CN109482690A - 一种难变形材料异形截面管件的电流辅助辊压成形方法 - Google Patents

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Abstract

难变形材料异形截面管件电流辅助辊压成形方法，属于难变形金属材料管类零件成形技术领域，具体涉及一种钛合金、Ti2AlNb基金属间化合物和高强铝合金等难变形材料异形截面管件成形方法。本发明的目的是要解决现有难变形材料异形截面管件难成形、设备复杂昂贵、效率低、能耗大的问题。所述方法包括在难变形金属中通入一定频率的电流，改善材料的塑性变形性能，降低流动应力，更易于进行塑性加工。所述装置是一种类似四轴滚弯和压弯的复合结构，通过改变上下辊轴在竖直方向上的位移来获得不同角度V型角截面，通过在不同角度的连续加工，获得有一定截面形状的管件。优点：易于自动控制、提高效率、降低成本、成形质量高、能加工不同截面形状的管件。

Description

一种难变形材料异形截面管件的电流辅助辊压成形方法
技术领域
本发明属于难变形金属材料管类零件成形技术领域，具体涉及一种利用电致塑性效应对难变形材料的管件通过采用多轴滚弯和压弯结合的方法进行加工成形，获得具有异形截面的管类零件的方法。
背景技术
在机械零件中管类零件是一种非常重要的零件种类，具有材料种类繁多，形状复杂，成形方式多样等特点。随着管类零件的使用与发展，对管类零件的性能提出了更高的要求，如：轻量化、高强度、耐受一定的温度等。钛合金、金属间化合物和高强铝合金等材料具有密度低、比强度高等优异的性能，而其成形构件也可在一定的高温环境下长时使用，如：常用钛合金可在400℃-600℃长时使用、Ti2AlNb基金属间化合物可在600℃-750℃长时使用。因此，钛合金、金属间化合物和高强铝合金等适合用于制造高性能管类零件，在航空、航天飞行器及汽车制造等领域广泛应用。然而，这些材料具有塑性较低、回弹较大、难变形等缺点，导致此类难变形材料管类零件成形难度大。另外，在成形过程中，可能改变或破坏原材料的微观组织，从而恶化成形管类零件的使用性能。因此，亟需开发一种能够高效率、低成本地制造钛合金等难变形材料管类零件的成形方法。
针对异形截面管类零件的加工成形方法，已有一定的研究成果。
方锦荣等人的专利CN102527788A叙述了一种弯曲变截面管件的成形方法及液压压弯装置，该专利的特点是通过液压介质提供对管件的支承力，从而实现对变截面或截面形状复杂的管件进行弯曲的目的。然而，由于需要复杂的液压回路，因此需要保证回路的密闭性，回路容易发生泄漏。另外，该方法具有工艺复杂、生产准备时间长、生产效率低等缺点。
郭铁虎等人的专利CN201913147U叙述了一种双工位变截面异形管件胀形机，该发明的特点在于胀形机将补料油缸固定至上模具两侧，可以有效减小油缸的体积和工作封闭容腔，提高伺服控制精度，达到快速响应和精确定位的目的。但是，这种加工方式需要与所加工形成零件的截面形状相一致的模具，使得加工成本高昂。
目前国内外针对钛合金等难变形金属常用的加工成形方法是加热后进行成形，利用加热后材料的塑性在一定程度上提升的特性，通过加热模具或者加热原材料后进行加工成形。通常采用的加热方式为加热体与模具或原材料不接触，依靠加热体的热效应、通过热传导为主要方式传递热量。因此，这种成形方法往往具有加热时间长、温度难控制、能耗大、生产效率低等缺点，难以进行大规模的生产。同时，该成形方法加热设备往往复杂而昂贵，对含有活泼金属元素的钛合金、Ti2AlNb基金属间化合物、高强铝合金等难变形材料，还需要有冷却系统、真空和气体保护等装置，不仅增加了设备安全性隐患、还容易污染环境。此外，由于长时间加热，易发生晶粒的异常长大、降低使用性能。
利用电流的焦耳热效应将电能转变成热能以加热物体，是电能的另一种利用形式。与常规加热方法相比，电致热能在被加热物体内部直接产生，因而热效率高、升温速度快，并可根据加热的工艺要求，实现整体均匀加热或局部加热。同时，易于实现温度的自动控制和远距离控制。另外，脉冲电流加热产生的废气、残余物和烟尘少，可保持被加热物体的洁净，不污染环境。更重要的，对于难变形合金材料，由于脉冲电流产生的高温能够降低位错密度，提高位错的可动性，因此可以明显减小材料的流动应力，提高材料的塑性、进而改善成形能力。此外，由于加热时间短，能够获得更细小、更均匀的再结晶组织和更低的位错密度，使材料的力学性能明显提高，不易发生侧缘开裂、破口等缺陷，还避免氧化和吸气，因此成形工艺大大简化，免除了常规工艺中要求的真空和气体保护等条件。
综上所述，针对钛合金、金属间化合物、高强铝合金等难变形材料异形截面管类零件制造成形技术瓶颈，本发明提出一种既简化成形工艺、又能解决钛合金等难变形材料加工过程中加热效率低、易氧化、加热设备复杂且昂贵等问题的电流辅助辊压成形新方法。该方法在改善难变形材料成形及使用性能的基础上，还具有生产效率高、易实现自动化等优点，适用于难变形材料异形截面管件的批量生产。
发明内容
本发明的目的是提出一种难变形材料异形截面管件的电流加热辅助辊压成形方法。根据电致塑性效应，在钛合金等难变形金属中通入一定频率的电流能够明显改善材料的塑性变形能力，降低流动应力，使其更易于进行塑性加工。本发明所描述的装置是一种类似四轴滚弯和压弯的复合结构，采用了四轴滚弯和压弯结合的成形工艺，利用六个辊轴的滚弯作用并通过改变上下辊轴在竖直方向上的位移来实现的压弯作用/进而获得不同角度的V型角截面，对管件进行加工，通过在不同角度连续加工，从而获得具有一定截面形状的管件。
本发明具体实施方法包括以下步骤：
(1)将由难变形材料制成的原始管件坯料放置在下辊轴2、4、5上，调整左右端的上下辊轴5、8和2、9在水平方向上和竖直方向上的位移，使管件被左右辊轴夹紧，并且调整中间上下辊轴3、4的高度，使管件能够较好地被多个辊轴牢固夹紧。
(2)闭合电路开关，使脉冲电流经过左右侧辊轴、流经管件需要变形的部分，并经过中间的下辊轴，形成通电回路。根据对金属材料塑性改善的要求，通电一定的时间，使脉冲电流通过焦耳热效应加热管件，并且结合电致塑性效应的作用，使管件的加工性能处于最佳状态，改善材料的塑性变形能力，减少其流动应力，提高其加工成形性能。
(3)根据管件最终所需成形截面的形状要求，控制中间的上下两辊轴3、4一同运动，改变竖直方向上的位移，起到类似压弯的作用，使管件发生变形、截面变化。
(4)打开电路开关，抬起上辊轴8、3、9，将已经变形的管件按照所需成形截面的要求旋转一定角度，并重新调整左、中、右端的下辊轴5、4、2，改变竖直方向和水平方向的位移，与管件接触。调整所有上辊轴的位置，使管件如步骤(1)中一样被夹紧，然后重复步骤(2)、(3)。
(5)打开电路开关，抬起所有上辊轴，取下按照设计要求发生了变形、具有一定截面形状的管件，即获得具有异形截面的成形管件。
本发明采用了新型的电流加热辅助成形技术，利用金属材料通电后产生的热效应及电致塑性效应进行难变形材料异形截面管类零件的加工成形。总体而言，本发明提出的技术方案与现有成形技术相比，具有以下优点：
(1)利用在难变形金属材料中通入脉冲电流产生的电致塑性效应，提高了难变形材料的塑性变形能力，降低流动应力，提高了成形性能，在一定程度上解决了现有技术中难变形金属难以加工成形的问题。
(2)本发明生产设备结构简单，工艺简便，同时省去了现有工艺中的模具等结构，大大降低了生产成本，无需加热炉，生产过程更安全可靠、节能环保。
(3)本发明由于利用了电致塑性效应来改善材料的加工性能，因此具有更高的生产效率，同时可以有效减少成形零件的回弹，省去了后续校形的工艺过程。
管件截面成形是由上下辊轴的下压量控制，因此本方法容易实现自动化成形，采用数控设备来控制上下辊轴，提高成形的精度。同时由于辊轴下压量与左右辊轴的水平方向位置可调，故本方法还具有高度的加工柔性。
附图说明
图1是本发明提出的方法所需要的成形装置示意简图。
图2是本发明提出的方法在进行成形时的第一个步骤的成形示意简图。
图3是本发明提出的方法在进行成形时的第二个步骤的成形示意简图。
图4是本发明提出的方法在进行成形时的第三个步骤的成形示意简图。
图5是本发明提出的方法在进行成形时的第五个步骤的成形示意简图。
图6是本发明提出的方形成形步骤全部结束之后获得的成品管件的截面示意图。
图7是本发明实施例一的成形结构模拟示意图。
图8是本发明实施例一的管件上的温度场分布模拟结果示意图。
图9是本发明实施例一的管件上的温度场分布模拟环向位置选取示意图。
图10是本发明实施例一中所取环向位置的温度分布模拟示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、实施步骤以及本发明的优点阐述的更加具体清晰，故结合附图作详细说明。
如图1所示，本发明提出的方法需要的成形装置主要包括以下部分：1为需要成形的原始管件坯料；2为右端可以在竖直方向和水平方向改变位置并且连接电路的下辊轴；3为中间可以在竖直方向改变位置的上辊轴；4为中间可以在竖直方向改变位置并且连接电路的下辊轴；5为左端可以在竖直方向和水平方向改变位置并且连接电路的下辊轴；6为可以产生一定强度的脉冲电流的交流电源；7为电路中的开关，8为左端可以在竖直方向和水平方向改变位置的上辊轴，9为右端可以在竖直方向和水平方向改变位置的下辊轴。
当对难变形材料制成的管件坯料进行成形时，主要包括以下步骤：
(1)如图2所示，将原始管件1放置在中间的上辊轴3与下辊轴4之间，使上辊轴3插入管件1内部，调整上辊轴3的高度，使上辊轴3与下辊轴4将管件1夹紧，然后调整左右两侧的小辊轴8、9，使四个辊轴分别在左右方向将原始管件夹紧。
(2)如图3所示，闭合电路开关7，使交流电源6产生的具有一定强度的脉冲电流流经开关7，经过左侧辊轴5与右侧辊轴2，管件1和下辊轴4，最终流回交流电源，构成通电回路。通电一段时间，通过电致塑性效应来提高管件坯料主要变形区域的塑性，改善成形性能。
(3)如图4所示，使上辊轴3和下辊轴4同时下移一段距离，起到类似压弯的效果，使管件坯料在通电后塑性获得一定程度改善的区域发生塑性变形，形成“V”型弯的形状。
(4)如图5所示，打开电路开关7后退开各个辊轴，取下已经成形至一定形状的管件，在另一需要成形的角度上重新安放管件，重复步骤(2)与步骤(3)，使管件在另一个角度上发生变形。
(5)如图6所示，分别在管件1的不同角度上进行压弯成形后，打开电路开关7，取下成形后的管件1，即可获得具有所需截面形状的难变形材料异形截面管件。
实施例一：对于成分Ti质量百分比94.5％、Al质量百分比3％、V质量百分比2.5％的钛合金，原始管件外径200mm，壁厚5mm，长度1100mm，中间辊轮直径40mm，两侧辊轮直径22mm，成形结构模拟示意图如图7所示。将原始管件1放置在中间的上辊轴3与下辊轴4之间，使上辊轴3插入管件1内部，调整上辊轴3的高度，使上辊轴3与下辊轴4将管件1夹紧，然后调整左右两侧的小辊轴8、9，使四个辊轴分别在左右方向将原始管件夹紧。闭合电路开关7，使交流电源6产生的脉冲电流(电流密度12A/mm2)流经开关7，经过左侧辊轴5与右侧辊轴 2，管件1和下辊轴4，构成通电回路。通电52.3秒，使原始管件成形区域温度升高至 700-850℃，管件上的温度场分布模拟结果如图8所示。上辊轴3和下辊轴4同时下移一段距离，使管件坯料在通电后发生变形。管件上的温度场分布模拟环向位置选取示意图如图9所示，管件上图9中所取环向位置的温度分布模拟结果如图10所示。随着辊轮的移动，由于电流加热的高效率，辊轮运动轨迹上前一时刻辊轮所处位置的温度会迅速升高。打开电路开关 7后退开各个辊轴，取下已经成形至一定形状的管件，在另一需要成形的角度上重新安放管件，使管件在另一个角度上发生变形。最终成形后，打开电路开关7，取下成形后的管件1，即可获得具有所需截面形状的钛合金材料异形截面管件。
实施例二：对于成分Ti原子百分比53.5％、Al原子百分比22％、Nb原子百分比24％、Mo原子百分比0.5％的Ti2AlNb基金属间化合物，原始管件外径200mm，壁厚5mm，长度1100mm，中间辊轮直径40mm，两侧辊轮直径22mm。将原始管件1放置在中间的上辊轴3与下辊轴4之间，使上辊轴3插入管件1内部，调整上辊轴3的高度，使上辊轴3与下辊轴4将管件1夹紧，然后调整左右两侧的小辊轴8、9，使四个辊轴分别在左右方向将原始管件夹紧。闭合电路开关7，使交流电源6产生的脉冲电流(电流密度10A/mm2)流经开关7，经过左侧辊轴5与右侧辊轴2，管件1和下辊轴4，构成通电回路。通电45.6秒，使原始管件成形区域温度升高至900-970℃。上辊轴3和下辊轴4同时下移一段距离，使管件坯料在通电后发生变形。打开电路开关7后退开各个辊轴，取下已经成形至一定形状的管件，在另一需要成形的角度上重新安放管件，使管件在另一个角度上发生变形。最终成形后，打开电路开关7，取下成形后的管件1，即可获得具有所需截面形状的Ti2AlNb基金属间化合物异形截面管件。
实施例三：对于成分Al质量百分比86.05％、Zn质量百分比8.9％、Mg质量百分比2.6％、Cu 质量百分比2.3％、Zr质量百分比0.15％的高强铝合金，原始管件外径200mm，壁厚5mm，长度1100mm，中间辊轮直径40mm，两侧辊轮直径22mm。将原始管件1放置在中间的上辊轴3 与下辊轴4之间，使上辊轴3插入管件1内部，调整上辊轴3的高度，使上辊轴3与下辊轴 4将管件1夹紧，然后调整左右两侧的小辊轴8、9，使四个辊轴分别在左右方向将原始管件夹紧。闭合电路开关7，使交流电源6产生的脉冲电流(电流密度30A/mm2)流经开关7，经过左侧辊轴5与右侧辊轴2，管件1和下辊轴4，构成通电回路。通电72.9秒，使原始管件成形区域温度升高至300-360℃。上辊轴3和下辊轴4同时下移一段距离，使管件坯料在通电后发生变形。打开电路开关7后退开各个辊轴，取下已经成形至一定形状的管件，在另一需要成形的角度上重新安放管件，使管件在另一个角度上发生变形。最终成形后，打开电路开关7，取下成形后的管件1，即可获得具有所需截面形状的高强铝合金异形截面管件。

Claims (8)

1.一种难变形材料异形截面管件的电流辅助辊压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钛合金、Ti2AlNb基金属间化合物和高强铝合金等难变形材料的原始管件放置在左右下辊轴上，调整左右下辊轴的水平位置将管件夹紧，调整上下辊轴的高度，使管件在竖直方向上被夹紧。
(2)闭合电路开关，使具有一定频率的脉冲电流经过两侧辊轴流经管件，产生焦耳热和电致塑性效应以达到改善管件材料的塑性变形能力、降低流动应力、提高可加工成形性的目的，并经过下辊轴，形成通电回路。
(3)根据管件最终所需成形截面的形状要求，调整上下辊轴在竖直方向上的位移，来改变成形过程中管件的实时曲率。
(4)辊轴转动，使管件旋转一定角度，重复步骤C，使管件截面在另一角度上也发生一定的塑性变形。
(5)打开电路开关，退开上下两辊轴和两侧辊轴，取下截面在不同角度发生变形的管件，即可获得具有异形截面的难变形材料成形管件。
2.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，在针对难变形材料的传统加工方法的基础上，添加了脉冲电流辅助，利用脉冲电流辅助的焦耳热效应和电致塑性效应来改善材料的成形性能。
3.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，与传统的滚弯工艺相比，上下辊轴能够改变竖直方向上的位移，使管件获得不同且连续变化的曲率。
4.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，分别在左右位置采用了上下两个辊轴来进行成形加工，对管材进行夹持的基础上，能够在水平方向上改变位移，适用于不同管径、截面要求的管材成形加工。
5.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，原始管件外径与壁厚的比值不小于20；优选，所述原始管件的厚度为1mm-6mm，外径为40mm-3000mm，长度为100mm-2000mm。
6.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，钛合金中Ti的质量分数为93.5％-96.5％，Al的质量分数为2.0％-3.5％，V的质量分数为1.5％-3.0％，加热钛合金电流密度为6-18A/mm2，加热时间为10s-80s，原始管件成形区域温度700℃-950℃。
7.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，Ti2AlNb基金属间化合物中Ti的原子分数为41.5％-58.0％，Al的原子分数为22％-25％，Nb的原子分数为20％-30％，Mo的原子分数0.01％-1.5％，加热钛合金电流密度为8-14A/mm2，加热时间为15s-60s，原始管件成形区域温度900℃-990℃。
8.根据权利要求1所述的电流辅助难变形材料异形截面管件的成形方法，其特征在于，高强铝合金中Al的质量分数为85.2％-87.6％，Zn的质量分数为8.0％-9.0％，Mg的质量分数为2.3％-3.0％，Cu的质量分数2.0％-2.6％，Zr的质量分数0.1％-0.2％，加热钛合金电流密度为20-50A/mm2，加热时间为30s-120s，原始管件成形区域温度300℃-400℃。
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