CN114346021A - 一种难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置和方法，包括等温加热装置和差温加热装置；等温加热装置用于在弯曲成形前将管件的弯曲段内外侧预加热到一个设定温度，使管材内外侧具有相同的初始温度；差温加热装置用于根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，对相应管件的预加热后的弯曲段内外侧采用不同的温度分别加热，外侧温度高于内侧温度；差温加热装置设置在压紧装置(11)和导向机构(5)之间，等温加热装置设置在压紧装置(11)和差温加热装置之间。本发明采用差温方法对钛合金等难变形材料管材进行相变温度下加热弯曲变形，减小管材的减薄/增厚率，降低截面扁平化程度，从而提高管材的弯曲性能。
Description
技术领域
本发明属于难变形金属材料构件加工领域，涉及一种难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置和方法。
背景技术
难变形金属材料管材，如钛合金管、高温合金管等具有高比强度、耐腐蚀、耐热性好、耐高压等优良特性，被广泛应用于航空航天、管路运输等重要工程领域，包括：先进飞行器液压、气动和能源等关键管路系统、火箭和导弹等重要结构件、海洋、医疗等各产业集群，以满足当前对轻量化和高性能产品的需求。
难变形材料在冷变形过程中表现出很强的各向异性和拉伸-压缩不对称性，而且管材成形质量受到材料自身性能、弯曲工艺、管材与模具间隙等多方面影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置和方法。
本发明采用以下技术方案：
一种难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，包括球面轴承(2)、弯曲模(3)、导向机构(5)、红外线测温仪(9)、压紧装置(11)、推进装置(12)、等温加热装置(10)和差温加热装置；等温加热装置(10)用于在弯曲成形前将管件的弯曲段内外侧预加热到一个设定温度，使管材内外侧具有相同的初始温度；差温加热装置用于根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，对相应管件的预加热后的弯曲段内外侧采用不同的温度分别加热，外侧温度高于内侧温度；差温加热装置设置在压紧装置(11)和导向机构(5)之间，等温加热装置设置在压紧装置(11)和差温加热装置之间。
所述的难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，所述差温加热装置包括一个环形套，所述环形套可以套在难变形材料管材上实现热传递功能，所述环形套中设置有若干个加热电阻，该若干个加热电阻(8)均可独立控制温度。
所述的难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，弯曲内侧成形温度区间为200～700℃，弯曲外侧合理成形温度区间为250～700℃；所述加热电阻(8)的位置对应都设有红外线测温仪(9)，实时测量对应位置的管材温度，温度控制系统对管材的送料速度实时采集，根据管材送料速度采用不同加热速率，保证红外测温仪测得的温度与弯曲内外侧设定的温度一致。
所述的难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，所述弯曲模(3)和压紧装置(11)所用的材料在高温时应具有优良的抗氧化性、强度和耐腐蚀性；陶瓷内衬(4)应选择氧化锆等高熔点陶瓷材料。
一种根据任一装置的差温自由弯曲成形方法，首先对难变形管材进行预加热，使管材内外侧具有相同的初始温度，然后根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，对相应弯曲段管件的内外侧采用不同的温度分别加热，外侧温度高于内侧温度；
所述的差温自由弯曲成形方法，弯曲内侧成形温度区间为200～700℃，弯曲外侧合理成形温度区间为250～700℃。
所述的差温自由弯曲成形方法，所述加热电阻(8)的位置对应都设有红外线测温仪(9)，实时测量对应位置的管材温度，温度控制系统对管材的送料速度实时采集，根据管材送料速度采用不同加热速率，保证红外测温仪测得的温度与弯曲内外侧设定的温度一致。
所述的差温自由弯曲成形方法，包括以下步骤：
1)将成形工艺参数及管件每个弯曲段成形内外侧所需温度输入三维自由弯曲专用控制软件中；
2)通过推进装置(12)将管材送入加热区域，使用压紧装置(11)将其固定住，确定管材在X向、Y向和Z向的稳定性，以保证在加热时不发生位移和转动；
3)由注油孔(7)向油槽(6)内注入高温润滑油；
4)在管材弯曲变形之前，首先利用等温加热装置对管材进行预加热，使管材内外侧具有相同的低于成形温度的初始温度；启动自由弯曲设备，根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，通过差温加热装置将不同区域分别升温至设定温度，以此对相应弯曲段管件的内外侧采用不同的温度，通过接触将热量传递给管材，完成管材的差温自由弯曲成形。
有益效果：
1、本发明有效地解决了应用现有弯管技术成形航空航天等领域用难变形材料管材时在室温时易诱发截面扁化、断裂等缺陷，在高温整体均匀加热时会产生管材变形不均匀，截面扁平化、波纹度和壁厚减薄增加，表面氧化，表面质量下降等问题，对于提高难变形材料管材弯曲成形性能及成形后的管材质量等具有重要意义。
2、本发明基于管材弯曲内外侧所受拉、压应力状态的差别，以及不同温度区间对管材拉伸压缩塑性变形性能影响的不同，故在自由弯曲成形装置上采用区域差温成形装置，以此提高难变形材料管材的弯曲成形能力及质量。差温自由弯曲成形方法首先对管材进行预加热，即在弯曲变形前提供一个低于成形温度的初始温度，然后针对不同弯曲段管件的弯曲内侧、外侧采用不同的加热温度，通过多个独立控制的加热电阻实现对弯曲内外侧的温度控制。。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的结构剖面示意图。
图2为差温加热装置的示意图。
图3和图4为具体实施方式的管材构件示意图。
图中，1-管材、2-球面轴承、3-弯曲模、4-陶瓷内衬、5-导向机构、6-油槽、7-注油孔、8(a、b、c、d、e、f)-加热电阻、9-红外线测温仪、10-等温加热装置、11-压紧装置、12-推进装置；
具体实施方式
以下结合具体实施例，实例具有空间复杂轴线的TC4钛合金或难变形高温合金弯曲构件如图3和图4所示，对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步，参考图3，对管件轴线进行解析，将成形工艺参数及第一段弯曲段弯曲外侧550℃、弯曲内侧200℃以及加热时长，第二段弯曲段弯曲外侧450℃、弯曲内侧200℃以及加热时长，第三段弯曲段弯曲外侧500℃、弯曲内侧200℃以及加热时长等参数输入差温自由弯曲专用控制软件中；
第二步，通过推进装置(12)将长500mm、直径20mm、壁厚1.5mm的TC4钛合金管材推进，待管材待弯曲段2-3(图中2和3之间所对应的管段)位于等温加热装置(10)时停止，使用压紧装置(11)将其固定住，确定管材在X向、Y向和Z向的稳定性，以保证在加热时不发生位移和转动；
第三步，由注油孔(7)向油槽(6)内注入高温润滑油；
第四步，在管材弯曲变形之前，首先利用等温加热装置(10)上配套的加热电阻对管材弯曲段2-3进行预加热，使管材内外侧具有相同的200℃初始温度；
第五步，使用推进装置(12)将管材弯曲段2-3推进至差温加热装置，靠近弯曲内侧I的加热电阻a、b、f保持200℃，靠近弯曲外侧II的加热电阻c、d、e升温至550℃，随后通过推进机构(12)与弯曲模(2)偏转的配合，实现圆弧2-3的成形；
第六步，随后，弯曲段4-5进入等温加热装置(10)预加热，使管材内外侧具有相同的200℃初始温度；然后进入差温加热装置，靠近弯曲内侧III的加热电阻a、e、f保持200℃，靠近弯曲外侧IV的加热电阻b、c、d温度降至450℃，进而通过弯曲模实现圆弧4-5的成形。
第七步，随后，弯曲段6-7进入等温加热装置(10)预加热，使管材内外侧具有相同的200℃初始温度；然后进入差温加热装置，靠近弯曲内侧V的加热电阻b、c、d保持200℃，靠近弯曲外侧VI的加热电阻a、e、f升温至500℃，进而通过弯曲模实现弯曲段6-7的成形。在加热成形过程中，每个加热电阻配有单独的红外测温设备对加热电阻的温度分别进行实时监测，并将误差反馈给终端做出实时的修正调整，当温度达到设定温度时，加热系统停止运作，保证加热温度与设定温度一致，加热期间保持加热装置与管材接触良好防止热量散失，同时向管材内部通入氮气防止氧化；
通过弯曲模(2)、导向机构(5)、推进机构(12)与加热电阻(8)不同区域变化的配合作用，完成管材的差温自由弯曲成形。
实施例2
第一步，参考图4，对管件轴线进行解析，将成形工艺参数及第一段弯曲段弯曲外侧700℃、弯曲内侧200℃以及加热时长，第二段弯曲段弯曲外侧650℃、弯曲内侧250℃以及加热时长，第三段弯曲段弯曲外侧750℃、弯曲内侧250℃以及加热时长等参数输入差温自由弯曲专用控制软件中；
第二步，通过推进装置(12)将长400mm、直径16mm、壁厚1mm的高温合金管材推进，待管材弯曲段1-2部分进入传热装置(10)停止，使用压紧装置(11)将其固定住，确定管材在X向、Y向和Z向的稳定性，以保证在加热时不发生位移和转动；
第三步，由注油孔(7)向油槽(6)内注入高温润滑油；
第四步，在管材弯曲变形之前，首先利用等温加热装置(10)上配套的加热电阻对管材弯曲段1-2部分进行预加热，使管材内外侧具有相同的200℃初始温度；
第五步，使用推进装置(12)将管材弯曲段1-2推进至差热加热装置，靠近弯曲内侧I的加热电阻b、c、d保持200℃，靠近弯曲外侧II的加热电阻a、e、f升温至700℃，随后通过推进机构(12)与弯曲模(2)偏转的配合，实现圆弧1-2的成形；
第六步，随后弯曲段3-4进入等温加热装置(10)预加热，使管材内外侧具有相同的200℃初始温度；然后进入差温加热装置，靠近弯曲内侧III的加热电阻a、e、f升温至250℃，靠近弯曲外侧IV的加热电阻b、c、d温度降至650℃，进而通过弯曲模实现圆弧3-4的成形。
第七步，随后弯曲段5-6进入等温加热装置(10)预加热，使管材内外侧具有相同的200℃初始温度；然后进入差温加热装置，靠近弯曲内侧V的加热电阻a、b、f保持250℃，靠近弯曲外侧VI的加热电阻c、d、e升温至750℃，进而通过弯曲模实现圆弧5-6的成形。在加热成形过程中，每个加热电阻配有单独的红外测温设备对加热电阻的温度分别进行实时监测，并将误差反馈给终端做出实时的修正调整，当温度达到设定温度时，加热系统停止运作，保证加热温度与设定温度一致，加热期间保持加热装置与管材接触良好防止热量散失，同时向管材内部通入氮气防止氧化；
通过弯曲模(2)、导向机构(5)、推进机构(12)与加热电阻(8)不同区域变化的配合作用，完成管材的差温自由弯曲成形。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，其特征在于，包括球面轴承(2)、弯曲模(3)、导向机构(5)、红外线测温仪(9)、压紧装置(11)、推进装置(12)、等温加热装置(10)和差温加热装置；等温加热装置(10)用于在弯曲成形前将管件的弯曲段内外侧预加热到一个设定温度，使管材内外侧具有相同的初始温度；差温加热装置用于根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，对相应管件的预加热后的弯曲段内外侧采用不同的温度分别加热，外侧温度高于内侧温度；差温加热装置设置在压紧装置(11)和导向机构(5)之间，等温加热装置设置在压紧装置(11)和差温加热装置之间。
2.根据权利要求1所述的难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，其特征在于，所述差温加热装置包括一个环形套，所述环形套可以套在难变形材料管材上实现热传递功能，所述环形套中设置有若干个加热电阻，该若干个加热电阻(8)均可独立控制温度。
3.根据权利要求1所述的难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，其特征在于，弯曲内侧成形温度区间为200～700℃，弯曲外侧合理成形温度区间为250～700℃；所述加热电阻(8)的位置对应都设有红外线测温仪(9)，实时测量对应位置的管材温度，温度控制系统对管材的送料速度实时采集，根据管材送料速度采用不同加热速率，保证红外测温仪测得的温度与弯曲内外侧设定的温度一致。
4.根据权利要求1所述的难变形材料管材的差温自由弯曲成形装置，其特征在于，所述弯曲模(3)和压紧装置(11)所用的材料在高温时应具有优良的抗氧化性、强度和耐腐蚀性；陶瓷内衬(4)应选择氧化锆等高熔点陶瓷材料。
5.一种根据权利要求1-4任一装置的差温自由弯曲成形方法，其特征在于，首先对难变形管材进行预加热，使管材内外侧具有相同的初始温度，然后根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，对相应弯曲段管件的内外侧采用不同的温度分别加热，外侧温度高于内侧温度。
6.根据权利要求5所述的差温自由弯曲成形方法，其特征在于，弯曲内侧成形温度区间为200～700℃，弯曲外侧合理成形温度区间为250～700℃。
7.根据权利要求5所述的差温自由弯曲成形方法，其特征在于，所述加热电阻(8)的位置对应都设有红外线测温仪(9)，实时测量对应位置的管材温度，温度控制系统对管材的送料速度实时采集，根据管材送料速度采用不同加热速率，保证红外测温仪测得的温度与弯曲内外侧设定的温度一致。
8.根据权利要求5所述的差温自由弯曲成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将成形工艺参数及管件每个弯曲段成形内外侧所需温度输入三维自由弯曲专用控制软件中；
2)通过推进装置(12)将管材送入加热区域，使用压紧装置(11)将其固定住，确定管材在X向、Y向和Z向的稳定性，以保证在加热时不发生位移和转动；
3)由注油孔(7)向油槽(6)内注入高温润滑油；
4)在管材弯曲变形之前，首先利用等温加热装置对管材进行预加热，使管材内外侧具有相同的低于成形温度的初始温度；启动自由弯曲设备，根据自由弯曲模具偏转方向和弯曲角度，通过差温加热装置将不同区域分别升温至设定温度，以此对相应弯曲段管件的内外侧采用不同的温度，通过接触将热量传递给管材，完成管材的差温自由弯曲成形。
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