
步骤三、将待成形的管材置于感应加热器中，利用感应加热进行快速预热，得到管坯；其中预热温度比管材内高压成形温度低100～300℃；
步骤四、成形用模具包括左模具和右模具，将左模具和右模具放入热态内高压成形装置中液压机的液压缸内左右两侧，将管坯竖直放入成形用模具中，合模，并对管坯两端进行密封；
步骤五、将步骤二的玻璃材料放入热态内高压成形装置的玻璃电熔炉中进行电阻加热，经均质化后得到均匀的熔融态玻璃；其中加热温度为管材内高压成形温度；
步骤六、然后启动液压泵和增压器，高温状态下的熔融态玻璃介质以竖直的轴向角度匀速注入密封管坯内部；
步骤七、随着管坯内熔融态玻璃的充填，管坯在高温装填下被加热至内高压成形温度，内部压力增大使管坯发生屈服并贴合模具；
步骤八、随着管坯的不断贴膜，液压机闭环伺服系统控制上油缸下行，管坯的材料流失部分进行轴向补料；
步骤九、管坯完全贴合模具内壁后，保压30～50s后，将熔融态玻璃通过溢流阀流出，进行开模，得到成形后的异形截面管材零件。
步骤一中根据管材种类确定管材内高压成形温度区间的方法为：
在不同的温度下，针对管材进行拉伸试验，得到不同温度下的应力应变曲线，由应力应变曲线得到不同温度下管材的延伸率，从而确定最佳成形温度区间。
管坯在放入模具之前，对模具进行预热。
步骤二中通过调整玻璃材料中的原料配比改变玻璃材料的融化温度区间Tg，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；具体是通过提高原料中二氧化硅和三氧化二硼的配比来改变玻璃材料的融化温度。
步骤二中所述的玻璃材料电熔炉，技术参数为：最高加热温度1200～1800℃，常规炉膛尺寸200*150*150～400*300*300mm，炉膛内置搅拌杆，工作电压220V/380V，热电偶采用K型(测温区间0～1200℃)或S型(测温区间0～1600℃)，加热元件为镍铬合金电阻丝、硅碳棒、硅钼棒，控温精度±1℃，升温速率20～50℃，电熔炉后侧有氧化铝陶瓷纤维管道，将融制好的液态玻璃导入液压泵的保温储藏箱备用。
步骤三中所述感应加热装置由薄壁紫铜管绕制而成，包含有进水及出水管路，管坯与感应加热器工作间隙为8～10mm，管件厚度与电流密度集中层厚度一致为0.5～5mm，根据管件的厚度输入中频或高频交流电，中频交流电频率为1K～10KHZ，高频交流电频率为200K～300KHZ，感应加热时间为2～5s。
步骤四和五中的热态内高压成形装置包括玻璃电熔炉、增压器、液压机、液压泵、闭环伺服控制台和卸荷回流设备；所述玻璃电熔炉通过氧化铝陶瓷纤维管道与增压器相连，增压器的一个出口通过液压泵与液压机相连，增压器的另一个出口通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机上冲头中的补液增压管路相连，闭环伺服控制台与液压泵相连，卸荷回流设备通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机下冲头中的泄压阀管路相连。
步骤四中对管坯两端进行密封的方法为：针对薄壁管坯采用耐热密封圈形式进行密封，针对厚壁管坯利用上冲头和下冲头由两端对管坯施加轴向压力进行密封。
步骤六中通过氧化铝陶瓷纤维管将熔融态玻璃注入密封管坯内部。
本发明采用液态玻璃介质，实现了液态介质的高温内高压成形。
本发明的有益效果：
1、本发明内高压成形过程中所采用的热态介质为熔融态玻璃，液态玻璃介质同样可获得等静压条件，它的压缩率比较低，技术上容易实现，液态玻璃的加热温度可以达到750℃～1500℃，既可以满足高强钢的成形温度工艺要求，也可以保证成形过程内压达到 0～250MPa。
2、在内高压成形过程中，热态介质对管件的加热方式为热传导，常用气体介质的传热系数普遍为0.015～0.17W/(m·k)，而液态玻璃的导热系数可以达到1.47～1.7W/(m·k)，因此液态玻璃介质具有更优异的导热性能。在内高压成形工艺过程中，管坯经预热后置于模具内部并充入高温热态介质，管材的后续加热将通过热介质的热传导来实现，使用高温液态玻璃可以显著提高管材的加热速率，节省加热过程的时间，提高整体成形效率。不同的管材与介质间的传热系数差别很大，例如多数钛合金比铝合金传热系数低14倍以上，且随温度升高，管材导热系数逐渐减小，因此介质的传热能力在加热过程中起到了关键作用，总结起来，根据管材的材料的不同，此方法普遍可以节约一半以上的加热时间。
3、液态玻璃介质在管材内高压成形工艺过程中处于等静压状态，随着压力的增大，熔融态玻璃具有一定的黏度，黏度值η＝1～10pa·s，在不影响流动性的前提下，一定的黏度使得液态玻璃具有了粘性介质的效果，在高温高压条件下，液态玻璃介质使管材发生屈服并胀形，随着变形的不断进行，补料区不断增厚，管材与模具的摩擦系数增大，使得成形变得困难，随着液态玻璃的流动，在具有一定黏度的液态玻璃和金属管材之间形成了一定的摩擦力，促进了管材向着材料流动的方向发生塑性变形，提高了成形工艺性。
4、当对不同材料的管材进行成形时，需要根据管材的最佳成形温度区间调整热态介质的加热温度，此方法可以通过调整玻璃原材料的配料比改变玻璃材料的融化温度区间Tg，以适应管材的温度工艺要求，通过提高玻璃原材料中二氧化硅和三氧化二硼的配比可以显著提高玻璃材料的融化温度Tg，融化温度区间可以达到750℃～1500℃，提高了热态内高压成形的工艺柔性。
5、在高温高压条件下，液态玻璃介质具有热稳定性、绝热性、一定的流动性，在经过均质化处理后，液态玻璃分子具有各向同性，分子排列在空间中具有统计均匀性，使得成形过程中管材各处收到均匀的内压作用，受力无取向性，不存在载荷突变和集中现象，利于提高管材的成形极限和精确性。根据管材的不同，可普遍提高50～100％的成形极限，成形均匀性良好。
6、玻璃材料在加热过程中需经历转化温度Tg，也称软化点温度，随温度升高不断软化直至融化温度Ts完全融化，此过程玻璃材料无新相生成，不存在性能突变，因此具有较好的过程可控性，利于结合管材的成形工艺曲线，且玻璃材料有Tg至Ts的加热过程具有可逆性，成形结束后经溢流阀流出的玻璃材料可循环利用，在节省成本的同是减少了废料污染。
7、管材的预热采用了感应电流加热，工件放在由薄壁紫铜管绕成的感应器中，当感应器通入一定频率的交流电时，在感应器的内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，受电流交变磁场的作用，工件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流，电流在工件内自成回路。由于高频感应电流具有集肤效应(涡流强度集中在工件表面，内层逐渐减小)，且钢本身的电阻在感应电流作用下产生热效应，使工件表面电流密度集中层在几秒钟内快速加热到预热温度(约100℃)，电流密度由管材外层至内部产生了一定的梯度，使得管材内外层产生了一定的温度梯度，而高温液态玻璃的介质通过热传导方式对管材进行加热，加热顺序由内层至外层，感应加热的温度梯度弥补了热态介质热传导的温度梯度，避免了内外层温度不一致、外层晶粒粗大，使管材可以在等温条件下成形，避免在内高压成形过程中形成起皱、屈曲、破裂等缺陷，且感应加热速度快，加热时间很短，一般只需几秒至几十秒即可完成，因此表面晶粒细，热效率高，生产率高；加热层深度易于控制可通过控制电流频率来控制淬硬层深度。
8、本发明方法适用于高强钢、超高强钢等需要在高温高压条件下进行成形的管材，成形过程的工艺柔性好，成形精度高，可一次性整体成形出大膨胀率的异形截面管件，成形的整体性和均匀性使得成形零件性能优异。
附图说明
图1为本发明方法中所用热态内高压成形装置的结构示意图，其中1为玻璃电熔炉， 2为液压箱及增压器，3为液压缸，4为液压机上横梁，5为上滑块，6为液压机机架，7 为左模具垫板，8为左液压缸，9为工作台，10为底座，11为上冲头垫板，12为右模具垫板，13为右液压缸，14为液压泵，15为闭环伺服控制台，16为卸荷回流设备；
图2为成形模具和管坯初始状态的剖视图；其中17为下冲头，18为电阻加热环，19为左模具，20为补液增压管路，21为上冲头，22为耐高温密封圈，23为温度传感器，24 为高温液态玻璃介质，25为右模具，26为待成形工件，27为泄压阀管路；
图3为一种热态介质内高压成形模具和管坯终了状态的剖视图。
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组合。
具体实施方式一：本实施方式基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，包括以下步骤：
步骤一、根据管材种类确定管材内高压成形温度区间；
步骤二、根据管材内高压成形温度，选择玻璃材料，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；
步骤三、将待成形的管材置于感应加热器中，利用感应加热进行快速预热，得到管坯；其中预热温度比管材内高压成形温度低100～300℃；
步骤四、成形用模具包括左模具和右模具，将左模具和右模具放入热态内高压成形装置中液压机的液压缸内左右两侧，将管坯竖直放入成形用模具中，合模，并对管坯两端进行密封；
步骤五、将步骤二的玻璃材料放入热态内高压成形装置的玻璃电熔炉中进行电阻加热，经均质化后得到均匀的熔融态玻璃；其中加热温度为管材内高压成形温度；
步骤六、然后启动液压泵和增压器，高温状态下的熔融态玻璃介质以竖直的轴向角度匀速注入密封管坯内部；
步骤七、随着管坯内熔融态玻璃的充填，管坯在高温装填下被加热至内高压成形温度，内部压力增大使管坯发生屈服并贴合模具；
步骤八、随着管坯的不断贴膜，液压机闭环伺服系统控制上油缸下行，管坯的材料流失部分进行轴向补料；
步骤九、管坯完全贴合模具内壁后，保压30～50s后，将熔融态玻璃通过溢流阀流出，进行开模，得到成形后的异形截面管材零件。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述管材为钛合金、铝镁合金或高强钢管。其它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：步骤一中根据管材种类确定管材内高压成形温度区间的方法为：
在不同的温度下，针对管材进行拉伸试验，得到不同温度下的应力应变曲线，由应力应变曲线得到不同温度下管材的延伸率，从而确定最佳成形温度区间。其它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：步骤二所述玻璃材料为粉末状。其它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：步骤二中所述的玻璃材料电熔炉，技术参数为：最高加热温度1200～1800℃，常规炉膛尺寸200*150*150 ～400*300*300mm，炉膛内置搅拌杆，工作电压220V/380V，热电偶采用K型(测温区间0～1200℃)或S型(测温区间0～1600℃)，加热元件为镍铬合金电阻丝、硅碳棒、硅钼棒，控温精度±1℃，升温速率20～50℃，电熔炉后侧有氧化铝陶瓷纤维管道，将融制好的液态玻璃导入液压泵的保温储藏箱备用。其它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：步骤三中所述感应加热装置由薄壁紫铜管绕制而成，包含有进水及出水管路，管坯与感应加热器工作间隙为8～10mm，管件厚度与电流密度集中层厚度一致为0.5～5mm，根据管件的厚度输入中频或高频交流电，中频交流电频率为1K～10KHZ，高频交流电频率为200K～300KHZ，感应加热时间为2～5s。其它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：步骤二中通过调整玻璃材料中的原料配比改变玻璃材料的融化温度区间Tg，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；具体是通过提高原料中二氧化硅和三氧化二硼的配比来改变玻璃材料的融化温度。其它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：步骤四和五中的热态内高压成形装置包括玻璃电熔炉、增压器、液压机、液压泵、闭环伺服控制台和卸荷回流设备；所述玻璃电熔炉通过氧化铝陶瓷纤维管道与增压器相连，增压器的一个出口通过液压泵与液压机相连，增压器的另一个出口通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机上冲头中的补液增压管路相连，闭环伺服控制台与液压泵相连，卸荷回流设备通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机下冲头中的泄压阀管路相连。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中对管坯两端进行密封的方法为：针对薄壁管坯采用耐热密封圈形式进行密封，针对厚壁管坯利用上冲头和下冲头由两端对管坯施加轴向压力进行密封。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六中通过氧化铝陶瓷纤维管将熔融态玻璃注入密封管坯内部。其它与具体实施方式一至九之一相同。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
结合图1至图3说明本实施例，本实施例TA18钛合金管材热态介质内高压成形方法，包括以下步骤：
步骤一、确定钛合金管材的内高压成形温度区间为750～850℃；钛合金管材在常温及温热条件下延伸率极低，不易成形大膨胀率的异形截面管件。
步骤二、根据管材内高压成形温度，选择玻璃材料，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；所述玻璃材料按质量百分比由75.5％二氧化硅、4％三氧化二硼、2.5％三氧化二铝、10％氧化钙、2％氧化镁、3％氧化钠和3％氧化钾制成。
步骤三、将待成形的管材置于感应加热器中，利用感应加热进行快速预热，在5s预热到500℃，得到管坯；同时通过图2中的电阻加热环对成形模具加热至750～850℃，模具内带有温度传感器对加热过程进行监测和控制；
步骤四、成形用模具包括左模具和右模具，将左模具和右模具放入热态内高压成形装置中液压机的液压缸内左右两侧，将管坯竖直放入成形用模具中，合模，并对管坯两端进行密封；本实施例中，管材厚度1.5mm，直径32mm，属于薄壁管，因此选择耐热密封圈结合冲头加压的方式进行密封；
步骤五、将步骤二的玻璃材料放入电加热熔炉中进行电阻加热，经均质化后得到均匀的熔融态玻璃；其中加热温度为750～850℃；
步骤六、然后启动液压泵和增压器，高温状态下的熔融态玻璃介质以竖直的轴向角度过图2上冲头中的补液增压管路匀速注入密封管坯内部；
步骤七、随着管坯内熔融态玻璃的充填，管坯在高温装填下被加热至内高压成形温度 750～850℃，内部压力增大使管坯发生屈服并贴合模具；
步骤八、随着管坯的不断贴膜，液压机闭环伺服系统控制上油缸下行，管坯的材料流失部分进行轴向补料；
步骤九、管坯完全贴合模具内壁后，保压30～50s后，将熔融态玻璃通过溢流阀流出，进行开模，得到成形后的异形截面管材零件。
步骤四和五中的热态内高压成形装置包括玻璃电熔炉1、增压器2、液压机、液压泵14、闭环伺服控制台15和卸荷回流设备16；所述玻璃电熔炉1通过氧化铝陶瓷纤维管道与增压器2相连，增压器2的一个出口通过液压泵14与液压机相连，增压器2的另一个出口通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机上冲头21中的补液增压管路20相连，闭环伺服控制台15与液压泵14相连，卸荷回流设备16通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机下冲头17 中的泄压阀管路27相连。
本实施例采用TA18钛合金管件，管内径32mm，壁厚1.5mm，属于薄壁管，圆角R 为3mm，室温下TA18钛合金平均延伸率约为8.5％，屈服强度σs540MPa，抗拉强度σb628MPa，在加热至最佳成形温度区间后屈服强度和抗拉强度明显降低，通过本方法在 700～750℃进行胀形，应变率恒定为0.5S-1，液态玻璃介质提供88～112MPa的内压，轴向补料深度约为2mm，钛合金管与模具间的摩擦系数μ为0.1～0.5，得到平均延伸率在17％～20％内径37～38mm的变截面管件，径向减薄率控制在10％以内，并通过感应加热结合熔融态玻璃优异的导热性能，有效节省加热时间80～90％。
Claims (8)
1.一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于该成形方法，包括以下步骤：
步骤一、根据管材种类确定管材内高压成形温度区间；
步骤二、根据管材内高压成形温度，选择玻璃材料，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；
步骤三、将待成形的管材置于感应加热器中，利用感应加热进行快速预热，得到管坯；其中预热温度比管材内高压成形温度低100～300℃；
步骤四、成形用模具包括左模具和右模具，将左模具和右模具放入热态内高压成形装置中液压机的液压缸内左右两侧，将管坯竖直放入成形用模具中，合模，并对管坯两端进行密封；
步骤五、将步骤二的玻璃材料放入热态内高压成形装置的玻璃电熔炉中进行电阻加热，经均质化后得到均匀的熔融态玻璃；其中加热温度为管材内高压成形温度；
步骤六、然后启动液压泵和增压器，高温状态下的熔融态玻璃介质以竖直的轴向角度匀速注入密封管坯内部；
步骤七、随着管坯内熔融态玻璃的充填，管坯在高温装填下被加热至内高压成形温度，内部压力增大使管坯发生屈服并贴合模具；
步骤八、随着管坯的不断贴膜，液压机闭环伺服系统控制上油缸下行，管坯的材料流失部分进行轴向补料；
步骤九、管坯完全贴合模具内壁后，保压30～50s后，将熔融态玻璃通过溢流阀流出，进行开模，得到成形后的异形截面管材零件。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤一所述管材为钛合金、铝镁合金或高强钢管。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤一中根据管材种类确定管材内高压成形温度区间的方法为：
在不同的温度下，针对管材进行拉伸试验，得到不同温度下的应力应变曲线，由应力应变曲线得到不同温度下管材的延伸率，从而确定最佳成形温度区间。
4.根据权利要求3所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤二所述玻璃材料为粉末状。
5.根据权利要求3所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤二中通过调整玻璃材料中的原料配比改变玻璃材料的融化温度区间Tg，使玻璃材料的融化温度与管材内高压成形温度相同；具体是通过提高原料中二氧化硅和三氧化二硼的配比来改变玻璃材料的融化温度。
6.根据权利要求3所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤四和五中的热态内高压成形装置包括玻璃电熔炉、增压器、液压机、液压泵、闭环伺服控制台和卸荷回流设备；所述玻璃电熔炉通过氧化铝陶瓷纤维管道与增压器相连，增压器的一个出口通过液压泵与液压机相连，增压器的另一个出口通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机上冲头中的补液增压管路相连，闭环伺服控制台与液压泵相连，卸荷回流设备通过氧化铝陶瓷纤维管道与液压机下冲头中的泄压阀管路相连。
7.根据权利要求6所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤四中对管坯两端进行密封的方法为：针对薄壁管坯采用耐热密封圈形式进行密封，针对厚壁管坯利用上冲头和下冲头由两端对管坯施加轴向压力进行密封。
8.根据权利要求7所述的一种基于熔融态玻璃的管材热介质内压成形方法，其特征在于：步骤六中通过氧化铝陶瓷纤维管将熔融态玻璃注入密封管坯内部。
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