CN110560546B - 一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法，包括导热板、加热块、感应线圈和温控器，导热板上设置有若干个加热块，加热块设置有不同的长度和形状，加热块能够组合出不同的加热区域，每个加热块上绕设有感应线圈，感应线圈与温控器电连接。根据导热板上各分区域的热输入量，设计并加工出各分区域上需设置的加热块、感应线圈的形状和尺寸，并将加热块按照设定组合安装在导热板上相应的位置。本发明通过使用分体式的加热块在导热板上进行组合，使加热装置的加工简单、成本低，加热块可根据管坯的形状灵活改变模具上不同分区域的输入热量值，从而能对各分区域的温度进行快速、不同梯度、分区域的调控。

Description

一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法

技术领域

本发明涉及热气压成形模具的技术领域，特别是涉及一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法。

背景技术

薄壁管件热气压成形时，需要在管件成形前先将模具加热到设定的温度，在管件成形结束后再将模具逐渐冷却降温。加热升温和冷却降温时模具将发生明显的热胀冷缩，必须考虑热胀冷缩导致模具的形状尺寸变化及对最终零件尺寸精度的影响。

对于大尺寸薄壁管件热气压成形模具，可能出现如下问题：(1)由于模具三个方向尺寸较大，加热过程中容易因温度分布不合理而出现不协调的热膨胀，从而在模具内产生不合理的热应力，当热应力较大时可能导致模具变形甚至损坏；(2)当模具型腔比较复杂时，因加热后模具上各处的温度分布不合理而导致模具型腔尺寸发生不协调或不可控的变化，导致最终成形零件精度不足；(3)由于加热时模具模腔和分模面等可能发生变形错位，导致上下模具的导柱和导套无法配合，模具的导向精度差甚至无法顺利开闭模具；(4)在压力机对模具施加合模力以及管坯内部施加高压气体后，模腔受到复杂载荷的作用，模具型腔及模具整体可能出现更加复杂的变形；(5)当模具型腔内温度分布不合理时，可能因为大尺寸管坯和模具的接触顺序、接触时间、接触区域等的不合理，导致最终无法顺利成形出合格零件。在管件成形结束后对模具进行冷却降温过程中，同样会产生与加热升温过程类似的问题。

因此，大尺寸薄壁管件的管坯在热气压成形时，需要对模具的加热过程、使用过程和冷却过程进行精确控制。既要避免加热升温过程中因升温不合理而导致模具损坏，又要保证在使用过程中模具型腔和本体上具有合理的温度分布(有时需要均匀温度分布，更多情况下需要实现非均匀的温度场)，同时还要保证在冷却降温过程中不能因降温不合理而出现与加热过程类似的问题。

目前，对于大尺寸薄壁管件热气压成形模具的加热主要采用感应加热方式，一种是直接对模具本体进行加热，另一种是先对独立的加热板进行加热，然后再由加热板传递到模具本体上。

不论是对模具本体加热还是对加热板进行加热，都是预先在模具本体上或者加热板上开设出具有一定深度且规则分布的沟槽，然后在沟槽内放置特定尺寸规格的铜管线圈，利用铜管线圈通电后产生的磁场对相邻铜管线圈间的加热块进行加热。由于沟槽的尺寸规格相同且均匀分布，所以在沟槽中布置的铜管线圈也都具有相同的尺寸规格和间距。

采用上述设计方式，虽然可以降低沟槽的加工成本、铜管线圈的制作难度，但同时也在很大程度上决定了无法在加热、使用和冷却过程中对模具上的温度分布进行有效控制，从而也就无法避免上述的管坯热气压成形模具在加热、使用和降温过程中可能出现的问题。

为解决大尺寸(长度方向和直径方向)薄壁管件热气压成形模具在加热升温、成形零件和冷却降温时难以实现快速、有效的温度调节，导致加热升温和冷却降温后模具容易产生变形甚至开裂、模具导向和开闭困难、模具型腔尺寸精度差、成形零件时待成形管坯上温度分布不合理等问题，需要一种能实现大尺寸薄壁管件热气压成形模具分区加热和降温的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管件成形过程中加热温度分布合理化，实现成形模具在使用过程中的温度快速、有效的调节。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，包括导热板、加热块、感应线圈和温控器，所述导热板上设置有若干个加热块，所述加热块设置有不同的长度和形状，所述加热块能够组合出不同的加热区域，每个所述加热块上绕设有感应线圈，所述感应线圈与所述温控器电连接，所述导热板用于与成形模具连接。

优选的，所述加热块内部设置有长度不同的冷却通道，所述冷却通道通过管道与制冷设备连接。

优选的，所述加热块通过螺栓固定于所述导热板上，所述感应线圈为铜管线圈。

优选的，所述加热块为矩形块体、弧形块体或者不规则形状块体。

优选的，所述加热块根据不同的管坯的加热区域以变化或者不变的间距按照长短和/或者形状的组合方式设置于所述导热板上。

本发明还涉及一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置的分区控温方法，基于上述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，具体包括如下步骤：

步骤一，通过热力学仿真的理论计算方法，确定管坯成形模具上的导热板整体区域的设定温度场，并得出所述导热板不同位置上分区域的设定温度场，进而确定所述导热板上各分区域的输入的热量值和电流值；

步骤二，根据所述导热板上各分区域的热输入量，设计并加工出各分区域上需设置的加热块、感应线圈的形状和尺寸，将所述感应线圈安装在所述加热块上，并将所述加热块按照设定组合方式用螺栓安装在所述导热板各分区域上相应的位置；

步骤三，通过温控器向各分区域的所述感应线圈中通入相应的电流值，使加热块升温并对导热板进行分区域加热直至设定时间，然后将成形模具降温。

优选的，还包括步骤四，当管坯成形或者所述温控器到达设定时间后，所述温控器切断通入所述感应线圈中的电流，制冷设备启动并连通所述加热块中的冷却通道，使所述加热块的温度快速降低，实现热态成形模具的快速降温。

优选的，所述步骤二中的所述加热块的设定组合方式包括等间距和/或不等间距、等长度和/或不等长度、形状相同和/或形状不相同、方向相同和/或方向不相同、材质相同和/或材质不相同、温度相同和/或温度不相同、分组和/或不分组中的任意一种组合方式或者多种并存的组合方式。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过使用分体式的加热块在导热板上进行组合，实现对成形模具的加热，使加热装置的加工简单、成本低，避免了传统的直接在模具上加工用于布置加热线圈的复杂沟槽时引起的模具材料浪费、模具强度削弱、加工困难等难题；加热块可根据管坯的形状灵活改变模具上不同分区域的输入热量值，从而能够对各分区域的温度进行快速、不同梯度、分区域的调控。在加热块中布置冷却通道，可以对模具进行快速或者分区域可控降温，避免了传统的自然冷却因降温不合理而产生热应力导致模具发生变形或损坏的问题。

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为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置的结构示意图；

图2为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图一；

图3为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图二；

图4为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图三；

图5为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图四；

图6为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图五；

图7为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图六；

图8为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图七；

图9为本发明大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置中加热块的组合方式的结构示意图八；

其中：1-成形模具，2-导热板，3-加热块，4-感应线圈，5-冷却通道，6-温控器，7-螺栓，8-管坯。

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付出创造性劳动的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。

本发明的目的是提供一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法，以解决现有技术存在的问题，使管件成形过程中加热温度分布合理化，实现成形模具在使用过程中的温度快速、有效的调节。

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。

如图1至图9所示：本实施例提供了一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，包括导热板2、加热块、感应线圈4和温控器6，导热板2上设置有若干个加热块，加热块设置有不同的长度和形状，加热块能够组合出不同的加热区域，每个加热块上绕设有感应线圈4，感应线圈4与温控器6电连接，导热板2用于与成形模具1连接。

加热块内部设置有长度不同的冷却通道5，冷却通道5通过管道与制冷设备连接。在加热块中布置冷却通道5，冷却通道5中通5℃-20℃的制冷气或冷水，对成形模具1进行强制冷却，可以获得更大梯度的温度场，避免了传统的固定式加热块只能加热而不能降温的难题；也可以在个别的加热块或者加热块的局部区域中设置冷却通道5结构，在管坯8成形后，可以避免传统的固定式加热块只能在成形结束后自然冷却，容易因降温不合理而产生热应力导致成形模具1发生变形或损坏的问题。

加热块通过螺栓7固定于导热板2上，感应线圈4为铜管线圈。加热块为矩形块体、弧形块体或者不规则形状块体。加热块根据不同的管坯8的加热区域以变化或者不变的间距按照长短和/或者形状的组合方式设置于导热板2上。本实施例使用分体式的加热块在导热板2上进行组合，实现对成形模具1的加热，使加热装置的加工简单、成本低，避免了传统的直接在模具上加工用于布置加热线圈的复杂沟槽时引起的模具材料浪费、模具强度削弱、加工困难等难题；加热块可根据管坯8的形状灵活改变模具上不同分区域的输入热量值，从而能够各分区域的温度进行快速、不同梯度、分区域的调控。既可以利用铜管线圈直接对具有强导磁性的模具如碳素钢模具上表面进行加热，也可以通过对可感应加热的加热块进行快速加热，然后再将热量传递到不可感应加热的模具上，解决了成形模具1由强导磁性和弱导磁性材料构成时，无法采用规则加热块和铜线圈的问题；可对不同材质的成形模具1进行加热。

本发明还涉及一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置的分区控温方法，基于上述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，具体包括如下步骤：

步骤一，通过热力学仿真的理论计算方法，确定管坯8成形模具1上的导热板2整体区域的设定温度场，并得出导热板2不同位置上分区域的设定温度场，进而确定导热板2上各分区域的输入的热量值和电流值。

步骤二，根据导热板2上各分区域的热输入量，设计并加工出各分区域上需设置的加热块、感应线圈4的形状和尺寸，将感应线圈4安装在加热块上，并将加热块按照设定组合方式用螺栓7安装在导热板各分区域上相应的位置。其中，加热块的设定组合方式包括等间距和/或不等间距、等长度和/或不等长度、形状相同和/或形状不相同、方向相同和/或方向不相同、材质相同和/或材质不相同、温度相同和/或温度不相同、分组和/或不分组中的任意一种组合方式或者多种并存的组合方式。加热块具体可以包括如下几种常用的组合方式：

(1)如图2所示，加热块的大小、形状、材质相同，等间距规则分布，适用于长度方向较均匀分布的温度场，用于加热长度方向变形均匀的管坯8。(2)如图3所示，加热块的大小、形状、材质相同，不等间距分布，适用于长度方向梯度(不均匀)分布的温度场，用于加热长度方向不均匀变形的管坯8，在管坯8弯曲部位变形量大，所需加热温度较高。(3)如图4所示，加热块的大小、形状、材质相同，加热块的设置方向不同，适用于长度方向梯度(不均匀)分布的温度场，用于加热长度方向变形不均匀的管坯8，在管坯8弯曲部位变形量大，所需加热的温度较高。(4)如图5所示，加热块的大小、间距和材质都不相同，适用于长度方向梯度(不均匀)分布的温度场，用于加热长度方向变形不均匀的管坯8，在管坯8弯曲部位变形量大，所需加热温度较高，图中加热块有两种不同材质分别为45钢和65Mn。(5)如图6所示，加热块的大小、形状、间距和材质都不相同，适用于长度方向梯度(不均匀)分布的温度场，可对不同材质的成形模具1进行加热，用于加热长度方向变形不均匀的管坯8，图中加热块有两种不同材质分别为45钢和65Mn，模具可以为碳素钢或者不锈钢等材质。(6)如图7所示，加热块的大小、形状、方向、间距和温度设置都不同，部分的加热块中设置了冷却通道5，冷却通道5中通入冷却介质，对成形模具1进行强制冷却，适用于不均匀的复杂梯度温度场，且可以获得更大梯度的温度场，各加热块的温度可以相差50℃～100℃，避免了传统的固定式加热块只能加热而不能降温的难题。(7)如图8所示，加热块的大小、形状、方向、间距和温度设置都不同，加热块的局部设置了冷却通道5，冷却通道5中通入冷却介质，适用于不均匀的更复杂梯度温度场情况，加热块可以对管坯8进行局部降温，适用于不均匀的更复杂梯度温度场且各加热块的温度可以相差100℃～350℃。(8)如图9所示，加热块的大小、形状、方向、间距和温度设置都不同，全部的加热块中均设置了冷却通道5，适用于不均匀的复杂梯度温度场，且可以实现强制冷却成形模具1，从而实现模具整体的快速降温或可控降温。在管坯8成形后，冷却通道5的设置可以避免传统的固定式加热块只能在成形结束后自然冷却，容易因降温不合理而产生热应力导致成形模具1发生变形或损坏的问题。

步骤三，通过温控器6向各分区域的感应线圈4中通入相应的电流值，使加热块升温并对导热板2进行分区域加热直至设定时间，然后将成形模具1降温。

还包括步骤四，当管坯8成形或者温控器6到达设定时间后，温控器6切断通入感应线圈4中的电流，制冷设备启动并连通加热块中的冷却通道5，使加热块的温度快速降低，实现热态成形模具1的快速降温，避免传统的固定式加热块只能在成形结束后自然冷却，容易因降温不合理而产生热应力导致成形模具1发生变形或损坏的问题。

本说明书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 (6)

1.一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，其特征在于：包括导热板、加热块、感应线圈和温控器，所述导热板上设置有若干个加热块，所述加热块设置有不同的长度和形状，所述加热块能够组合出不同的加热区域，每个所述加热块上绕设有感应线圈，所述感应线圈与所述温控器电连接，所述导热板用于与成形模具连接；所述加热块内部设置有长度不同的冷却通道，所述冷却通道通过管道与制冷设备连接；所述加热块根据不同的管坯的加热区域以变化或者不变的间距按照长短和/或者形状的组合方式设置于所述导热板上。

2.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，其特征在于：所述加热块通过螺栓固定于所述导热板上，所述感应线圈为铜管线圈。

3.根据权利要求1所述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，其特征在于：所述加热块为矩形块体、弧形块体或者不规则形状块体。

4.一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置的分区控温方法，其特征在于：基于权利要求1-3中任意一项所述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置，具体包括如下步骤：

步骤一，通过热力学仿真的理论计算方法，确定管坯成形模具上的导热板整体区域的设定温度场，并得出所述导热板不同位置上分区域的设定温度场，进而确定所述导热板上各分区域的输入的热量值和电流值；

步骤二，根据所述导热板上各分区域的热输入量，设计并加工出各分区域上需设置的加热块、感应线圈的形状和尺寸，将所述感应线圈安装在所述加热块上，并将所述加热块按照设定组合方式用螺栓安装在所述导热板各分区域上相应的位置；

步骤三，通过温控器向各分区域的所述感应线圈中通入相应的电流值，使加热块升温并对导热板进行分区域加热直至设定时间，然后将成形模具降温。

5.根据权利要求4所述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置的分区控温方法，其特征在于：还包括步骤四，当管坯成形或者所述温控器到达设定时间后，所述温控器切断通入所述感应线圈中的电流，制冷设备启动并连通所述加热块中的冷却通道，使所述加热块的温度快速降低，实现热态成形模具的快速降温。

6.根据权利要求4所述的大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置的分区控温方法，其特征在于：所述步骤二中的所述加热块的设定组合方式为等间距、不等间距、等长度、不等长度、形状相同、形状不相同、方向相同、方向不相同、材质相同、材质不相同、温度相同、温度不相同、分组、不分组的任意组合方式中的一种。

Images