CN108941304A - 一种管材半固态气压触变成形方法 - Google Patents

一种管材半固态气压触变成形方法 Download PDF

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Abstract

一种管材半固态气压触变成形方法，本发明涉及金属管材内部胀形工艺方法。本发明要解决现有管材加工方法存在管材的屈服强度及厚度不宜过高，无法应用于塑性较差的材料，且不适于形成复杂形状的零件，成形设备吨位大的问题。方法：一、将管材置于成形模具的型腔中并合模密封；二、加热管材至半固态温度保温；三、持续向管材内部气体，直至管材外壁贴合模具型腔；四、停止管材加热，排出气体；五、打开成形模具，从型腔中取出成形后的管材，即完成一种管材半固态气压触变成形方法。本发明用于管材半固态气压触变成形。

Description

一种管材半固态气压触变成形方法
技术领域
本发明涉及金属管材内部胀形工艺方法。
背景技术
管类结构具有高强度、高刚度、节省材料及外形美观的特点，且其成形加工性也很好。例如，除传统的车、铣、刨等机械切削方式外，管材还可以用冲裁、弯曲、缩(扩)口、胀形、翻转等塑性方法加工。以各种金属薄壁管材为主的中空截面型材，广泛应用在航空航天、车辆、石油化工、家具及交通运输等领域，特别在汽车、摩托车上，管材是除板材外使用最多的一类型材。
以管材为坯料，进行各种加工以得到制件，称为管材的二次加工，简称管材加工。传统上，管材加工主要包括弯曲、切割(以机械切削为主)以及胀形等。随着市场竞争的日益加剧、产品更新换代速度的加快，从根本上改造和提升传统管材加工水平，成为广大企业的当务之急。近年来管材成形技术得到了很大提高。一是出现了一些具有发展潜力的新型管材成形技术，二是由于数字技术与传统工艺的紧密结合，管成形方面从工艺工装设计、分析到设备都出现了很多新的内容。在压力作用下，使管坯沿径向局部或整体扩张的一种成形工艺。胀形的具体方法很多，若按所使用的模具分类，大致可分为刚模胀形和软模胀形。前者应用刚性分块式凸模实现胀形，仅适用于形状及尺寸精度要求不高的轴对称件成形。后者利用液体、气体或弹性体(如橡胶、石蜡、PVC)作为传压介质对管坯进行胀形，适合各种形状复杂的管件胀形。
半固态金属加工技术是利用半固态金属相当低的剪切应力以及很好的流动性的特点，将这种既非完全液态，又非固态的金属加工成形的一种新型加工方法。半固态金属加工技术的成形工艺路线通常有两条：一条是经搅拌获得的半固态金属浆料，在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，通常被称为流变铸造；另一条是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，这称为触变成形。
目前对于管材而言，其主要成形的工艺方法是塑性加工方法，通过管材在常温或者高温下的固态塑性变形获得所需零件形状，如液体、固体或者气体内高压成形、电磁成形、超塑性成形等等。这些成形工艺方法针对管材的成形有一局限性，即管材的屈服强度不宜过高，否则这些固态塑性变形工艺难以实施，采用的方法主要有：管材的厚度不宜过高，仅为5mm以下、管材进行前期退火处理来降低变形抗力、增加内高压成形设备吨位等等，但效果有限。所以近年来出现了高温内高压成形，所采用的介质只能是气体介质，但对于某些塑性较差的材料或者复杂形状的零件仍然存在诸多局限。
发明内容
本发明要解决现有管材加工方法存在管材的屈服强度及厚度不宜过高，无法应用于塑性较差的材料，且不适于形成复杂形状的零件，成形设备吨位大的问题，因而提供一种管材半固态气压触变成形方法。
一种管材半固态气压触变成形方法是按以下步骤进行：
一、将管材置于成形模具的型腔中并合模，然后利用设有气体注入口的密封堵头及设有气体输出口的密封堵头将管材内部密封；
所述的管材厚度为1mm～10mm；
二、加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min；
三、通过气体注入口持续向管材内部注入压力为90MPa～150MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔；
四、停止管材加热，同时打开气体输出口的阀门，使气体排出；
五、打开成形模具，从型腔中取出成形后的管材，即完成管材半固态气压触变成形方法。
本发明的有益效果是：
本发明结合金属合金材料的半固态特性，提出了管材半固态气压触变成形工艺。即首先将挤压管材放置于模具中，管材通过内部或者外部加热的方式将管材加热到半固态温度，此时的管材由于再结晶形成了半固态球形微观组织结构；接着向管材内部充入高压气体，此时管材在气体的压力作用下充填模具型腔从而获得所需形状的管材零件。金属材料在半固态温度下，其内部组织处于固液共存状态，其屈服强度很低、流动性优异。此时通过气体的压力作用将模腔内处于半固态温度下的管材进行胀形，此时的管材即可充填模具型腔，因而可以成形形状复杂的管材零件，同时也可以利用较低吨位设备完成管材成形。
1、因半固态材料的低屈服强度，因而本方法可以实现较厚的管材(5mm～10mm)以及某些难变形管材的成形，如钛合金管材或镁合金管材；
2、因半固态材料的固液共存状态，使材料具有较强的流动性以及充填性，因而该工艺方法可以实现形状复杂管材零件的成形；
3、成形过程中，材料的变形抗力降低，因而所需吨位较低，设备投资较低。
4、成形后的管材能很好的贴合模具，避免了常规固态变形形成的回弹现象，成品率达到90％以上。
本发明用于一种管材半固态气压触变成形方法。
附图说明
图1为实施例一管材半固态气压触变成形前的结构示意图；1为成形模具，2为管材，3为电感加热线圈，4为设有气体注入口的密封堵头，5为设有气体输出口的密封堵头，4-1为气体注入口，5-1为气体输出口；
图2为实施例一管材半固态气压触变成形后的结构示意图；1为成形模具，3为电感加热线圈，4为设有气体注入口的密封堵头，5为设有气体输出口的密封堵头，4-1为气体注入口，5-1为气体输出口，6为成形后的管材。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种管材半固态气压触变成形方法是按以下步骤进行：
一、将管材置于成形模具的型腔中并合模，然后利用设有气体注入口的密封堵头及设有气体输出口的密封堵头将管材内部密封；
所述的管材厚度为1mm～10mm；
二、加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min；
三、通过气体注入口持续向管材内部注入压力为90MPa～150MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔；
四、停止管材加热，同时打开气体输出口的阀门，使气体排出；
五、打开成形模具，从型腔中取出成形后的管材，即完成管材半固态气压触变成形方法。
本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式结合金属合金材料的半固态特性，提出了管材半固态气压触变成形工艺。即首先将挤压管材放置于模具中，管材通过内部或者外部加热的方式将管材加热到半固态温度，此时的管材由于再结晶形成了半固态球形微观组织结构；接着向管材内部充入高压气体，此时管材在气体的压力作用下充填模具型腔从而获得所需形状的管材零件。金属材料在半固态温度下，其内部组织处于固液共存状态，其屈服强度很低、流动性优异。此时通过气体的压力作用将模腔内处于半固态温度下的管材进行胀形，此时的管材即可充填模具型腔，因而可以成形形状复杂的管材零件，同时也可以利用较低吨位设备完成管材成形。
1、因半固态材料的低屈服强度，因而本方法可以实现较厚的管材(5mm～10mm)以及某些难变形管材的成形，如钛合金管材或镁合金管材；
2、因半固态材料的固液共存状态，使材料具有较强的流动性以及充填性，因而该工艺方法可以实现形状复杂管材零件的成形；
3、成形过程中，材料的变形抗力降低，因而所需吨位较低，设备投资较低。
4、成形后的管材能很好的贴合模具，避免了常规固态变形形成的回弹现象，成品率达到90％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：步骤一中所述的管材为铝合金管材、钛合金管材、镁合金管材或钢材管件。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之一不同的是：步骤一中所述的管材厚度为5mm～10mm。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：步骤一中所述的管材厚度为5mm～8mm。其它与具体实施方式一至三相同。
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：步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～80％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min。其它与具体实施方式一至四相同。
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：步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为80％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min。其它与具体实施方式一至五相同。
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：步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～80％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min。其它与具体实施方式一至六相同。
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：步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为80％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温2min。其它与具体实施方式一至七相同。
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：步骤三中通过气体注入口持续向管材内部注入压力为90MPa～100MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔。其它与具体实施方式一至八相同。
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：步骤三中通过气体注入口持续向管材内部注入压力为100MPa～150MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
结合图1及图2具体说明本实施例，一种管材半固态气压触变成形方法是按以下步骤进行：
一、将管材置于成形模具的型腔中并合模，再将电感加热线圈置于管材内部，然后利用设有气体注入口的密封堵头及设有气体输出口的密封堵头将管材内部密封；
所述的管材为7075铝合金管材；所述的管材厚度为8mm；
二、利用管材内部的电感加热线圈加热管材至580℃，且管材内部的固相体积百分含量为75％时，保温8min；
三、通过气体注入口持续向管材内部注入压力为100MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔；
四、停止管材加热，同时打开气体输出口的阀门，使气体排出；
五、打开成形模具，从型腔中取出成形后的管材，同时取出电感加热线圈，即完成管材半固态气压触变成形方法。
本实施例制备的成形后的管材能很好的贴合模具，避免了常规固态变形形成的回弹现象，成品率达到96％。因半固态材料的低屈服强度，因而本实施例可以实现较厚的管材(8mm)成形；因半固态材料的固液共存状态，使材料具有较强的流动性以及充填性，因而该工艺方法可以实现形状复杂管材零件的成形；成形过程中，材料的变形抗力降低，因而所需吨位较低，设备投资较低。
实施例二：
一种管材半固态气压触变成形方法是按以下步骤进行：
一、将管材置于成形模具的型腔中并合模，再将电感加热线圈置于管材内部，然后利用设有气体注入口的密封堵头及设有气体输出口的密封堵头将管材内部密封；
所述的管材为Mg-Gd镁合金管材；所述的管材厚度为5mm；
二、利用管材内部的电感加热线圈加热管材至590℃，且管材内部的固相体积百分含量为80％时，保温10min；
三、通过气体注入口持续向管材内部注入压力为90MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔；
四、停止管材加热，同时打开气体输出口的阀门，使气体排出；
五、打开成形模具，从型腔中取出成形后的管材，同时取出电感加热线圈，即完成管材半固态气压触变成形方法。
本实施例制备的成形后的管材能很好的贴合模具，避免了常规固态变形形成的回弹现象，成品率达到93％。因半固态材料的低屈服强度，因而实施例可以实现较厚的管材(5mm)以及难变形管材的成形；因半固态材料的固液共存状态，使材料具有较强的流动性以及充填性，因而该工艺方法可以实现形状复杂管材零件的成形；成形过程中，材料的变形抗力降低，因而所需吨位较低，设备投资较低。

Claims (10)

1.一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于一种管材半固态气压触变成形方法是按以下步骤进行：
一、将管材置于成形模具的型腔中并合模，然后利用设有气体注入口的密封堵头及设有气体输出口的密封堵头将管材内部密封；
所述的管材厚度为1mm～10mm；
二、加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min；
三、通过气体注入口持续向管材内部注入压力为90MPa～150MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔；
四、停止管材加热，同时打开气体输出口的阀门，使气体排出；
五、打开成形模具，从型腔中取出成形后的管材，即完成管材半固态气压触变成形方法。
2.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤一中所述的管材为铝合金管材、钛合金管材、镁合金管材或钢材管件。
3.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤一中所述的管材厚度为5mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤一中所述的管材厚度为5mm～8mm。
5.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～80％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min。
6.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为80％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min～2min。
7.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为75％～80％时进行保温，每1mm厚度的管材保温1min。
8.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤二中加热管材至半固态温度，且管材内部的固相体积百分含量为80％～90％时进行保温，每1mm厚度的管材保温2min。
9.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤三中通过气体注入口持续向管材内部注入压力为90MPa～100MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔。
10.根据权利要求1所述的一种管材半固态气压触变成形方法，其特征在于步骤三中通过气体注入口持续向管材内部注入压力为100MPa～150MPa的气体，直至管材外壁贴合模具型腔。
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