CN111842603B - 金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法。所述精确控温系统包括测温装置，控制装置，加热控温装置，其中，所述控制装置储存有标准热源模型、加热控温系统，所述标准热源模型内包含设定温度，所述加热控温装置用于对所述毛坯进行加热，所述加热控温装置由所述加热控温系统控制，利用所述测温装置采集所述毛坯的温度信号并上传至控制装置，当所述毛坯的温度达到所述设定温度时，所述控制装置能够控制所述旋轮对所述毛坯进行旋压。该精确控温系统解决了现有加热旋压过程中金属材料毛坯变形区域加热温度“测不准、难控制”的问题，能够准确、有效控制加热旋压过程中金属材料毛坯变形区域的加热温度。

Description

金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法

技术领域

本发明涉及旋压成形技术领域，是在开放环境进行加热旋压成形过程中，特别涉及一种金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法。

背景技术

旋压过程中加热的目的是提高被加工金属材料的塑性、降低变形抗力，减少旋压设备输出的成形力。

旋压过程普遍采用开放式加热，加热炬火焰仅能覆盖毛坯的局部；加热炬虽然可以通过往复扫动覆盖旋压毛坯各个部位，但是火焰的大小、被加热区域、火焰与坯料之间的距离均由人工调节，存在较大波动性和随意性；强旋时工件与芯模的接触面积会发生变化，工件的表面积会发生改变；不同季节尤其在冬、夏季，旋压毛坯保证正常加工所需的加热时间和火焰大小都不同。加热温升速率不同，坯料各区域的温度分布也不相同。由此会导致产品成形的一致性差、材料局部产生过烧导致报废等一系列问题。

金属材料在实际加热旋压过程中无法采用接触测量方式获得准确的加热温度。受加热过程中润滑剂的干扰，多点式红外测温仪的测量误差太大，根本无法满足测温精度的需要。目前热旋工艺参数的调整更多是凭借经验。

综上所述，开放式加热条件下，旋压过程中无法准确获得材料变形区的实际温度并进行调节和控制。这极大限制了加热旋压工艺推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法，解决在开放式加热条件下，金属材料加热旋压的精确控温难题。

本发明的技术方案给出了一种金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法，目的是解决加热旋压过程中材料变形区域加热温度“测不准、难控制”的问题，藉此解决热旋产品质量一致性差、生产效率低等共性难题。实现热旋工艺参数由人工经验化向可视化、量化优化方式的改变。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属材料加热旋压的精确控温系统，金属材料的毛坯由旋轮进行旋压，所述精确控温系统包括测温装置、控制装置、加热控温装置，其中，所述控制装置储存有标准热源模型、加热控温系统，所述标准热源模型内包含设定温度，所述加热控温装置用于对所述毛坯进行加热，所述加热控温装置由所述加热控温系统控制，利用所述测温装置采集所述毛坯的温度信号并上传至控制装置，当所述毛坯的温度达到所述设定温度时，所述控制装置能够控制所述旋轮对所述毛坯进行旋压。

进一步地，在上述的金属材料加热旋压的精确控温系统中，所述加热控温装置包括加热炬、气路、机械臂和控制柜，所述机械臂和所述控制柜均由所述控制装置控制，所述控制柜用于向所述气路控制输送燃气，所述气路用于向所述加热炬输送燃气，所述燃气在所述加热炬处点燃并用于加热所述毛坯，所述加热炬与所述机械臂连接，所述机械臂能够控制所述加热炬靠近或者远离所述毛坯。

进一步地，在上述的金属材料加热旋压的精确控温系统中，所述机械臂具有三自由度，所述控制柜设置有电磁阀，所述电磁阀用于控制所述气路中燃气的流量。

进一步地，在上述的金属材料加热旋压的精确控温系统中，所述加热炬设置有两个或多个，两个或多个所述加热炬能够同时加热所述毛坯上的两个或多个相对的位置；所述气路设置有两条或多条，每条所述气路连通一个所述加热炬。

进一步地，在上述的金属材料加热旋压的精确控温系统中，所述测温装置为红外热像仪红外热成像仪，所述红外热像仪红外热成像仪与所述毛坯之间的距离为，所述红外热像仪红外热成像仪放置在固定支架上。

进一步地，在上述的金属材料加热旋压的精确控温系统中，所述控制装置包括计算机，所述计算机还储存有热旋工艺参数数据库和分析评价模块。

进一步地，在上述的金属材料加热旋压的精确控温系统中，所述计算机能够根据所述热旋工艺参数数据库控制所述旋轮的旋压轨迹。

另一方面，提供了一种利用上述的所述精确控温系统对金属材料进行加热旋压的方法，包括以下步骤：

1)在控制装置中建立金属材料的标准热源模型和热旋工艺参数数据库；

2)安装芯模，固定毛坯，开启测温装置，接通并点燃加热炬对毛坯进行预热；

3)采集、上传毛坯的温度数据

测温装置实时采集毛坯的旋压变形区域和预成型区域的温度数据并上传至控制装置，毛坯达到预定温度后启动旋轮对所述毛坯进行旋压成型；

4)温度数据与标准热源模型进行对比

由控制装置根据热旋工艺参数数据库设定的旋压轨迹控制旋轮运动，控制装置将毛坯的实时温度数据与标准热源模型进行对比，根据对比结果向机械臂发出加热炬空间位置调整信号并向控制柜发出燃气流量控制信号；

5)金属材料旋压变形区域、预成型区域的智能加热控制

机械臂根据接收到的加热炬空间位置调整信号对每个加热炬的空间位置进行自动控制、控制柜根据接收到的燃气流量控制信号对每个加热炬燃气的流量进行自动控制，控制装置根据热旋工艺参数数据库控制旋轮对毛坯进行旋压，直至全部毛坯贴合芯模；

6)加热效果分析和评价

控制装置将动态的加热温度和加热效果与热旋工艺参数数据库进行比对和分析，对加热效果进行评价并完善热旋工艺参数数据库。

分析可知，本发明公开一种金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法，解决了现有加热旋压过程中金属材料毛坯变形区域加热温度“测不准、难控制”的问题，对金属材料毛坯的加热温度进行监测、将采集的温度信号与给定金属材料预置的标准热源模型进行比对，分别对温度正负偏离程度进行分析，发出对各加热炬的加热位置和燃气出口流量的控制信号，调整加热炬的位置、控制气路流量，能够准确、有效控制加热旋压过程中金属材料毛坯变形区域的加热温度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的金属材料加热旋压的精确控温系统示意图。

图2为本发明一实施例的毛坯与芯模装配示意图。

附图标记说明：1控制装置；2以太网线缆；3控制线缆；4控制柜；5测温装置；6气路；7加热炬；8毛坯；9固定支架；10机械臂；11芯模；12旋轮；13尾顶。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种金属材料加热旋压的精确控温系统，金属材料可为铝合金、铜合金、钛合金等可旋性良好的材料，金属材料的毛坯8由旋轮12进行旋压，精确控温系统包括测温装置5、控制装置1、加热控温装置，其中，控制装置1储存有标准热源模型、加热控温系统，标准热源模型内包含设定温度，设定温度包括给定的理想加热温度曲线，其温度上限一般不超过材料的退火温度，加热控温装置用于对毛坯8进行加热，加热控温装置由加热控温系统控制，利用测温装置5采集毛坯8的温度信号并上传至控制装置1，当毛坯8的温度达到设定温度时，控制装置1能够控制旋轮12对毛坯8进行旋压。

解决了现有加热旋压过程中金属材料毛坯8变形区域加热温度“测不准、难控制”的问题，对金属材料毛坯8的加热温度进行监测、将采集的温度信号与给定金属材料预置的标准热源模型进行比对，分别对温度正负偏离程度进行分析，发出对各加热炬7的加热位置和燃气出口流量的控制信号，调整加热炬7的位置、控制气路6流量，有效控制加热旋压过程中金属材料毛坯8变形区域的加热温度。

进一步地，加热控温装置包括加热炬7、气路6、机械臂10和控制柜4，机械臂10和控制柜4均由控制装置1控制，机械臂10通过控制线缆3与控制装置1连接，控制柜4通过控制线缆3与控制装置1连接。控制柜4用于向气路6控制输送燃气，气路6用于向加热炬7输送燃气，燃气在加热炬7处点燃并用于加热毛坯8。控制柜4设置有电磁阀，电磁阀用于控制所述气路6中燃气的流量，控制柜4向气路6控制输送燃气。电磁阀设置有多个，每个电磁阀对应一条气路6，控制柜4通过调节电磁阀控制燃气的输送量。

加热炬7与机械臂10连接，机械臂10能够控制加热炬7靠近或者远离毛坯8。机械臂10具有三自由度，在控制加热炬7靠近或者远离毛坯8时，能够精确的带动加热炬7移动，进而精确的控制金属材料毛坯8的温度。

进一步地，加热炬7设置有两个(组)或多个(组)，两个(组)或多个(组)加热炬7能够同时加热毛坯8，两个(组)或多个(组)加热炬7在毛坯8的外周均匀设置。如果设置两个加热炬7，两个加热炬7能够同时加热毛坯8上的两个相对的位置。气路6设置有两条或多条，每条气路6连通一个所述加热炬7。加热炬7的数量以能够经济地将毛坯8加热到设定温度决定。

进一步地，测温装置5为红外热成像仪，红外热成像仪与毛坯8之间的距离以热成像仪尽可能全部覆盖加热区域为原则，红外热成像仪放置在固定支架9，固定支架9可以安装固定在机床旋轮12的位置也可以固定在指定位置上，红外热成像仪通过以太网线缆2与控制装置1连接。

进一步地，控制装置1包括计算机，计算机还储存有热旋工艺参数数据库和分析评价模块。分析评价模块对比实际加热温度与给定的理想加热温度曲线的差异，根据正负偏离程度予以加热炬7的位置和燃气出口流量补偿。计算机能够根据热旋工艺参数数据库控制旋轮12的旋压轨迹。

控制柜4和测温装置5均与计算机连接，红外热成像仪能够探测毛坯8的温度并把温度数据传递给计算机；在对毛坯8进行加热旋压时，计算机能够根据毛坯8的温度数据自动调节加热炬7的空间位置和加热炬7的气路6出口喷出燃气的流量；如图2所示，由旋轮12按芯模11的形状对毛坯8进行旋压，芯模11的小端为尾顶13。

计算机存储有金属材料的标准热源模型和热旋工艺参数数据库，计算机能够将毛坯8的温度数据与标准热源模型进行比对，并根据对比结果对加热炬7的空间位置以及燃气出口喷出燃气的流量进行自动控制；计算机能够根据热旋工艺参数数据库控制旋轮12的旋压轨迹。

本发明还公开一种利用上述精确控温系统对金属材料进行加热旋压的方法，包括以下步骤：

1)预置标准热源模型、设置热旋工艺参数数据库

在控制装置1中建立金属材料的标准热源模型和热旋工艺参数数据库；

1.1在标准热源模型里给定金属材料设定温度的温度曲线，其温度上限一般不超过材料的退火温度。加热温度如果超过金属材料的退火温度会引起材料相变、过烧等不良后果。加热温度太低不能充分挖掘材料的塑性潜力、降低材料变形抗力。因此加热温度上限应不超过金属材料的退火温度。

1.2积累多次操作的热旋工艺参数，形成热旋工艺参数数据库，热旋工艺参数数据库还包括有旋轮12的既定轨迹。

2)安装芯模11并调整精度，调整精度是指通过调整芯模11与机床主轴的间隙和紧固螺栓的张紧程度，使芯模11的圆跳动量达到0.05mm精度。固定毛坯8，开启测温装置5，接通并点燃加热炬7对毛坯8进行预热；

2.1将金属材料的毛坯8安装固定在机床的芯模11上，调整旋轮12与毛坯8的位置，在开放式环境中进行加热旋压，毛坯8由旋轮12进行旋压；

2.2开启测温装置5(红外热成像仪)，监控旋压时毛坯8各区域的温度；

2.3接通输送燃气的气路6，点燃各个加热炬7；

2.4机床带动芯模11和毛坯8旋转，预热毛坯8，软化被加工的金属材料毛坯8。

3)采集、上传毛坯8的温度数据

测温装置5实时采集毛坯8的旋压变形区域和预成型区域的温度数据并上传至控制装置1，控制装置1内储存的加热控温系统根据标准热源模型的温度数据控制旋轮12，毛坯8达到预定温度后启动旋轮12对毛坯8进行旋压成型。

4)温度数据与标准热源模型进行对比

由控制装置1根据热旋工艺参数数据库设定的旋压轨迹控制旋轮12运动，使毛坯8逐段发生塑性变形，旋轮12的运动轨迹一般由切入段、强旋段、普旋段和退出段组成。预设旋轮12运动轨迹和芯模11的间隙，使得金属材料在旋轮12和芯模11间隙的压迫下完成塑性变形并改变形状。控制装置1将毛坯8的实时温度数据与标准热源模型进行对比，根据对比结果向机械臂10发出加热炬7空间位置调整信号并向控制柜4发出燃气流量控制信号；

将实时的金属材料旋压变形区域和预成型区域的温度数据与已知的标准热源模型进行对比，给出所有加热炬7位置的调整信号和加热炬7燃气出口的流量控制信号。

4.1将实时的金属材料旋压变形区域、预成型区域的温度数据与已知标准热源模型进行对比：当毛坯8预加热至设定温度时开始旋压成形，当毛坯8未达到设定温度时延长预加热时间直至达到设定温度；

4.2旋轮12按照既定轨迹运动，旋压时加热炬7同时对毛坯8的变形区域进行加热。

5)金属材料旋压变形区域、预成型区域的智能加热控制

机械臂10根据接收到的加热炬7空间位置调整信号对每个加热炬7的空间位置进行自动控制、控制柜4根据接收到的燃气流量控制信号对每个加热炬7燃气的流量进行自动控制，实现旋压过程中金属材料变形区域、预成型区域温度的自适应控制和调节。

控制装置1根据热旋工艺参数数据库控制旋轮12对毛坯8进行旋压，直至全部毛坯8贴合芯模11；

当材料经过一次旋压无法达到预定的形状和壁厚时，就需要采取多次成形的办法。那么此前进行的多次成形过程就称为预成型。预成型区域的温度控制要求较宽松，加热炬7一般对准材料的预成型区和变形区交界位置附近即可。

5.1旋压过程中金属材料变形区域、预成型区域的温度的自适应控制和调节是指：

当金属材料变形区域的温度与标准热源模型内的设定温度发生偏离，正偏离是指金属材料变形区域的温度高于标准热源模型内的设定温度，负偏离是指金属材料变形区域的温度低于标准热源模型内的设定温度：

发生正偏离：加热控温系统给出所有加热炬7位置调整信号和燃气出口流量控制信号，驱动机械臂10带动加热炬7远离被加热的金属材料同时控制电磁阀减少燃气出口流量输出；

发生正偏离：加热控温系统给出所有加热炬7位置调整信号，驱动机械臂10带动加热炬7远离被加热的金属材料；

发生正偏离：加热控温系统给出所有加热炬7燃气出口流量控制信号，控制电磁阀减少燃气出口流量输出；

发生负偏离：加热控温系统给出所有加热炬7位置调整信号和燃气出口流量控制信号，驱动机械臂10带动加热炬7靠近被加热的金属材料位置同时控制电磁阀增大燃气出口流量输出；

发生负偏离：加热控温系统给出所有加热炬7位置调整信号，驱动机械臂10带动加热炬7靠近被加热的金属材料；

发生负偏离：加热控温系统给出燃气出口流量控制信号，控制电磁阀增大燃气出口流量输出。

5.2始终保持金属材料变形区域、预成型区域的温度符合设定温度，使毛坯8逐步贴合芯模11并接近最终形状，旋压毛坯8的其余部分预成型直至全部贴合芯模11为止。

6)加热效果分析和评价

控制装置1将动态的加热温度和加热效果与热旋工艺参数数据库进行比对和分析，对加热效果进行评价并完善热旋工艺参数数据库。

将实时的温度数据与标准热源模型里给定金属材料设定温度的温度曲线进行比对和分析，对加热效果进行评价；给出工件的加热旋压效果评价和自动完善热旋工艺参数数据库。

6.1将实时的温度数据与标准热源模型里给定金属材料设定温度的温度曲线进行比对和分析，对加热效果进行评价；

6.2给出工件的加热旋压效果评价；

6.3自动完善热旋工艺参数数据库。

实施例1:

制造长度为700mm，大端外径为550mm，一端有封底，壁厚15mm，截面为近似椭球形的铝合金零件。

标准热源模型为铝合金材料的标准热源模型，累积并调入铝合金材料热旋压工艺参数的历史数据组成旋压工艺参数数据库；

制造步骤按上述对金属材料进行加热旋压的方法实施。

加工完成后，控温系统切断燃气气路6，驱动三自由度机械臂10带动加热炬7远离已完成加工工件。对基础环境温度、加热时长、燃气流量等信息进行统计分析，得出本件产品加热效果的分析评价，给出完善热旋工艺参数数据库的建议。

本发明公开的金属材料加热旋压的精确控温系统和精确控温旋压方法，能够彻底解决现有加热旋压过程中金属材料毛坯8变形区域加热温度“测不准、难控制”的问题，对金属材料毛坯8的加热温度进行监测、将采集的温度信号与给定金属材料预置的标准热源模型进行比对，分别对温度正负偏离程度进行分析，发出对各加热炬7的加热位置和燃气出口流量的控制信号，调整加热炬7的位置、控制气路6流量，能够准确、有效控制加热旋压过程中金属材料毛坯8变形区域的加热温度。藉此可解决热旋产品质量一致性差、生产效率低等共性难题。本精确控温系统和精确控温旋压方法是拓展加热旋压应用范围的技术利器，是实现热旋工艺参数由人工经验化向可视化、量化优化方式改变的有效技术途径。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种金属材料加热旋压的精确控温系统，金属材料的毛坯由旋轮进行旋压，其特征在于，所述精确控温系统包括测温装置、控制装置、加热控温装置，其中，

所述控制装置储存有标准热源模型、加热控温系统，所述标准热源模型内包含设定温度，设定温度包括给定的理想加热温度曲线，温度上限不超过金属材料的退火温度，

所述加热控温装置用于对所述毛坯进行加热，所述加热控温装置由所述加热控温系统控制，

利用所述测温装置采集所述毛坯的温度信号并上传至控制装置，

当所述毛坯的温度达到所述设定温度时，所述控制装置能够控制所述旋轮对所述毛坯进行旋压；

所述加热控温装置包括加热炬、气路、机械臂和控制柜，所述机械臂和所述控制柜均由所述控制装置控制，

所述控制柜用于向所述气路控制输送燃气，所述气路用于向所述加热炬输送燃气，所述燃气在所述加热炬处点燃并用于加热所述毛坯，

所述加热炬与所述机械臂连接，所述机械臂能够控制所述加热炬靠近或者远离所述毛坯；

所述机械臂具有三自由度，所述控制柜设置有电磁阀，所述电磁阀用于控制所述气路中燃气的流量；

所述测温装置和所述控制装置能够对金属材料毛坯的加热温度进行监测并将采集的温度信号与给定金属材料预置的标准热源模型进行比对，分别对温度正负偏离程度进行分析，发出对所述加热炬的加热位置和燃气出口流量的控制信号，调整所述加热炬的位置和控制气路的流量，有效控制加热旋压过程中金属材料毛坯变形区域的加热温度；

所述控制装置包括计算机，所述计算机还储存有热旋工艺参数数据库和分析评价模块；所述计算机能够根据所述热旋工艺参数数据库控制所述旋轮的旋压轨迹；所述分析评价模块能够对比实际加热温度与给定的理想加热温度曲线的差异，根据正负偏离程度予以所述加热炬的位置和燃气出口流量进行补偿。

2.根据权利要求1所述的金属材料加热旋压的精确控温系统，其特征在于，

所述加热炬设置有两个或多个，两个或多个所述加热炬能够同时加热所述毛坯上的两个或多个相对的位置；

所述气路设置有两条或多个，每条所述气路连通一个所述加热炬。

3.利用权利要求1至2中任一项的所述精确控温系统对金属材料进行加热旋压的方法，包括以下步骤：

1）在控制装置中建立金属材料的标准热源模型和热旋工艺参数数据库；

2）安装芯模，固定毛坯，开启测温装置，接通并点燃加热炬对毛坯进行预热；

3）采集、上传毛坯的温度数据

测温装置实时采集毛坯的旋压变形区域和预成型区域的温度数据并上传至控制装置，毛坯达到预定温度后启动旋轮对所述毛坯进行旋压成型；

4）温度数据与标准热源模型进行对比

由控制装置根据热旋工艺参数数据库设定的旋压轨迹控制旋轮运动，控制装置将毛坯的实时温度数据与标准热源模型进行对比，根据对比结果向机械臂发出加热炬空间位置调整信号并向控制柜发出燃气流量控制信号；

5）金属材料旋压变形区域、预成型区域的智能加热控制

机械臂根据接收到的加热炬空间位置调整信号对每个加热炬的空间位置进行自动控制、控制柜根据接收到的燃气流量控制信号对每个加热炬燃气的流量进行自动控制，控制装置根据热旋工艺参数数据库控制旋轮对毛坯进行旋压，直至全部毛坯贴合芯模；

6）加热效果分析和评价

控制装置将动态的加热温度和加热效果与热旋工艺参数数据库进行比对和分析，对加热效果进行评价并完善热旋工艺参数数据库。

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