CN111438254B - 封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封闭截面整体管件热气胀‑主动气冷成形装置及成形方法，属于材料塑性成形领域，包括模具、封头以及加热装置；封头包括上封头和下封头，上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于模具上端开口的内壁上，下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于模具下端开口的内壁上；加热装置设置于模具的外壁上；封头上设置有热气通道、冷气通道以及气体回收通道，热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，气体回收通道用于排出管坯内气体。本发明保证了变形发生在预设温度，避免大量冷气进入，降低管坯变形温度；同时避免了管件自然冷却收缩，被收缩量更大的模具抱死。

Description

封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及材料塑性成形领域，特别是涉及一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法。

背景技术

钛合金、钛铝合金等材料在高温下具有较好的变形抗力，耐高温性能好，多用于航空航天飞行器耐热结构件制造。随着航空航天飞行器等运载工具的发展，对结构轻量化和可靠性要求越来越高，因此钛合金和钛铝合金薄壁构件(工业中常称为钣金构件)向薄壁化、整体化、高精度方向发展。典型构件的最小壁厚达0.5-1.0mm，厚径比(壁厚与直径的比值)往往低于1％，甚至达到1‰；为提高可靠性要求尽量消除焊缝，导致构件形状更加复杂、尤其出现大量封闭异形截面构件，如进气道、排气道、排气管、喷管等管状或筒状构件；并且构件直径精度、曲面轮廓精度等往往要求高达0.2mm。由于现有刚性模具成形技术难以实现上述要求，此类构件的制造成为相关行业的技术难题。

由于这些材料室温塑性差、弹性模量低，难以室温成形，一般在在700℃以上进行塑性成形。对于封闭异形截面整体零件，由于刚性模具无法成形，一般需要采用热气胀成形方法，即首先将管坯加热至一定温度，向其内部通以高压气体，使管材发生变形贴靠模具，获得所需形状管件。

关于封闭截面管材热气胀成形方法，现有发明专利主要集中在管件加热方法与方法控制方面，均未涉及热气胀后管件的主动冷却方法与装置。

例如，专利CN201711130541.6，公开了一种基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法，将管坯密封后向管坯内喷射混合的汽油和空气并点火燃烧，使得加工合金管坯内的气压急剧增加，并通过燃烧使得管坯管壁受热升温后成形性能得以提升，进而促使管坯气胀成形得到成形空心工件。该方法采用汽油燃烧加热气体进行管件胀形，但未考虑到管材主动降温冷却相关内容。

专利CN201810824962.7，公开了一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置及方法，将异种材料管材焊接成的管坯同内置于管坯内的内覆管置于气胀成形模具内，对管坯两端进行密封后利用推杆的进退调整柔性铜块位置实现局部区域加热，向内覆管内充入高压气体使管坯快速贴模，同时推动推头进行补料使管件成形，未涉及热气胀后主动控制管件冷却以便取件的方法与装置。

专利CN201910998662.5，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，通过设置若干个加热块组合出不同的加热区域，每个加热块上绕设有感应线圈，根据导热板上各分区域的热输入量，设计并加工出各加热块、感应线圈的形状和尺寸，通过使用分体式的加热块在导热板上进行组合，能对各分区域的温度进行快速、不同梯度、分区域的调控，但未涉及高温气胀后管件冷却控制方面内容。

专利CN201811552653.5，公开了一种大尺寸钛合金曲母线双层锥筒构件的同步高压气胀成形方法，该方法采用双层锥形筒坯在特定的成形温度下进行高压热气胀成形，确保了内层和外层锥形筒之间曲面形状一致，配合间隙小，不需要后续校形工序。虽然提出通过保温热处理完成组织性能调控，避免了成形后热处理影响尺寸精度，但并未给出保温热处理的具体方法与装置，也未给出具体冷却控制方式来使管件脱模及控制尺寸精度。

综上所述，现有多种管件热气胀方法的关注点均为封闭截面管件热气胀时管件与气体加热方法、加热元件布置与模具结构，均未涉及管件热气胀成形后通过主动冷却方法控制管件成形精度方面相关内容。

实际上，以钛合金为代表的耐热材料管件热气胀成形后，如未经冷却直接出模，管件存在冷却收缩问题，冷却过程中外侧没有模具定型，无法保证较高的尺寸精度。如在模内随模具降温，降温速度慢，易产生晶粒长大，难以控制性能，生产效率低。当模具的热膨胀系数大于管坯的热膨胀系数时，模具冷却后收缩量将大于管件的收缩量，所成形管件将被冷却收缩更大的模具抱紧，无法从模具中取出。

因此，基于上述现有技术中存在的缺陷，亟需一种能保证钛合金、钛铝合金等材料管件成形精度的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管件成形尺寸精度高、材料性能好。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，包括模具、封头以及加热装置；所述封头包括上封头和下封头，所述上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于所述模具上端开口的内壁上，所述下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于所述模具下端开口的内壁上；所述加热装置设置于所述模具的外壁上，用于加热模具以及管坯；所述封头上设置有热气通道、冷气通道以及气体回收通道，所述热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，所述气体回收通道用于排出管坯内气体。

可选的，所述上封头与管坯内壁的接触面环向设置有第一凹槽，所述第一凹槽内设置有第一密封圈，所述下封头与管坯内壁的接触面环向设置有第二凹槽，所述第二凹槽内设置有第二密封圈。

可选的，所述上封头中心位置设置有向所述管坯内部延伸的延伸部，所述延伸部下端与所述下封头接触；所述下封头与所述延伸部接触的一端设置有固定槽，所述延伸部下端嵌入到所述固定槽内部，所述固定槽外壁将管坯下端挤压固定于所述模具下端的内壁上。

可选的，所述延伸部与所述固定槽内壁的接触面环向设置有第三凹槽，所述第三凹槽内设置有第三密封圈。

可选的，还设置有高压气源、气体回收装置、冷气管道、热气管道和气体回收管道，所述冷气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述冷气通道与管坯内部空间相连通；所述热气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述热气通道与管坯内部空间相连通；气体回收管道一端与所述气体回收装置相连通，另一端穿过所述气体回收通道与管坯内部空间相连通。

可选的，还设置有控制系统，所述冷气管道上设置有冷气进气控制阀和冷气传感器；所述热气通道上设置有热气进气控制阀、气体加热装置和热气传感器；所述气体回收管道上设置有气体回收控制阀；所述冷气进气控制阀、热气进气控制阀、气体回收控制阀、冷气传感器以及热气传感器均与所述控制系统电连接。

可选的，所述冷气管道外壁与所述冷气通道内壁之间、所述热气管道外壁与所述热气通道内壁之间、以及所述气体回收管道外壁与所述气体回收通道之间均设置有密封填充物。

可选的，所述密封填充物为紫铜填充物。

可选的，所述加热装置为缠绕在所述模具外部的感应线圈，所述感应线圈与电源连接，所述模具的上部、中部和下部分别设置有模具上部热电偶、模具中部热电偶和模具下部热电偶，所述管坯的上部、中部和下部分别设置有管材上部热电偶、管材中部热电偶和管材下部热电偶；所述模具上部热电偶、所述模具中部热电偶、所述模具下部热电偶、所述管材上部热电偶、所述管材中部热电偶和所述管材下部热电偶均与所述控制系统电连接。

本发明还提供一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形方法，包括以下步骤：

第一步：将待加工管件放入模具，安装所述上封头和所述下封头，分别将管坯的上、下端挤压固定于所述模具上、下端的内壁上，形成管坯内部的封闭空间；

第二步：开启所述加热装置对管坯进行加热至预设温度；

第二步：从所述热气通道向管坯内部通入热气进行气胀至管坯完全紧贴所述模具内壁；

第三步：从所述气体回收通道排出热气；

第四步：从所述冷气通道通入冷气使管坯发生冷却；

第五步：管坯冷却收缩，与所述模具分离，脱模，继续自然降温，获得合格管件。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过向管坯内通入热气进行气胀，保证变形发生在预设温度，避免大量冷气进入，降低进气口附近区域管坯变形温度；管件成形后，通过通入冷气对管件进行主动冷却，避免了管件自然冷却收缩，被收缩量更大的模具抱死；

进一步地，冷热气体可控，可在冷却过程中对管件进行热处理，使管件获得更好的性能，同时缩短生产周期；

进一步地，通过设置热电偶，不仅可以精确测量管坯的实时温度，控制取件温度，保证成形质量，同时可实时监控模具各个部分的温度，从而更加清晰、可靠的控制热气胀以及冷却进度。

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为本发明提供的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置管坯成形前的状态图；

图2为本发明提供的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置管坯成形后的状态图。

图中：1-模具；2-上封头；3-下封头；4-管坯；5-热气通道；6-冷气通道；7-气体回收通道；8-第一密封圈；9-第二密封圈；10-延伸部；11-固定槽；12-第三密封圈；13-高压气源；14-气体回收装置；15-冷气管道；16-热气管道；17-气体回收管道；18-控制系统；19-冷气进气控制阀；20-热气进气控制阀；21-气体回收控制阀；22-冷气传感器；23-热气传感器；24-气体加热装置；25-模具上部热电偶；26-模具中部热电偶；27-模具下部热电偶；28-感应线圈；29-管材上部热电偶；30-管材中部热电偶；31-管材下部热电偶。

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。

本发明的目的是提供一种，以解决现有技术存在的问题，使管件成形尺寸精度高、材料性能好。

本发明提供的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，包括模具、封头以及加热装置；封头包括上封头和下封头，上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于模具上端开口的内壁上，下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于模具下端开口的内壁上；加热装置设置于模具的外壁上，用于加热模具以及管坯；封头上设置有热气通道、冷气通道以及气体回收通道，热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，气体回收通道用于排出管坯内气体。

本发明通过向管坯内通入热气进行气胀，保证变形发生在预设温度，避免大量冷气进入，把管坯温度降低；管件成形后，通过通入冷气对管件进行主动冷却，避免了管件自然冷却收缩，被收缩量更大的模具抱死。

如图1-2，本发明提供的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，包括模具1、封头以及加热装置；封头包括上封头2和下封头3，上封头2用来密封管坯4上端开口并将管坯4挤压固定于模具1上端开口的内壁上，下封头3用来密封管坯4下端开口并将管坯4挤压固定于模具1下端开口的内壁上；加热装置设置于模具1的外壁上，用于加热模具1以及管坯4；封头上设置有热气通道5、冷气通道6以及气体回收通道7，热气通道5、冷气通道6分别用于向管坯4内部通入热气和冷气，气体回收通道7用于排出管坯4内气体。

在进行管件成形加工作业时，操作人员将管坯4放入模具1中，再安装上封头2、下封头3，分别将管坯4的上、下端挤压固定于模具1上、下端开口的内壁上，同时实现了由上封头2、下封头3和管坯4形成的封闭环境；操作人员不仅能通过热气通道5向管坯4内通入热气进行气胀，保证变形发生在预设温度，避免大量冷气进入，把管坯4温度降低；而且在管件成形后，可通过冷气通道6向管坯4内部通入冷气对管件进行主动冷却，避免了管件自然冷却收缩，被收缩量更大的模具1抱死，从而有效提高了管件的成形质量。

进一步地，为了确保密封效果，上封头2与管坯4内壁的接触面环向设置有第一凹槽，第一凹槽内设置有第一密封圈8，下封头3与管坯4内壁的接触面环向设置有第二凹槽，第二凹槽内设置有第二密封圈9。

进一步地，上封头2中心位置设置有向管坯4内部延伸的延伸部10，延伸部10下端与下封头3接触；下封头3与延伸部10接触的一端设置有固定槽11，延伸部10下端嵌入到固定槽11内部，固定槽11外壁将管坯4下端挤压固定于模具1下端的内壁上。

延伸部10的设置，一方面占用管坯4内部一定的空间，减少了热气胀过程中的气量，提高了热气胀效率；另一方面在延伸部10与管坯4内壁之间形成了一个环形空间，从而有效提高了热气胀作用力的均匀性，保证了成形效果。

进一步地，为了确保密封效果，延伸部10与固定槽11内壁的接触面环向设置有第三凹槽，第三凹槽内设置有第三密封圈12。

进一步地，还设置有高压气源13、气体回收装置14、冷气管道15、热气管道16和气体回收管道17，冷气管道15一端与高压气源13相连通，另一端穿过冷气通道6与管坯4内部空间相连通；热气管道16一端与高压气源13相连通，另一端穿过热气通道5与管坯4内部空间相连通；气体回收管道17一端与气体回收装置14相连通，另一端穿过气体回收通道7与管坯4内部空间相连通。

进一步地，还设置有控制系统18，冷气管道15上设置有冷气进气控制阀19和冷气传感器22；热气通道5上设置有热气进气控制阀20、气体加热装置24和热气传感器23；气体回收管道17上设置有气体回收控制阀21；冷气进气控制阀19、热气进气控制阀20、气体回收控制阀21、冷气传感器22以及热气传感器23均与控制系统18电连接。

冷气传感器22、热气传感器23分别将冷气管道15、热气管道16中的气压信号传递给控制系统18，以便于控制系统18作出指令，通过控制冷气进气控制阀19、热气进气控制阀20以及气体回收控制阀21来控制气体的通入量和排出量。冷气传感器22以及热气传感器23可实时测量气体温度，如温度高于预设值，可减小气体加热装置24的功率，如气体温度低于预设值，可加大气体加热装置24的功率。

进一步地，为了确保密封效果，冷气管道15外壁与冷气通道6内壁之间、热气管道16外壁与热气通道5内壁之间、以及气体回收管道17外壁与气体回收通道7之间均设置有密封填充物。

进一步地，密封填充物为紫铜填充物。

进一步地，加热装置为缠绕在模具1外部的感应线圈28，感应线圈28与电源连接，模具1的上部、中部和下部分别设置有模具上部热电偶25、模具中部热电偶26和模具下部热电偶27，管坯的上部、中部和下部分别设置有管材上部热电偶29、管材中部热电偶30和管材下部热电偶31；模具上部热电偶25、模具中部热电偶26、模具下部热电偶27、管材上部热电偶29、管材中部热电偶30和管材下部热电偶31均与控制系统电连接，精确测量管坯4的实时温度，控制取件温度，保证成形质量，同时可实时监控模具1各个部分的温度，从而更加清晰、可靠的控制热气胀以及冷却进度。

如图1-2，本发明提供的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形方法，包括以下步骤：

第一步：将待加工管件放入模具1，安装上封头2和下封头3，分别将管坯4的上、下端挤压固定于模具1上、下端的内壁上，形成管坯4内部的封闭空间；

第二步：开启加热装置对管坯4进行加热至预设温度；

第二步：从热气通道5向管坯4内部通入热气进行气胀至管坯4完全紧贴模具1内壁；

第三步：从气体回收通道7排出热气；

第四步：从冷气通道6通入冷气使管坯4发生冷却；

第五步：管坯4冷却收缩，与模具1分离，脱模，继续自然降温，获得合格管件。

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 (8)

1.一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：包括模具、封头以及加热装置；所述封头包括上封头和下封头，所述上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于所述模具上端开口的内壁上，所述下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于所述模具下端开口的内壁上；所述加热装置设置于所述模具的外壁上，用于加热模具以及管坯；所述封头上设置有热气通道、冷气通道以及气体回收通道，所述热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，所述气体回收通道用于排出管坯内气体；

所述上封头中心位置设置有向所述管坯内部延伸的延伸部，所述延伸部下端与所述下封头接触；

还设置有高压气源、气体回收装置、冷气管道、热气管道和气体回收管道，所述冷气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述冷气通道与管坯内部空间相连通；所述热气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述热气通道与管坯内部空间相连通；气体回收管道一端与所述气体回收装置相连通，另一端穿过所述气体回收通道与管坯内部空间相连通；

还设置有控制系统，所述冷气管道上设置有冷气进气控制阀和冷气传感器；所述热气通道上设置有热气进气控制阀、气体加热装置和热气传感器；所述气体回收管道上设置有气体回收控制阀；所述冷气进气控制阀、热气进气控制阀、气体回收控制阀、冷气传感器以及热气传感器均与所述控制系统电连接。

2.根据权利要求 1 所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述上封头与管坯内壁的接触面环向设置有第一凹槽，所述第一凹槽内设置有第一密封圈，所述下封头与管坯内壁的接触面环向设置有第二凹槽，所述第二凹槽内设置有第二密封圈。

3.根据权利要求 1 所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述下封头与所述延伸部接触的一端设置有固定槽，所述延伸部下端嵌入到所述固定槽内部，所述固定槽外壁将管坯下端挤压固定于所述模具下端的内壁上。

4.根据权利要求 3 所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述延伸部与所述固定槽内壁的接触面环向设置有第三凹槽，所述第三凹槽内设置有第三密封圈。

5.根据权利要求 1 所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述冷气管道外壁与所述冷气通道内壁之间、所述热气管道外壁与所述热气通道内壁之间、以及所述气体回收管道外壁与所述气体回收通道之间均设置有密封填充物。

6.根据权利要求 5 所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述密封填充物为紫铜填充物。

7.根据权利要求 1 所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述加热装置为缠绕在所述模具外部的感应线圈，所述感应线圈与电源连接，所述模具的上部、中部和下部分别设置有模具上部热电偶、模具中部热电偶和模具下部热电偶，所述管坯的上部、中部和下部分别设置有管材上部热电偶、管材中部热电偶和管材下部热电偶；所述模具上部热电偶、所述模具中部热电偶、所述模具下部热电偶、所述管材上部热电偶、所述管材中部热电偶和所述管材下部热电偶均与所述控制系统电连接。

8.一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形方法，其特征在于，使用权利要求1~7中任意一项所述封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，包括以下步骤：

第一步：将待加工管件放入模具，安装所述上封头和所述下封头，分别将管坯的上、下端挤压固定于所述模具上、下端的内壁上，形成管坯内部的封闭空间；

第二步：开启所述加热装置对管坯进行加热至预设温度；

第二步：从所述热气通道向管坯内部通入热气进行气胀至管坯完全紧贴所述模具内壁；

第三步：从所述气体回收通道排出热气；

第四步：从所述冷气通道通入冷气使管坯发生冷却；

第五步：管坯冷却收缩，与所述模具分离，脱模，继续自然降温，获得合格管件。

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