CN114273475A - 一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置及方法，包括对待成型管件进行夹持的管材夹持机构，所述管材夹持机构右端设有用于对管件端部进行推动的推进机构，推进机构上设有用于与管件相配合的绝缘层，所述管材夹持机构另一侧设有用于对管件进行引导的导向机构，所述导向机构出口端配合设有一个用于与管件相配合用于对管件进行弯折的弯曲模，本发明通过电流直接对管材表面直接进行加热解决了传统加热方式加热效率低，加热功耗大，加热时间长等问题。

Description

一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属管材构建柔性成形制造技术领域，具体是一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置及方法。

背景技术

三维自由弯曲技术的出现打破了传统弯曲技术弯曲方向单一，不能成形复杂构件的技术局限，实现在各种弯曲半径下的无模精确成形。成形的管材被应用于航空发动机导管、卫星管路、飞机导弹的内部结构。

因为三维自由弯曲技术可以通过改变偏心距的大小可以随时改变弯曲半径的大小，相较于一般的成形方式可以非常方便的成形变曲率的管材构件，并且由于弯曲模与管材接触处为圆形，因此，管材三维自由弯曲技术可以很大程度上减小管材的截面畸变率。除此之外我们可以通过电脑的控制可以连续改变管材的弯曲半径和弯曲方向，这样可以很容易地满足大角度弯曲，大半径弯曲，螺旋型弯曲等各种管材弯曲形式。但是目前三维自由弯曲采用冷成形，在弯曲管材时会出现表面起皱、截面畸变等缺陷。

针对上述问题，现在提供一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置，包括对待成型管件进行夹持的管材夹持机构，所述管材夹持机构右端设有用于对管件端部进行推动的推进机构，推进机构上设有用于与管件相配合的绝缘层，所述管材夹持机构另一侧设有用于对管件进行引导的导向机构，所述导向机构出口端配合设有一个用于与管件相配合用于对管件进行弯折的弯曲模，弯曲模的弯曲内壁设有与管件相配合的陶瓷内衬，陶瓷内衬作用是确保人工操作时的作业安全，所述导向机构外侧设有用于检测管件实际温度的红外传感器，所述导向机构内部的导线通道中设有与管件相配合的陶瓷绝缘层，所述导向机构上设有用于对管件进行加热的电流辅助加热组件，利用电流辅助加热组件在管件上产生电流进而对管材表面直接进行加热，通过电流对对管材表面直接进行加热。

作为本发明进一步的方案：所述电流辅助加热组件包括第一电极和第二电极组成回路以及第三电极和第四电极组成回路，两个回路并联后与电源电性连接，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极都包括一个安置在导向机构内部的中空螺栓，所述中空螺栓内腔中滑动设有一个电极块，所述电极块一端设有与管件表面抵压接触的弧形面，所述电极块另一端电性连接用于通电的导线，所述中空螺栓内腔上端口配合设有一个螺帽，所述螺帽下端面与电极块之间设有一个处于压缩状态下的弹簧，所述螺帽上开设有一个便于导线穿过的穿孔，在弹簧的作用下，电极块的弧形端与导向机构中的管件表面抵压接触。

作为本发明进一步的方案：所述弯曲模和导向机构选择耐高温材料。

作为本发明进一步的所述弯曲模和导向机构的材料选择钨钢。

作为本发明进一步的方案：弹簧为了调节电极块和管材之间的接触压力，降低电极块和管材之间的摩擦力，需要选择合适的材料的弹簧，本发明选择材料刚性模量较大的不锈钢作为弹簧的钢丝，弹簧的线径为1mm，总圈数为7圈。

一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置的成型方法，包括以下步骤：

步骤一：管材在进行电热成形时，材料的性能和温度是相互影响并且是不断变化，为了使管材弯曲时的电流和成形温度的参数更加准确，在管材弯曲成形之前利用ABAQUS软件中的热-电耦合模型来对弯曲成形时的温度和电场的分布进行模拟，建立电流参数和管材材料之间的映射关系。根据成形管材材料的不同，最佳成形温度也不同；同时由于在弯曲过程中弯曲模是在不断运动的，电极块位和管材的相对位置也会发生改变，对管材的局部和电势变化都会产生影响，所以对偏心距为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm……时的温度和电势变化进行仿真模拟，建立电流参数和管材偏心距之间的映射关系。根据偏心距的改变，电流参数需要随时调整；

步骤二：管件通过推进机构的推力通过电流辅助加热组件：管件穿过导向机构时，在弹簧的作用下，电极块的弧形端与导向机构中的管件表面抵压接触，在回路中通电时，管件上会有电流通过，从而对管件进行加热；

红外传感器对管件表面的温度进行监控，当管件的表面温度和预设温度相差超过3％时，则控制推进机构以目前速度的1％变化调整Z轴的速度，以放慢进给速度，同时红外传感器测量管材表面的温度，如果和设定温度相差在3％以内，则推进机构以目前速度继续进给；

步骤三：通过弯曲模对管件进行三维弯曲。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中电流辅助加热利用了电流的焦耳热效应和电致塑性效应可以降低对难变形合金的成形难度，通过电流的刺激可以产生电致塑性效应，除了可以提高合金的成形极限，增加塑性，还可以起到细化晶粒以达到提高管材成形质量的效果；

本发明通过电流直接对管材表面直接进行加热解决了传统加热方式加热效率低，加热功耗大，加热时间长等问题；

发明的装置简单，可行性大，解决了三维自由弯曲设备只能进行冷变形的问题，对于提高成形工件的质量有着重要意义。

附图说明

图1、延Y轴方向基于电流辅助加热的三维自由成形装置剖面示意图；

图2、延Z轴方向基于电流辅助加热的三维自由成形装置剖面示意图；

图3、电流加热装置示意图；

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。

实施例1

在304不锈钢管材弯曲成形之前利用ABAQUS软件中的热-电耦合模型来对弯曲成形时的温度和电场的分布进行模拟，建立电流参数和管材材料之间的映射关系；同时对偏心距为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm……时的温度和电势变化进行仿真模拟，建立电流参数和管材偏心距之间的映射关系。

针对304不锈钢管材进行工艺解析，获得弯曲半径R＝75mm时的偏心距U＝10mm。根据弯曲之前的仿真模拟结果获得304不锈钢管材加热成形时所需的电流参数；

将工艺参数导入三维自由弯曲成形系统，将红外传感器预设值设为630℃；

对电流辅助加热组件通电，调整电流密度为20A/mm²,电流频率为8000Hz；

启动设备后，304不锈钢管材通过推进机构7的推力通过电流辅助加热组件：管件1穿过导向机构3时，在弹簧14的作用下，电极块15的弧形端与导向机构3中的管件1表面抵压接触，在回路中通电时，管件1上会有电流通过，从而对管件1进行加热；

通过弯曲模2对管件1进行三维弯曲，在成型过程中，红外传感器10对管件1表面的温度进行监控，当管件1的表面温度和预设温度相差超过3％时，则控制推进机构7以目前速度的1％变化调整Z轴的速度，以放慢进给速度，同时红外传感器10测量管材表面的温度，如果和设定温度相差在3％以内，则推进机构7以目前速度继续进给。

实施例2

在TC4钛合金管材弯曲成形之前利用ABAQUS软件中的热-电耦合模型来对弯曲成形时的温度和电场的分布进行模拟，建立电流参数和管材材料之间的映射关系；同时对偏心距为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm……时的温度和电势变化进行仿真模拟，建立电流参数和管材偏心距之间的映射关系。

针对TC4钛合金管材进行工艺解析，获得弯曲半径R＝75mm时的偏心距U＝12mm。根据弯曲之前的仿真模拟结果获得TC4钛合金管材加热成形时所需的电流参数；

将工艺参数导入三维自由弯曲成形系统，将传感器预设值设为700℃；

对电流辅助加热组件通电，调整电流密度为24A/mm²,电流频率为8000Hz；

启动设备后，TC4钛合金管材通过推进机构7的推力通过电流辅助加热组件：管件1穿过导向机构3时，在弹簧14的作用下，电极块15的弧形端与导向机构3中的管件1表面抵压接触，在回路中通电时，管件1上会有电流通过，从而对管件1进行加热；

通过弯曲模2对管件1进行三维弯曲，在成型过程中，红外传感器10对管件1表面的温度进行监控，当管件1的表面温度和预设温度相差超过3％时，则控制推进机构7以目前速度的1％变化调整Z轴的速度，以放慢进给速度，同时红外传感器10测量管材表面的温度，如果和设定温度相差在3％以内，则推进机构7以目前速度继续进给。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (5)

1.一种基于电流辅助加热的三维自由成形装置，包括对待成型管件(1)进行夹持的管材夹持机构(6)，所述管材夹持机构(6)右端设有用于对管件(1)端部进行推动的推进机构(7)，所述管材夹持机构(6)另一侧设有用于对管件(1)进行引导的导向机构(3)，所述导向机构(3)出口端配合设有一个用于与管件(1)相配合用于对管件(1)进行弯折的弯曲模(2)，所述导向机构(3)外侧设有用于检测管件(1)实际温度的红外传感器(10)；

其特征在于，所述导向机构(3)上设有用于对管件(1)进行加热的电流辅助加热组件，利用电流辅助加热组件在管件(1)上产生电流进而对管材表面直接进行加热，通过电流对对管材表面直接进行加热；

所述导向机构(3)内部的导线通道中设有与管件(1)相配合的陶瓷绝缘层(9)；

推进机构(7)上设有用于与管件(1)相配合的绝缘层(13)；

弯曲模(2)的弯曲内壁设有与管件(1)相配合的陶瓷内衬(8)。

2.根据权利要求1所述的基于电流辅助加热的三维自由成形装置，其特征在于，所述电流辅助加热组件包括第一电极(4)和第二电极(11)组成回路以及第三电极(5)和第四电极(12)组成回路，两个回路并联后与电源电性连接，所述第一电极(4)、第二电极(11)、第三电极(5)和第四电极(12)都包括一个安置在导向机构(3)内部的中空螺栓(19)，所述中空螺栓(19)内腔中滑动设有一个电极块(15)，所述电极块(15)一端设有与管件(1)表面抵压接触的弧形面，所述电极块(15)另一端电性连接用于通电的导线(17)，所述中空螺栓(19)内腔上端口配合设有一个螺帽(18)，所述螺帽(18)下端面与电极块(15)之间设有一个处于压缩状态下的弹簧(14)，所述螺帽(18)上开设有一个便于导线(17)穿过的穿孔，在弹簧(14)的作用下，电极块(15)的弧形端与导向机构(3)中的管件(1)表面抵压接触。

3.根据权利要求1所述的基于电流辅助加热的三维自由成形装置，其特征在于，所述弯曲模(2)和导向机构(3)选择耐高温材料。

4.根据权利要求3所述的基于电流辅助加热的三维自由成形装置，其特征在于，所述弯曲模(2)和导向机构(3)的材料选择钨钢。

5.一种权利要求1-4任一项所述的基于电流辅助加热的三维自由成形装置的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用ABAQUS软件中的热-电耦合模型来对弯曲成形时的温度和电场的分布进行模拟，建立电流参数和管材材料之间的映射关系，根据成形管材材料的不同，最佳成形温度也不同；同时由于在弯曲过程中弯曲模是在不断运动的，电极块位和管材的相对位置也会发生改变，对管材的局部和电势变化都会产生影响，所以对偏心距为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm……时的温度和电势变化进行仿真模拟，建立电流参数和管材偏心距之间的映射关系，根据偏心距的改变，电流参数需要随时调整；

步骤二：管件(1)通过推进机构(7)的推力通过电流辅助加热组件：管件(1)穿过导向机构(3)时，在弹簧(14)的作用下，电极块(15)的弧形端与导向机构(3)中的管件(1)表面抵压接触，在回路中通电时，管件(1)上会有电流通过，从而对管件(1)进行加热；

红外传感器(10)对管件(1)表面的温度进行监控，当管件(1)的表面温度和预设温度相差超过3％时，则控制推进机构(7)以目前速度的1％变化调整Z轴的速度，以放慢进给速度，同时红外传感器(10)测量管材表面的温度，如果和设定温度相差在3％以内，则推进机构(7)以目前速度继续进给；

步骤三：通过弯曲模(2)对管件(1)进行三维弯曲。

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