CN110814123B - 一种波纹管快速热成形装置及其方法 - Google Patents

一种波纹管快速热成形装置及其方法 Download PDF

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Abstract

一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置及其方法，它涉及一种波纹管快速热成形装置及其方法。本发明的目的是要解决现有材质为室温难变形材料的金属波纹管的制造方法困难，工艺复杂和制造成本高的问题。一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置包括压头、顶部模瓣、模套、耐高温柔性粉体、型腔模瓣、待成型金属管材、底盘、底模座和加热体。成形方法：一、放置待成型金属管材；二、添加耐高温柔性粉体，开启加热体进行加热，施加压力成形，得到金属波纹管。利用本发明的方法成形材质为室温难变形材料的金属波纹管容易，成形速度快，工艺和脱模简单。本发明适用于成形金属波纹管。

Description

一种波纹管快速热成形装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种波纹管快速热成形装置及其方法。
背景技术
金属波纹管在工业领域应用广泛，目前金属波纹管的主要材质为铝合金和不锈钢等室温塑性良好的金属，对于镁合金、钛合金等室温难变形材料，其波纹管的制造相对困难。目前常用的制造难变形材料波纹管的方法主要有超塑胀形、热滚压成形等，其工艺相对复杂、制造成本较高，极大限度地束缚了镁合金、钛合金等金属波纹管的大范围应用。
发明内容
本发明的目的是要解决现有材质为室温难变形材料的金属波纹管的制造方法困难，工艺复杂和制造成本高的问题，而提供一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置及其方法。
一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置包括压头、顶部模瓣、模套、耐高温柔性粉体、型腔模瓣、待成型金属管材、底盘、底模座和加热体。
所述的底盘的外部设有底模座，底模座上设有型腔模瓣，型腔模瓣内设有型腔，耐高温柔性粉体设置在型腔中。
所述的型腔模瓣上设有顶部模瓣；压头的下端穿过顶部模瓣进入到型腔中。
所述的模套设置在顶部模瓣、型腔模瓣和底模座的外部，加热体设置在模套的外部。
所述的待成型金属管材置于型腔中，待成型金属管材的顶端置于顶部模瓣与压头形成的空隙中，待成型金属管材的底端置于底模座与底盘形成的空隙中。
一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法，是按以下步骤完成的：
一、将待成型金属管材放入到型腔中，待成型金属管材的顶端置于顶部模瓣与压头形成的空隙中，待成型金属管材的底端置于底模座与底盘形成的空隙中。
步骤一中所述的待成型金属管材的壁厚为3mm~10mm。
二、将耐高温柔性粉体加入到型腔中，开启加热体进行加热，当待成型金属管材的温度达到0.3Tm~0.6Tm时，向压头施加压力，使压头的下压速度为20mm/min~50mm/min，成形结束后停止向压头施加压力，得到金属波纹管；再进行脱膜，将金属波纹管取出，即完成一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法。
步骤二中所述的Tm为待成型金属管材的熔点。
本发明的原理及优点：
一、本发明一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法能够辅助镁合金、钛合金、高温合金或金属间化合物成形出波纹管，该方法是一种低成本波纹管制造方法，本发明引入耐高温柔性粉体作为成形介质，在通过耐高温柔性粉体施加载荷的热成形过程中，由于摩擦作用，随着压头下压过程，带动周围耐高温柔性粉体向下移动，耐高温柔性粉体的移动带动与之接触的待成型金属管材向下移动；耐高温柔性粉体对待成型金属管材的这种摩擦力使待成型金属管材产生了沿内表面的切向力作用；一方面，耐高温柔性粉体带动待成型金属管材的下移，自动产生了补料的效果；另外一方面，沿内表面适当的切向应力平衡了一部分外表面的切向应力，在这两方面作用之下，成形得到的波纹管波纹部分减薄程度很小，同时待成型金属管材的高度也有相应程度的降低，可以快速进行近均匀壁厚波纹管的成形。
二、本发明中一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置采用分瓣模方式，可以实现波纹管成形后的快速脱模。
三、利用本发明的方法成形材质为室温难变形材料的金属波纹管容易，成形速度快，工艺和脱模简单，是一种低成本制造波纹管的热成形方法。
本发明适用于成形金属波纹管。
附图说明
图1为实施例一所述的一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置的结构示意图；
图2为实施例二中金属波纹管的成型原理图；
图3为实施例二中金属波纹管成形前后实物图，图中A为待成型金属管材，B为成形后金属波纹管。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置包括压头1、顶部模瓣2、模套3、耐高温柔性粉体5、型腔模瓣6、待成型金属管材7、底盘8、底模座9和加热体10。
所述的底盘8的外部设有底模座9，底模座9上设有型腔模瓣6，型腔模瓣6内设有型腔，耐高温柔性粉体5设置在型腔中。
所述的型腔模瓣6上设有顶部模瓣2；压头1的下端穿过顶部模瓣2进入到型腔中。
所述的模套3设置在顶部模瓣2、型腔模瓣6和底模座9的外部，加热体10设置在模套3的外部。
所述的待成型金属管材7置于型腔中，待成型金属管材7的顶端置于顶部模瓣2与压头1形成的空隙中，待成型金属管材7的底端置于底模座9与底盘8形成的空隙中。
本实施方式中设置的顶部模瓣2是因为：耐高温柔性粉体5具有很好的流动性。成形过程中，在压头1的压力下，耐高温柔性粉体5可以流动到型腔的各个角落里，如果待成型金属管材7上部敞口，当压头1下压时，就会有部分耐高温柔性粉体5溢出，这样不仅会造成耐高温柔性粉体5总量减少，充型不完全，而且硬度较大的部分粉体进入型腔，还会将成形的金属波纹管表面划伤。因此，设置顶部模瓣2，不仅可以防止耐高温柔性粉体5溢出，而且还能进一步防止耐高温柔性粉体5进入型腔中，划伤金属波纹管表面。
为了容易脱膜，本实施方式中顶部模瓣2的外轮廓设置3~8度的斜度，而且分两个半圆部分组装。
本实施方式中为了便于开模取件，将模套3内腔设置3-8度的斜度、同时也要保证成形过程中，在压力机的作用下，模套3厚度最薄的部分不会发生形变，模套3与顶部模瓣2、型腔模瓣6与模套3、底模座9与模套3通过斜度配合装配，易于安装和脱模。
本实施方式中耐高温柔性粉体5在成形前与待成型金属管材7接触，成形后与金属波纹管内壁接触。
本实施方式中型腔模瓣6的内壁尺寸为成形后的金属波纹管的尺寸，外壁斜度为3~8度，与模套3内壁配合。
本实施方式中底盘8外壁与待成型金属管材7接触，可以固定待成型金属管材7底端，底盘8与底模座9配合使用。
本实施方式中底模座9的外壁斜度为3~8度，与模套3内壁接触。
本实施方式中加热体10为一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置整体升温。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的压头1为阶梯形状，压头1的下端为锥台形，锥台的小端直径为锥台的大端直径的2/3~3/4，型腔的小端直径比压头1的锥台的大端直径大1mm~2mm。其它步骤与具体实施方式一相同。
本实施方式中压头1为阶梯形状是为了使压头1和压力机保持尽量大的接触面积，同时使压力在压头1上均匀分布；型腔的小端直径比压头1的锥台的大端直径大1mm~2mm是为了使顶部模瓣2能牢固的卡住待成型金属管材7，同时为了避免压头1与待成型金属管材7之间的直接接触。
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点是：所述的型腔形状为波纹管。其它步骤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点是：所述的加热体10内设有多个加热棒。其它步骤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点是：所述的耐高温柔性粉体5为SiO2粉体和BN粉体的混合物，其中SiO2粉体和BN粉体的体积比为2:1。其它步骤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点是：所述的轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置为分瓣模具，沿纵向分为两瓣。其它步骤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点是：所述的待成型金属管材7的材质为镁合金、钛合金、高温合金或金属间化合物。其它步骤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点是：所述的镁合金为AZ31、LZ91或Mg-Gd-Y-Zn稀土镁合金；所述的钛合金为TA18、TC4、TA15、Ti55或Ti60；所述的高温合金为GH4169或GH99；所述的金属间化合物为TiAl或Ti2AlNb。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：结合图2~图3说明本实施方式，本实施方式一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法，是按以下步骤完成的：
一、将待成型金属管材7放入到型腔中，待成型金属管材7的顶端置于顶部模瓣2与压头1形成的空隙中，待成型金属管材7的底端置于底模座9与底盘8形成的空隙中。
步骤一中所述的待成型金属管材7的壁厚为1mm~5mm。
二、将耐高温柔性粉体5加入到型腔中，开启加热体10进行加热，当待成型金属管材7的温度达到0.4Tm~0.7Tm时，向压头1施加压力，使压头1的下压速度为20mm/min~50mm/min，成形结束后停止向压头1施加压力，得到金属波纹管；再进行脱膜，将金属波纹管取出，即完成一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法。
步骤二中所述的Tm为待成型金属管材7的熔点。
本实施方式中成形后得到的金属波纹管与型腔模瓣6接触，从而获得型腔的形状。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法能够辅助镁合金、钛合金、高温合金或金属间化合物成形出波纹管，该方法是一种低成本波纹管制造方法，本发明引入耐高温柔性粉体5作为成形介质，在通过耐高温柔性粉体5施加载荷的热成形过程中，由于摩擦作用，随着压头1下压过程，带动周围耐高温柔性粉体5向下移动，耐高温柔性粉体5的移动带动与之接触的待成型金属管材7向下移动；耐高温柔性粉体5对待成型金属管材7的这种摩擦力使待成型金属管材7产生了沿内表面的切向力作用；一方面，耐高温柔性粉体5带动待成型金属管材7的下移，自动产生了补料的效果；另外一方面，沿内表面适当的切向应力平衡了一部分外表面的切向应力，在这两方面作用之下，成形得到的波纹管波纹部分减薄程度很小，同时待成型金属管材7的高度也有相应程度的降低，可以快速进行近均匀壁厚波纹管的成形。
二、本实施方式中一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置采用分瓣模方式，可以实现波纹管成形后的快速脱模。
三、利用本实施方式的方法成形材质为室温难变形材料的金属波纹管容易，成形速度快，工艺和脱模简单，是一种低成本制造波纹管的热成形方法。
本实施方式适用于成形金属波纹管。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九的不同点是：步骤二中将耐高温柔性粉体5加入到型腔中，开启加热体10进行加热，当待成型金属管材7的温度达到0.4Tm~0.5Tm时，向压头1施加压力，使压头1的下压速度为30mm/min~40mm/min，成形结束后停止向压头1施加压力，得到金属波纹管；再进行脱膜，将金属波纹管取出，即完成一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法。其他与具体实施方式九相同。
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说明本实施例，本实施例中一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置包括压头1、顶部模瓣2、模套3、耐高温柔性粉体5、型腔模瓣6、待成型金属管材7、底盘8、底模座9和加热体10。
所述的底盘8的外部设有底模座9，底模座9上设有型腔模瓣6，型腔模瓣6内设有型腔，耐高温柔性粉体5设置在型腔中。
所述的型腔模瓣6上设有顶部模瓣2；压头1的下端穿过顶部模瓣2进入到型腔中。
所述的模套3设置在顶部模瓣2、型腔模瓣6和底模座9的外部，加热体10设置在模套3的外部。
所述的待成型金属管材7置于型腔中，待成型金属管材7的顶端置于顶部模瓣2与压头1形成的空隙中，待成型金属管材7的底端置于底模座9与底盘8形成的空隙中。
所述的压头1为阶梯形状，压头1的下端为锥台形，锥台的小端直径为锥台的大端直径的2/3，型腔的小端直径比压头1的锥台的大端直径大2mm。
所述的型腔形状为波纹管。
所述的加热体10内设有10个加热棒。
所述的轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置沿纵向分为两瓣，为两瓣组装结构。
图1为实施例一所述的一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置的结构示意图；图1中1为 压头、2为顶部模瓣、3为模套、5为耐高温柔性粉体、6为型腔模瓣、7为待成型金属管材、8为底盘、9为底模座，10为加热体。
实施例二：结合图2~图3说明本实施例，本实施例利用实施例一所述的一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置成形波纹管的方法如下：
一、将待成型金属管材7放入到型腔中，待成型金属管材7的顶端置于顶部模瓣2与压头1形成的空隙中，待成型金属管材7的底端置于底模座9与底盘8形成的空隙中。
步骤一中所述的待成型金属管材7的材质为钛合金；所述的钛合金为TA18。
步骤一中所述的待成型金属管材7的壁厚为3mm。
二、将耐高温柔性粉体5加入到型腔中，开启加热体10进行加热，当待成型金属管材7的温度达到0.6Tm时，向压头1施加压力，使压头1的下压速度为40mm/min，成形结束后停止向压头1施加压力，得到成形后金属波纹管4；再进行脱膜，将成形后金属波纹管4取出，即完成一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法。
步骤二中所述的耐高温柔性粉体5为SiO2粉体和BN粉体的混合物，其中SiO2粉体和BN粉体的体积比为2:1。
步骤二中所述的Tm为待成型金属管材7的熔点。
图2为实施例二中金属波纹管的成型原理图，图2中1为压头、2为顶部模瓣、3为模套、4为成形后金属波纹管，5为耐高温柔性粉体、6为型腔模瓣、7为待成型金属管材、8为底盘、9为底模座，10为加热体。
图3为实施例二中金属波纹管成形前后实物图，图中A为待成型金属管材，B为成形后金属波纹管。
从图3可知，成形后金属波纹管壁厚均匀，表面光滑，成形质量好。

Claims (1)

1.一种轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助钛合金波纹管快速热成形的方法，其特征在于该成形的方法是利用轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置完成，具体过程如下：
一、将待成型金属管材（7）放入到型腔中，待成型金属管材（7）的顶端置于顶部模瓣（2）与压头（1）形成的空隙中，待成型金属管材（7）的底端置于底模座（9）与底盘（8）形成的空隙中；
步骤一中所述的待成型金属管材（7）的材质为钛合金；所述的钛合金为TA18；
步骤一中所述的待成型金属管材（7）的壁厚为3mm；
二、将耐高温柔性粉体（5）加入到型腔中，开启加热体（10）进行加热，当待成型金属管材（7）的温度达到0.6Tm时，向压头（1）施加压力，使压头（1）的下压速度为40mm/min，成形结束后停止向压头（1）施加压力，得到成形后金属波纹管（4）；再进行脱膜，将成形后金属波纹管（4）取出，即完成轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形方法；
步骤二中所述的耐高温柔性粉体（5）为SiO2粉体和BN粉体的混合物，其中SiO2粉体和BN粉体的体积比为2:1；
步骤二中所述的Tm为待成型金属管材（7）的熔点；
所述的轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置包括压头（1）、顶部模瓣（2）、模套（3）、耐高温柔性粉体（5）、型腔模瓣（6）、待成型金属管材（7）、底盘（8）、底模座（9）和加热体（10）；
所述的底盘（8）的外部设有底模座（9），底模座（9）上设有型腔模瓣（6），型腔模瓣（6）内设有型腔，耐高温柔性粉体（5）设置在型腔中；
所述的型腔模瓣（6）上设有顶部模瓣（2）；压头（1）的下端穿过顶部模瓣（2）进入到型腔中；
所述的模套（3）设置在顶部模瓣（2）、型腔模瓣（6）和底模座（9）的外部，加热体（10）设置在模套（3）的外部；
所述的压头（1）为阶梯形状，压头（1）的下端为锥台形，锥台的小端直径为锥台的大端直径的2/3，型腔的小端直径比压头（1）的锥台的大端直径大2mm；
所述的型腔形状为波纹管；
所述的加热体（10）内设有10个加热棒；
所述的轴向加载/摩擦补料的柔性介质辅助波纹管快速热成形装置沿纵向分为两瓣，为两瓣组装结构；
所述的顶部模瓣（2）的外轮廓设置3~8度的斜度，模套（3）内腔设置3-8度的斜度，模套（3）与顶部模瓣（2）、型腔模瓣（6）与模套（3）、底模座（9）与模套（3）通过斜度配合装配，耐高温柔性粉体（5）在成形前与待成型金属管材（7）接触；
所述的型腔模瓣（6）的内壁尺寸为成形后的金属波纹管的尺寸，外壁斜度为3～8度，与模套（3）内壁配合；
所述的底盘（8）外壁与待成型金属管材（7）接触，底盘（8）与底模座（9）配合使用；底模座（9）的外壁斜度为3～8度，与模套（3）内壁接触；
在通过所述耐高温柔性粉体（5）施加载荷的热成形过程中，由于摩擦作用，随着所述压头（1）下压过程，带动周围所述耐高温柔性粉体（5）向下移动，所述耐高温柔性粉体（5）的移动带动与之接触的所述待成型金属管材（7）向下移动；所述耐高温柔性粉体（5）对所述待成型金属管材（7）的摩擦力使所述待成型金属管材（7）产生沿内表面的切向力作用。
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