CN109731982B

CN109731982B - 难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法

Info

Publication number: CN109731982B
Application number: CN201910125303.9A
Authority: CN
Inventors: 于海平; 王克环; 党轲鑫; 刘钢
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: CN109731982A

Abstract

本发明公开一种难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，涉及机械制造技术领域，在管坯两端设置电极，通过电极将电流导入管坯，利用焦耳热使管坯快速获得成形所需温度T，然后通过置入管坯内部的电磁线圈进行高压脉冲大电流放电，形成径向磁场力使管坯在一定温度产生高速率变形，直至与模具接触完成成形。本发明将自阻加热技术和电磁成形技术相集成，与传统工艺相比，具有能耗低、效率高、成本低、可控性强、成形件尺寸精度高、组织性能优异等优点。

Description

难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，特别是涉及一种难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法。

背景技术

在航空航天领域，常用钛合金或高强钢材料制造复杂截面空心结构件，如图1。室温下，钛合金和高强钢的强度高、塑性差，贴模性差，成形精度低，随着温度升高，材料的流动应力降低，延伸率增大，成形性大幅提高。目前，常采用热成形加工过程，如热冲压、热气胀、超塑成形等。其中，高温下气胀成形是难变形材料复杂截面空心结构件制造中广泛使用的一种工艺。但高温下气胀成形工艺对模具材料的耐热性要求高，成形效率低，同时材料表面氧化严重。

为了解决气胀成形能耗大、效率低和成本高的问题，以促进高温气胀成形工艺在汽车、交通运输等领域的应用，国际上近年来发展了一种电流自阻加热冷模气胀成形技术，利用电流流经材料时的焦耳热效应对坯料进行快速加热，加热后在室温模具内胀形。自阻加热气胀成形工艺中常采用的密封方式是橡胶圈内密封或冲头扩口密封，橡胶圈内密封能密封的最大压力比较小，一般小于5MPa，很难满足小圆角的成形，且耐高温含氟橡胶圈价格昂贵；另一种常用密封方式是利用刚性冲头对管端扩口并压紧密封，该密封方式对管材端部质量要求高，若采用焊管，需对管材端部额外打磨处理，增加工序，并且当管端温度较低、塑性不足时易在扩口时开裂。可见，高压气体的密封困难是自阻加热气胀成形工艺中不可避免的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，将自阻加热和电磁成形技术结合，用于钛合金等难变形复杂截面构件的制造，能够提高效率、降低成本、提高成形件质量，具有广阔的前景，解决了现有钛合金、高强钢等难变形材料复杂截面空心构件气压成形存在的能耗高、效率低、模具成本高、氧化严重及密封困难等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，包括以下步骤：

一)、装配：去除管坯表面的氧化皮，在管坯内放置铜箔，随后将内部放置铜箔的管坯装夹在自阻加热装置上，通过弹簧压紧实现管坯与自阻加热电极的导电接触，压力机下行，实现合模操作；

二)、自阻加热：闭合自阻加热电源上的第一开关，采用预设的电流密度ρ将管坯加热到合适的变形温度T，当管坯中心处的温度达到设定值时，自阻加热电源会自动断开，并启动高压保护；

三)、电磁成形：电磁成形线圈经导轨准确运动到管坯需成形的位置，闭合已充电至预设电压的电磁成形机上的第二开关，产生径向磁场力使管坯产生高速率变形，直至管坯与模具接触；

四)、取件：模具开模，电磁成形线圈沿导轨移出管坯内部，加热铜电极经机械结构移开管坯端部，将成形构件取走，并取出管坯内放置的铜箔。

优选的，当所述成形构件为钛合金材料时，管坯变形温度T为500～850℃，根据材料强度及磁场力大小确定。

优选的，所述电磁成形线圈采用CuW₇₅合金或黄铜材料，当管坯变形温度小于600℃时，所述电磁成形线圈采用机加的螺线管，所述螺线管之间采用用耐高温绝缘油漆绝缘，绝缘油漆的厚度为0.8-1mm；当管坯加热温度T大于600℃时，电磁成形线圈采用铜线绕在陶瓷杆上。

优选的，当管坯变形温度小于600℃时，所述螺线管的正极与螺线管的连接方式为螺纹连接，螺线管负极与螺线管的连接方式为钎焊。

优选的，的所述电磁成形线圈与所述管坯内表面的间距为0.5-1mm，所述铜箔放置于所述电磁成形线圈和管坯内表面之间。

优选的，所述铜箔采用紫铜箔，厚度为0.05mm-0.2mm，放置圈数为2-4圈。

优选的，所述自阻加热电极采用紫铜制作，通过裸铜编织线与自阻加热电源连接。

优选的，所述弹簧采用气动模具弹簧，与所述自阻加热电极之间放置有云母板。

优选的，所述上模和下模的型腔面均经过陶瓷热喷涂工艺处理，采用Al₂O₃陶瓷热喷涂，用于绝缘管坯电流加热时的电流。

优选的，所述难变形材料包括钛合金和高强钢。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.采用电流可以实现对管材的快速加热，采用电磁成形可以极大的缩短成形时间，同时无需气压成形时的密封装置，成形效率高、能耗低、成本低；

2.成形模具处于室温状态，可以避免热模具成形时由于热胀冷缩带来的尺寸偏差，成形件尺寸精度高，同时可减少模具磨损，降低模具成本；

3.加热和成形时间短，成形过程中组织稳定性好，同时氧化损害可大大减少，成形后性能几乎不损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1方截面构件的结构示意图；

图2成形装置的结构示意图；

图3自阻加热示意图；

图4电磁成形示意图；

图5为成形构件示意图；

图6为成形装置额三维示意图；

图7为螺线管的结构示意图；

图8为螺线管正极的结构示意图；

图9为螺线管负极结构示意图；

图10为电磁成形线圈的结构示意图；

图11为陶瓷杆的结构示意图；

图12为陶瓷杆绕制线圈的结构示意图；

图13实施例三自阻加热电极放置形式；

1-钛管；2-铜箔；3-自阻加热电极；4-云母板；5-弹簧；6-上模；7-下模；8-裸铜编织线；9-自阻加热电源；10-第一开关；11-电磁成形线圈；12-第二开关；13-电磁成形机；14-自阻加热后钛管的温度分布；15-成形构件；16-正极；17-负极；18-陶瓷杆；19-绕制铜线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中通过在管坯两端设置电极，通过电极将电流导入管坯，利用焦耳热使管坯快速获得成形所需温度T，然后通过置入管坯内部的电磁线圈进行高压脉冲大电流放电，形成径向磁场力使管坯在一定温度产生高速率变形，直至与模具接触完成成形。

实施例一

如图2-6所示，膨胀量为40％的TA18钛合金变径管自阻加热电磁成形按以下步骤实现，

一、装配：用600#砂纸打磨钛管1的外表面，以便去除氧化皮，确保电流加热时电极与钛管的可靠接触。在打磨后的钛管1中放入厚度为0.1mm的铜箔2，铜箔2沿钛管1的内壁绕制2-3圈。将置有铜箔2的钛管1移动到自阻加热电极3上，并用模具弹簧5施加500-600N压力，确保自阻加热电极3的弧面与钛管1的外壁紧密接触，在自阻加热电极3和模具弹簧5之间放置有云母板4，用于隔断加热电流对弹簧的加热。上模6在压力机的驱动下与下模7完成合模操作，上模6和下模7的型腔面均经过陶瓷热喷涂工艺处理，具有可靠的绝缘性能。自阻加热电极3与自阻加热电源9之间经大截面积裸铜编织线8连接。整体装配形式如图2、图6所示。

二、自阻加热：闭合自阻加热电源9上的第一开关10(K1)，用10A/mm²的电流密度对钛管1进行快速加热，当钛管温度控制点的温度达到600℃时，第一开关10自行断开，加热后的钛管温度分布14如图3所示。

三、电磁成形：自阻加热期间，电磁成形机充电至预设电压15kV，自阻加热完毕后，电磁成形线圈11沿导轨准确运动到钛管1需要成形的位置，闭合电磁成形机13上的第二开关12(K2)，储存在电磁成形机13中的电能通过电磁成形线圈11放电，电磁成形放电能量为25kJ，脉冲电流峰值达到100kA，放电周期为150us。电磁成形后的成形构件15如图5所示。

四、取件：电磁成形线圈11沿导轨移出钛管1的内部，压力机带动上模6上行，实现开模操作，模具弹簧5卸荷，自阻加热电极3与钛管1不再接触，机械手从下模7上取出成形后的钛管1，并从钛管中取出铜箔2。

实施例2：膨胀量为40％的TA18钛合金变径管自阻加热电磁成形按以下步骤实现：

一、装配：同实施例1中的。

二、自阻加热：闭合自阻加热电源9上的第一开关10(K1)，首先用15A/mm²的电流密度对钛管1进行快速加热，当钛管温度控制点的温度达到650℃时，调小自阻加热电源的输出电流，使作用在管坯上的电流密度变为5A/mm²，此后管坯的温度以较慢的速率上升到800℃，当钛管温度控制点的温度达到800℃时，第一开关10自行断开，加热后的钛管温度分布14。先采用大电流密度、后采用小电流密度的加热方法能够提高管坯的温度分布均匀性。但由于钛管1的加热温度提高至800℃，电磁成形线圈从机加的螺线管线圈形式变为铜线绕制在陶瓷杆上的形式。机加的螺线管线圈形式由图7的螺线管、图8的螺线管正极16和图9的螺线管负极17组成，整体装配如图10所示。螺线管线圈采取绕制形式时，采用的陶瓷杆18如图11所示，绕制铜线19在螺线杆上的形式如图12所示。

三、电磁成形：同实施例1中的。

四、取件：同实施例1中的。

实施例3：膨胀量为40％的TA18钛合金变径管自阻加热电磁成形按以下步骤实现：

一、装配：用600#砂纸打磨钛管1的端面，以便去除氧化皮，确保电流加热时电极与钛管的可靠接触。在打磨后的钛管1中放入厚度为0.1mm的铜箔2，铜箔2沿钛管1的内壁绕制2-3圈。将置有铜箔2的钛管1移动到下模7上，上模6在压力机的驱动下与下模7完成合模操作，上模6和下模7的型腔面均经过陶瓷热喷涂工艺处理，具有可靠的绝缘性能。移动自阻加热电极到钛管1的端部，并在自阻加热电极上施加200-240N的轴向力，确保自阻加热电极16的锥面与钛管1的端部紧密接触，防止加热过程产生放电。铜电极3与自阻加热电源9之间经裸铜编织线8连接。整体装配形式如图13所示。

二、自阻加热：闭合自阻加热电源9上的第一开关10(K1)，用10A/mm²的电流密度对钛管1进行快速加热，当钛管温度控制点的温度达到600℃时，第一开关10自行断开，加热后的钛管温度分布14如图2所示。立刻将自阻加热电极3从钛管1的端部移走，腾出空间以便置入电磁成形线圈11。自阻加热电极3放置在钛管1的端面，而不是钛管1的侧壁，更有利于自阻加热过程完成后自阻加热电极从钛管1移开，且有利于提高钛管1的环向温度分布均匀性。

三、电磁成形：同实施例1中的。

四、取件：电磁成形线圈11沿导轨移出钛管1的内部，压力机带动上模6上行，实现开模操作，机械手从下模7上取出成形后的钛管1，并从钛管中取出铜箔2。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

所述弹簧与所述自阻加热电极之间放置有云母板，上模和下模的型腔面均经过陶瓷热喷涂工艺处理，采用Al2O3陶瓷热喷涂，用于绝缘管坯电流加热时的电流；

或者自阻加热电极移动到管坯的端部，并在自阻加热电极上施加轴向力，确保自阻加热电极的锥面与管坯的端部紧密接触；

2.根据权利要求1所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：当所述成形构件为钛合金材料时，管坯变形温度T为500～850℃，根据材料强度及磁场力大小确定。

3.根据权利要求2所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：所述电磁成形线圈采用CuW75合金或黄铜材料，当管坯变形温度小于600℃时，所述电磁成形线圈采用机加的螺线管，所述螺线管之间采用耐高温绝缘油漆绝缘，绝缘油漆的厚度为0.8-1mm；当管坯加热温度T大于600℃时，电磁成形线圈采用铜线绕在陶瓷杆上。

4.根据权利要求3所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：当管坯变形温度小于600℃时，所述螺线管的正极与螺线管的连接方式为螺纹连接，螺线管负极与螺线管的连接方式为钎焊。

5.根据权利要求1所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：所述电磁成形线圈与所述管坯内表面的间距为0.5-1mm，所述铜箔放置于所述电磁成形线圈和管坯内表面之间。

6.根据权利要求5所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：所述铜箔采用紫铜箔，厚度为0.05mm-0.2mm，放置圈数为2-4圈。

7.根据权利要求1所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：所述自阻加热电极采用紫铜制作，通过裸铜编织线与自阻加热电源连接。

8.根据权利要求1所述的难变形材料复杂截面空心构件自阻加热电磁成形方法，其特征在于：所述难变形材料包括钛合金和高强钢。