CN112893554A - 一种钛合金薄壁整圆形零件热绕弯成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，包括以下步骤：将工件的两端分别夹在热绕弯成形装置的固定端夹具和移动端夹具上；自阻加热工件至预设温度；将工件侧向压紧在模具环形凹模内部；模具主体带着工件以预定的应变速率1.0×10^‑2‑1.0×10^‑4/s进行转动；停止模具主体的转动，将保温箱装配在旋转工作台上，启动辅助加热系统，将工件温度保持在500℃‑750℃下，实现对工件的高温应力松弛；将工件冷却到室温，完成钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形。本发明的技术方案能更好的完成大曲率的整圆形钛合金薄壁型材的加工，能够一次成形，简化原来的工艺流程，大大节约生产成本，提升加工效率。

Description

一种钛合金薄壁整圆形零件热绕弯成形方法

技术领域

本发明属于金属热加工技术领域，尤其涉及一种钛合金薄壁整圆形零件热绕弯成形方法。

背景技术

钛合金材料具有强度高、密度小，机械性能好，韧性和抗蚀性能好的特点，广泛应用于航空航天领域。目前型材弯曲工艺主要有拉弯、绕弯和滚弯，其中拉弯法是应用最广泛的一种型材弯曲工艺，其成形后的型材弯曲精度高、回弹小，但由于型材外侧已产生过度减薄，所以很容易出现拉裂缺陷，另外该成形方法的成形角度有限、设备比较复杂、成本高；绕弯法也是一种比较典型的弯曲工艺，用该方法成形的型材质量比较高，成形角度比较大且工艺简单，成本较低，但相比较于拉弯法，绕弯模弯曲型材的回弹量较大，型材截面容易发生畸变；滚弯法成形的型材回弹量更大，且型材易出现开裂等缺陷。

经对现有专利技术文献检索发现，已有相关型材热弯曲成形方法。

1)通过在型材坯料表面涂抹防氧化陶瓷涂层，使均温炉升温至第一温度，通过固定部件将型材两端固定，对型材加热，温度升至第一温度，按照固定部件在拉完模具上的运动轨迹，将型材拉弯成形至贴模，并保持拉弯成形过程中的补拉量不变，对型材进一步加热，升温至第二温度，并使型材的温度在固溶时间段内稳定在第二温度允许范围，将靠模与所示拉弯模具合模，使型材在靠模与拉弯模具合模后的腔体内处于约束状态，对型材进行强制淬火至室温，调节均温炉的温度为第三温度，在保持补拉量不变的状态下，将腔体内的型材调温至第三温度，达到时效时间段后，腔体内的型材自然冷却至室温。

2)通过将型材放置在凹模型腔中，并将型材一端夹持到夹头中，另外一端放入拉伸装置中，对拉伸装置施加拉力，使型材产生伸长量，旋转调节结构使动模压紧型材，对动模施加弯矩，使型材弯曲需要的角度，最后旋转调节机构，撤去动模、拉伸装置和夹头，取出已弯曲成形的型材。

综合以上分析可知，现有技术主要存在以下不足：

1)钛合金型材拉弯成形并原位热处理方法，通过调节温度来实现型材在不同温度下的成形和热处理，提高了型材本身的加热效率以及能量利用率，既保证了成形精度又调控了性能。虽然能够获得成形效果更好的型材零件，但该方式需要采用价格昂贵的均温炉，设备成本比较高且型材成形角度受到拉弯模具的限制，难以成形大角度型材零件。

2)型材张力绕弯成形工艺，目的是一种型材绕弯的新工艺，操作简单，可以成形复杂截面形状的型材，且弯曲件的成形质量好，回弹小。但该工艺并没有实现对待成形型材的高温应力松弛过程，因此，对于难以成形的钛合金型材来说，该工艺无法保证型材大角度弯曲成形时的成形精度以及对回弹量的控制。

发明内容

为了解决对钛合金薄壁型材零件进行大角度弯曲成形时、成形困难和工艺过程复杂以及成形后回弹量难以控制问题，而提出一种钛合金薄壁整圆形零件热绕弯成形方法，通过自阻加热的方式，对工件进行持续加热，降低钛合金材料的抗拉强度后，进行绕弯成形，绕弯成形结束后利用保温工装使工件在一定温度下保持一段时间，来一次成形出高精度的整圆形薄壁钛合金零件。本发明的具体技术方案如下：

一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，包括以下步骤：

S1：将钛合金型材工件的两端分别夹在热绕弯成形装置的固定端夹具和滑动端夹具上；

S2：自阻加热钛合金型材工件至预设温度；

S3：将钛合金型材工件侧向压紧在模具环形凹模内部；

S4：模具主体带着钛合金型材工件以预定的应变速率转动；

S5：模具主体停止转动，将保温箱装配在旋转工作台上，启动辅助加热，将钛合金型材工件温度保持在500℃-750℃，实现对钛合金型材工件的高温应力松弛；

S6：将钛合金型材工件冷却到室温，完成钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形。

进一步地，所述步骤S2中，由室温将钛合金型材工件加热至500℃-750℃，加热时间为0.5min-10min。

进一步地，所述步骤S4中，预定应变速率为1.0×10^-2-1.0×10^-4/s。

进一步地，所述步骤S5中，辅助加热，一方面通过电阻丝在模具主体内表面辅助加热，另一方面通过保温工装内壁上的加热石英灯管进行辐射加热，加热时间为5min-100min。

进一步地，所述热绕弯成形装置包括模具、侧压装置、夹具单元、自阻加热单元、旋转工作台和保温箱，其中，

所述模具竖直安装在所述旋转工作台上，包括模具主体和环形凹模，所述模具主体为空心圆柱状，所述模具主体设置在所述旋转工作台的旋转轴上，能够拆卸；所述环形凹模设置在所述模具主体的中部，用于容纳工件、成形工件；

所述侧压装置和所述旋转工作台安装在机床床身上，所述机床床身起固定连接和结构支撑的作用；

所述侧压装置与所述环形凹模设置在同一水平面上，用于将工件压进所述环形凹模内；

所述夹具单元包括设置在所述模具主体上的固定端夹具和设置与所述环形凹模同一水平面上的滑动端夹具，用于夹持工件；所述夹具单元与所述侧压装置的滑动方向垂直且二者不存在位置冲突；

所述自阻加热单元包括固定端电极和滑动端电极，所述固定端电极连接到所述夹具单元的固定端夹具上，所述滑动端电极连接到所述夹具单元的滑动端夹具上，用于加热工件；

所述保温箱用于保温和辅助加热，所述保温箱包括保温箱外罩、保温箱隔热绝缘层和加热石英灯管，所述保温箱竖直安装在所述旋转工作台上，并与所述模具主体轴心重合，能够拆卸；

所述成形装置的工作过程为：钛合金薄壁工件一端被所述夹具单元的固定端夹具夹住，另一端被所述夹具单元的滑动端夹具夹住，所述自阻加热单元通电后，所述工件被加热到预定温度，所述侧压装置靠近所述模具并将工件压进所述环形凹模内，所述旋转工作台开始转动，工件一边被加热，一边贴合所述环形凹模进而被绕弯，绕弯结束后，将所述保温箱放置于所述旋转工作台上对工件加热保温，使其内部发生应力松弛，最后经冷却形成整圆形工件。

本发明的有益效果在于：

1.本发明能够一次成形大角度钛合金薄壁型材，且成形工艺简单，设备要求不高；

2.本发明的工艺在不同成形阶段采用不同的温度控制方法：先通过型材自阻加热方式保障成形过程中型材温度得到迅速提高，提高型材成形性能，进而提高型材弯曲成形效果；然后通过使用辅助加热保温装置，将型材温度保持在某一温度一段时间，提高型材内部温度均匀性，便于弯曲成形后型材内部充分发生应力松弛，减小成形后的回弹量，进而实现型材零件成形精度的提高。

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，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明在弯曲成形开始时的状态示意图；

图2是本发明在弯曲成形结束时的状态示意图；

图3是本发明的工艺路线图；

图4是本发明的热绕弯成形装置的三维结构示意图；

图5是本发明的热绕弯成形装置的保温箱结构示意图；

图6是本发明的热绕弯成形装置的模具结构示意图；

图7是本发明的热绕弯成形装置的侧压装置结构示意图；

图8是本发明的热绕弯成形装置的固定端夹具结构示意图；

图9是本发明的热绕弯成形装置的滑动端结构示意图；

图10是本发明实施例的L型钛合金型材零件截面尺寸；

图11是本发明实施例的TC2钛合金700℃真实应力-应变曲线；

图12是本发明实施例的热绕弯成形过程；

图13(a)是本发明实施例的侧压力对成形回弹的影响图；

图13(b)是本发明实施例的摩擦系数对成形回弹的影响图；

图13(c)是本发明实施例的成形角速度对成形回弹的影响图；

图13(d)是本发明实施例的蠕变时间对成形回弹的影响图。

附图标记说明：

1-机床配电箱；2-拉伸纵向滑板；3-拉伸机架；4-电动缸；5-拉伸夹头；6-夹具主体；7-机床床身；8-侧压导轨座；9-侧压主体；10-模具主体；11-保温箱外罩；12-保温箱隔热绝缘层；13-加热石英灯管；14-夹具固定块；15-环形凹模；16-滚子底座；17-滚子；18-调整螺钉；19-短楔块；20-长楔块；21-电极座；22-固定端电极；23-拉伸横向滑板；24-拉伸夹头座；25-滑动端电极，26-工件。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的方法能够用于对不同尺寸的钛合金薄壁零件加热至工艺所需的温度，并且可进行360°的绕弯成形，实现对钛合金整圆形零件的加工生产。

如图1-3所示，具体地，一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，包括以下步骤：

S1：将钛合金型材工件的两端分别夹在热绕弯成形装置的固定端夹具和滑动端夹具上；

S2：自阻加热钛合金型材工件0.5min-10min至预设温度500℃-750℃；

S3：将钛合金型材工件侧向压紧在模具环形凹模内部；

S4：模具主体带着钛合金型材工件以预定的应变速率1.0×10^-2-1.0×10^-4/s转动；

S5：模具主体停止转动，将保温箱装配在旋转工作台上，启动辅助加热系统，将钛合金型材工件温度保持在500℃-750℃下5min-100min，实现对钛合金型材工件的高温应力松弛；

S6：将钛合金型材工件冷却到室温，完成钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形。

如图4-9所示，热绕弯成形装置，包括模具、侧压装置、夹具单元、自阻加热单元、旋转工作台和保温箱，其中，

如图6所示，模具竖直安装在旋转工作台上，包括模具主体10和环形凹模15，模具主体10空心圆柱状，模具主体10设置在旋转工作台的旋转轴上，能够拆卸；环形凹模15设置在模具主体10的中部，用于容纳工件、成形工件；

侧压装置和旋转工作台安装在机床床身7上，机床床身7起固定连接和结构支撑的作用；

模具主体10的尺寸与待加工工件的尺寸相适应，一般待加工工件的曲率小，宽度大，厚度大，则模具主体10的直径就大，环形凹模15的槽宽就大，槽深也大；反之，如果待加工工件的曲率大，宽度小，厚度小，则模具主体10的直径就小，环形凹模15的槽宽就小，槽深也小。具有可拆卸的模具，使得本发明的热绕弯成形装置能够针对不同大曲率的钛合金薄壁零件选用相适应的模具，从而能够用于多种规格尺寸的钛合金薄壁工件的整圆成形。

侧压装置与环形凹模15设置在同一水平面上，用于将工件压进环形凹模15内；

夹具单元包括设置在模具主体10上的固定端夹具和设置与环形凹模15同一水平面上的滑动端夹具，用于夹持工件；夹具单元与侧压装置的滑动方向垂直且二者不存在位置冲突；

自阻加热单元包括固定端电极22和滑动端电极25，固定端电极22连接到夹具单元的固定端夹具上，滑动端电极25连接到夹具单元的滑动端夹具上，用于加热工件；

保温箱用于保温和辅助加热，保温箱包括保温箱外罩11、保温箱隔热绝缘层12和加热石英灯管13，保温箱竖直安装在旋转工作台上，并与模具主体10轴心重合，能够拆卸；

成形装置的工作过程为：钛合金薄壁工件一端被夹具单元的固定端夹具夹住，另一端被夹具单元的滑动端夹具夹住，自阻加热单元通电后，工件被加热到预定温度，侧压装置靠近模具并将工件压进环形凹模15内，旋转工作台开始转动，工件一边被加热，一边贴合环形凹模15进而被绕弯，绕弯结束后，将保温箱放置于旋转工作台上对工件加热保温，使其内部发生应力松弛，最后经冷却形成整圆形工件。

如图7所示，侧压装置包括侧压导轨座8、侧压主体9、滚子底座16和滚子17，其中，侧压主体9固定设置在侧压导轨座8上，能够实现相对于模具的直线平动，滚子17设置在滚子底座16朝向模具的端部，滚子底座16设置在侧压主体9上并为滚子17提供侧压支撑力。

如图8所示，固定端夹具包括U形的夹具主体6，在夹具主体6的两个臂之间设置固定连接的长楔块20以及能够滑动的短楔块19，长楔块20为短楔块19提供抵靠支撑力，调整螺栓18穿过夹具主体6的一个臂后与短楔块19螺纹连接，能够调整短楔块19与夹具主体6之间的间隙；工作时，将工件的一端放入短楔块19与夹具主体6之间的间隙，旋紧调整螺栓18，使得工件一端夹持在短楔块19与夹具主体6之间。

在长楔块20的中部通过螺栓连接自阻加热单元的电极座21，在电极座21上连接固定端电极22。

较佳地，如图6所示，U形的夹具主体6的两个臂的末端设置有螺孔，用于将夹具主体6连接到模具主体10上的夹具固定块14上。

如图4和图9所示，滑动端夹具为设置在拉伸夹头座24上的拉伸夹头5，拉伸夹头座24设置在拉伸横向滑板23上，拉伸横向滑板23设置在拉伸纵向滑板2的滑动导轨上，拉伸纵向滑板2设置在拉伸机架3的滑动导轨上，拉伸夹头5能够滑动，拉伸力由电动缸4提供；工作时，固定端夹具和拉伸夹头5分别夹持工件的两端，为工件提供长度方向上的拉伸力。

自阻加热单元还包括机床配电箱1，机床配电箱1引出的导线的一极与固定端夹具相连，具体是与U形的夹具主体6上设置的长楔块20上的固定端电极22相连；另一极连接到拉伸夹头5上，具体是与拉伸夹头5上设置的滑动端电极25相连。自阻加热单元用于对待加工零件进行自阻加热，其温度能够达到500℃-750℃。

保温箱隔热绝缘层12采用硅酸铝陶瓷纤维板进行绝缘隔热，加热石英灯管13与模具主体10内侧的环状电阻丝共同构成辅助加热系统，用于加热和保证工件的温度均匀性。

旋转工作台包括旋转轴、齿轮传动机构和电机，齿轮传动机构包括依序连接的减速器、第一对齿轮组、第二对齿轮组，其中，第二对齿轮组设置在旋转轴和减速器之间，电机驱动齿轮传动机构，从而带动旋转轴转动。

较佳地，模具主体10采用钢制结构，铺设电木绝缘。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

为了验证热绕弯成形工艺的可靠性并探究各成形工艺参数对其成形质量的影响规律，针对L型截面钛合金型材进行了回弹数值仿真分析。

基于商业软件ABAQUS针对TC2钛合金型材进行700度高温下半径为700mm成形过程及回弹过程仿真。型材截面尺寸及材料参数如图10、图11及表1、表2所示。

表1 TC2钛合金型材700℃力学性能参数

表2 TC2钛合金型材700℃应力松弛参数

具体实验过程为：调整侧压力、成形速度、摩擦系数、蠕变时间等工艺参数探究型材热弯曲成形后的回弹大小，热绕弯成形过程如图12所示。

本实施例表明：当蠕变时间为零时侧压力和摩擦系数增大型材回弹显著降低、成形角速度增大型材回弹随之增大；当蠕变时间不为零时回弹量显著降低，且逐渐时间的增加型材回弹量呈现出先剧烈降低，然后趋于稳定的变化规律，如图13(a)-图13(d)所示。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (5)

1.一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将钛合金型材工件的两端分别夹在热绕弯成形装置的固定端夹具和滑动端夹具上；

S2：自阻加热钛合金型材工件至预设温度；

S3：将钛合金型材工件侧向压紧在模具环形凹模内部；

S4：模具主体带着钛合金型材工件以预定的应变速率转动；

S5：模具主体停止转动，将保温箱装配在旋转工作台上，启动辅助加热，将钛合金型材工件温度保持在500℃-750℃，实现对钛合金型材工件的高温应力松弛；

S6：将钛合金型材工件冷却到室温，完成钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，其特征在于，所述步骤S2中，由室温将钛合金型材工件加热至500℃-750℃，加热时间为0.5min-10min。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，其特征在于，所述步骤S4中，预定应变速率为1.0×10^-2-1.0×10^-4/s。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，其特征在于，所述步骤S5中，辅助加热，一方面通过电阻丝在模具主体内表面辅助加热，另一方面通过保温箱内壁上的加热石英灯管进行辐射加热，加热时间为5min-100min。

5.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁圆形零件热绕弯成形方法，其特征在于，所述热绕弯成形装置包括模具、侧压装置、夹具单元、自阻加热单元、旋转工作台和保温箱，其中，

所述模具竖直安装在所述旋转工作台上，包括模具主体(10)和环形凹模(15)，所述模具主体(10)为空心圆柱状，所述模具主体(10)设置在所述旋转工作台的旋转轴上，能够拆卸；所述环形凹模(15)设置在所述模具主体(10)的中部，用于容纳工件、成形工件；

所述侧压装置和所述旋转工作台安装在机床床身(7)上，所述机床床身(7)起固定连接和结构支撑的作用；

所述侧压装置与所述环形凹模(15)设置在同一水平面上，用于将工件压进所述环形凹模(15)内；

所述夹具单元包括设置在所述模具主体(10)上的固定端夹具和设置与所述环形凹模(15)同一水平面上的滑动端夹具，用于夹持工件；所述夹具单元与所述侧压装置的滑动方向垂直且二者不存在位置冲突；

所述自阻加热单元包括固定端电极(22)和滑动端电极(25)，所述固定端电极(22)连接到所述夹具单元的固定端夹具上，所述滑动端电极(25)连接到所述夹具单元的滑动端夹具上，用于加热工件；

所述保温箱用于保温和辅助加热，所述保温箱包括保温箱外罩(11)、保温箱隔热绝缘层(12)和加热石英灯管(13)，所述保温箱竖直安装在所述旋转工作台上，并与所述模具主体(10)轴心重合，能够拆卸；

所述成形装置的工作过程为：钛合金薄壁工件一端被所述夹具单元的固定端夹具夹住，另一端被所述夹具单元的滑动端夹具夹住，所述自阻加热单元通电后，所述工件被加热到预定温度，所述侧压装置靠近所述模具并将工件压进所述环形凹模(15)内，所述旋转工作台开始转动，工件一边被加热，一边贴合所述环形凹模(15)进而被绕弯，绕弯结束后，将所述保温箱放置于所述旋转工作台上对工件加热保温，使其内部发生应力松弛，最后经冷却形成整圆形工件。

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