CN117102320A - 规则截面零件成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种规则截面零件成形装置及成形方法，涉及金属构件成形制造技术领域。本发明利用零件加热控温组件加热待成形零件来获取所需的微观组织演化，改善成形性能；控温模具通过设置模具加热组件加热模具，可进行热冲压、模内淬火及应力松弛；利用轴向力控制组件调控零件内部应力状态。本发明将热冲压、热处理及热校形结合在一个工艺中，可提高零件成形性和生产效率，模内淬火及应力松弛可同时提高成形零件的强度及尺寸精度，控温模具及轴向力控制组件配合可实现多轴加载，不仅可降低零件内应力，而且可对零件进行蠕变校形，从而有效减小了传统冷冲压带来的回弹，进一步提高零件尺寸精度。

Description

规则截面零件成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及金属构件成形制造技术领域，特别是涉及规则截面零件成形装置及成形方法。

背景技术

规则截面桁条类结构是航空航天、导弹的重要结构，如运载火箭的级间段蒙皮桁条和战术导弹壳段的蒙皮桁条等结构，主要起到对蒙皮支撑作用，用于承受轴压载荷以及内部的压力和弯矩，其质量和性能将直接影响装备整体结构强度。桁条类结构具有规则截面特征，需通过铆接等方式连接在蒙皮内表面，其精度要求高。为进一步减轻装备重量，提高结构效率、可靠性及服役性能，迫切需求钛合金来替代原有铝合金和不锈钢等结构材料。钛合金室温下的杨氏模量低，塑形差，成形零件回弹大，精度低，需要提高成形温度以改善成形性能。目前现有的常规高温成形方法主要包括超塑性成形、等温模压成形与冷模热冲压等，其中：

超塑性成形工艺是利用金属材料在特定的温度和应变速率条件下所获得的高延伸率来对板料进行加工，以获得各种所需尺寸形状零件的一种成形工艺。但超塑性成形的成形温度高，变形速率慢，成形零件的组织性能与尺寸精度难以同时保证，易产生明显的局部减薄与性能弱化，且局限于细晶材料和装备尺寸，制造成本高、生产效率低，难以满足零件规模化生产需求。

等温模压成形是将板料和模具同时加热到统一温度，然后再进行冲压变形。该成形方式能够较大程度上提高钛合金板料成形性，但是该工艺需要耐高温的模具材料，模具的制造和维护成本高，较高的成形温度和能耗，在一定程度上限制了其在航空航天领域的应用。此外，在等温模压过程中，板料需要和模具维持长时间的高温和保压，降低了钛合金薄壁构件生产效率，增加了能耗。同时，在成形过程中，钛合金在高温阶段停留时间长，表面氧化严重，内部组织急剧粗化，这些问题都将严重影响零件的服役性能。

冷模热冲压工艺的主要流程包括板料加热—板料转移—冲压成形—合模保压—人工时效等几个步骤。此工艺将热成形和热处理结合在一个工艺中，大幅提高了板料的成形性和生产效率，但是在板料转移和冲压成形的过程中会损失较多的热量，存在成形温度和加热温度不一致的缺点，难以用于成形具有较高温度敏感性的钛合金板料。

综上所述，现有的高温成形方法由于各种局限，并无法满足航空航天领域规则截面钛合金桁条类薄壁结构的成形要求。因此，针对钛合金薄壁构件成形精度-组织性能耦合的制造难题，迫切需要提出一种适用于钛合金的高精度成形技术，以解决目前钛合金规则截面薄壁构件精密成形的瓶颈难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种规则截面零件成形装置及成形方法，其可实现钛合金的高精度成形，以解决上述现有钛合金薄壁构件成形精度-组织性能耦合的制造难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种规则截面零件成形装置，包括：

控温模具，包括第一冲压模具和与所述第一冲压模具适配的第二冲压模具，所述第一冲压模具和所述第二冲压模具上分别设置有第一模具加热组件和第二模具加热组件；

合模驱动组件，与所述第一冲压模具和所述第二冲压模具中的至少一者相连，用于驱动所述第一冲压模具和所述第二冲压模具合模，以对待成形零件冲压成形；

零件加热控温组件，用于加热待成形零件；

轴向力控制组件，用于在所述待成形零件加热膨胀或冲压收缩过程中，对所述待成形零件施加轴向力，所述轴向力方向垂直于所述第一冲压模具和所述第二冲压模具合模的方向，以调控所述待成形零件的内应力；

控制系统，与所述轴向力控制组件、所述零件加热控温组件、所述合模驱动组件、所述第一模具加热组件和所述第二模具加热组件通讯连接。

可选的，所述第一冲压模具和所述第二冲压模具上下分布，所述轴向力控制组件包括分别位于所述第二冲压模具两侧的第一水平伸缩件和第二水平伸缩件，所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件用于共同连接所述待成形零件，以通过同步伸缩实现对所述待成形零件的应力控制。

可选的，所述合模驱动组件为合模压机，其包括工作台、升降驱动件和与所述升降驱动件相连的滑块，所述升降驱动件位于所述工作台上方，所述第二冲压模具设置于所述工作台上，所述第一冲压模具与所述滑块相连。

可选的，所述第一冲压模具与所述滑块之间还设置有第一冷却结构，所述第一冷却结构与所述第一冲压模具之间还设置有第一隔热结构；

所述第二冲压模具与所述工作台之间还设置有第二冷却结构，所述第二冷却结构与所述第二冲压模具之间还设置有第二隔热结构。

可选的，所述第一隔热结构和所述第二隔热结构均为隔热板；所述第一冷却结构和所述第二冷却结构均为水冷板。

可选的，所述第一模具加热组件包括第一加热元件和第一热电偶，所述第一加热元件和所述第一热电偶均插装于所述第一冲压模具的对应位置；

所述第二模具加热组件包括第二加热元件和第二热电偶，所述第二加热元件和所述第二热电偶均插装于所述第二冲压模具的对应位置。

可选的，所述轴向力控制组件还包括力传感器；所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件上均设置有所述力传感器，以检测所述待成形零件在加热膨胀或冲压收缩过程中所受轴向力。

可选的，所述零件加热控温组件为自阻加热系统，其包括高频开关电源、导线和金属电极，所述金属电极用于夹持所述待成形零件，所述金属电极通过所述导线与所述高频开关电源电连接；所述待成形零件与所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件之间通过绝缘结构相连。

可选的，所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件均为水平缸。

本发明还提出一种规则截面零件成形方法，包括步骤：

S1、将冲压模具加热至温度T₁，将待成形零件加热至温度T₂，且T₂大于T₁；

S2、驱动所述冲压模具合模，对所述待成形零件冲压成形，以获取第一预成形构件；

S3、对所述第一预成形构件施加拉伸轴向力，以限制所述第一预成形构件的冷却收缩，并在所述第一预成形构件内形成拉应力；

S4、调节所述冲压模具的温度及合模压力，使所述第一预成形构件在恒定温度T₁和恒定合模压力P₁下发生应力松弛，降低构件回弹，同时，对所述第一预成形构件施加恒定拉伸轴向力，以消除构件内的残余应力。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的规则截面零件成形装置及成形方法，利用零件加热控温组件加热待成形零件来获取所需的微观组织演化，改善成形性能；控温模具通过设置模具加热组件加热模具，可进行热冲压、模内淬火及应力松弛；利用轴向力控制组件调控零件内部应力状态。本发明将热冲压及热处理结合在一个工艺中，可提高零件成形性和生产效率，模内淬火及应力松弛可同时提高成形零件的强度及尺寸精度，控温模具及轴向力控制组件配合可实现多轴加载，不仅可降低零件内应力，而且可对零件进行蠕变校形，从而有效减小了传统冷冲压带来的回弹，进一步提高零件尺寸精度。

上述规则截面零件成形装置及成形方法，可实现规则截面零件多轴加载高精度热成形，适用于钛合金规则截面薄壁件的热成形，解决了现有钛合金薄壁构件成形精度-组织性能耦合的制造难题。

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为本发明实施例所公开的钛合金规则截面零件的结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的规则截面零件成形装置的整体结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的规则截面零件成形装置中第一冲压模具和第二冲压模具合模时的结构示意图；

图4为本发明实施例所公开的规则截面零件成形方法的流程示意图；

图5为本发明实施例所公开的零件成形温度演变图；

图6为本发明实施例所公开的零件所受轴向力演变图；

图7为本发明实施例所公开的零件成形应力演变图；

图8为本发明实施例所公开的零件的应力应变演变图；

图9为本发明实施例所公开的零件模内高压应力松弛定型机理图。

其中，附图标记为：

100、规则截面零件成形装置；

1、控制系统；1-1、模具位移控制模块；1-2、电流控制模块；1-3、轴向力控制模块；1-4、模具温度控制模块；2、第一冲压模具；3、第二冲压模具；4、第一水平伸缩件；5、第二水平伸缩件；6、工作台；7、升降驱动件；8、滑块；9、第一冷却结构；10、第一隔热结构；11、第二冷却结构；12、第二隔热结构；13、力传感器；14、绝缘结构；15、金属电极；16、待成形零件。

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。

本发明的目的之一是提供一种规则截面零件成形装置，其可实现钛合金的高精度成形，以解决现有钛合金薄壁构件成形精度-组织性能耦合的制造难题。

本发明的另一目的还在于提供一种规则截面零件成形方法，其可实现钛合金的高精度成形，以解决现有钛合金薄壁构件成形精度-组织性能耦合的制造难题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供一种规则截面零件成形装置100，包括控温模具、合模驱动组件、零件加热控温组件、轴向力控制组件和控制系统1，控温模具包括第一冲压模具2和与第一冲压模具2适配的第二冲压模具3，第一冲压模具2和第二冲压模具3合模时，形成与规则截面零件成品轮廓适配的型腔，第一冲压模具2和第二冲压模具3上分别设置有第一模具加热组件和第二模具加热组件，第一模具加热组件和第二模具加热组件分别用于加热第一冲压模具2和第二冲压模具3。合模驱动组件与第一冲压模具2和第二冲压模具3中的至少一者相连，用于驱动第一冲压模具2和第二冲压模具3合模，以对待成形零件16冲压成形。零件加热控温组件用于加热待成形零件16。轴向力控制组件用于在待成形零件16加热膨胀或冲压收缩过程中，对待成形零件16施加轴向力，轴向力方向垂直于第一冲压模具2和第二冲压模具3合模的方向，以调控待成形零件16的内应力，尤其是在待成形零件16冲压成形后，通过轴向力控制组件对待成形零件16施加拉伸轴向力，可有效限制待成形零件16冷却收缩。上述的控制系统1与轴向力控制组件、零件加热控温组件、合模驱动组件、第一模具加热组件和第二模具加热组件均通讯连接，以实时接收各组件的运行参数，并对各组件的运行进行自动化调控。

本实施例中，上述第一冲压模具2和第二冲压模具3一般上下分布，轴向力控制组件包括分别位于第二冲压模具3两侧的第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5对称布置，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5用于共同连接待成形零件16，以通过同步伸缩实现对待成形零件16的拉伸或压紧，进而实现对待成形零件16的应力控制。

本实施例中，前述合模驱动组件主要在成形过程中起到对零件热冲压应变速率及合模压力控制的作用。合模驱动组件一般采用合模压机，其包括工作台6、升降驱动件7和与升降驱动件7相连的滑块8，升降驱动件7位于工作台6上方，第二冲压模具3设置于工作台6上，第一冲压模具2与滑块8相连。升降驱动件7通过驱动滑块8升降，进而带动第一冲压模具2相对第二冲压模具3升降，进而实现第一冲压模具2和第二冲压模具3之间的合模或相互分离。实际操作中，升降驱动件7可为液压伸缩缸或电动伸缩缸等。作为优选方案，本实施例升降驱动件7采用电动伸缩缸，该电动伸缩缸与控制系统1的模具位移控制模块1-1通讯连接，模具位移控制模块1-1可调控电动伸缩缸的伸缩速率，进而通过调控滑块8的位移速率来控制零件的应变速率，还可通过调节电动伸缩缸来控制零件在热冲压及应力松弛阶段的压力，即第一冲压模具2与第二冲压模具3的合模压力。

上述合模压机，采用的是第二冲压模具3静置安装、第一冲压模具2伸缩驱动的形式，实际操作中，除上述形式外，还可以第一冲压模具2静置安装在工作台6上、第二冲压模具3与升降驱动件7相连，或者，设置两组升降驱动件7，第一冲压模具2和第二冲压模具3分别与一升降驱动件7相连。合模压机的具体设置形式可以根据实际生产需求而调整，本方案优选在工作台6上方设置一组升降驱动件7，且第二冲压模具3设置于工作台6上，第一冲压模具2通过滑块8与升降驱动件7相连。

本实施例中，第一冲压模具2与滑块8之间还设置有第一冷却结构9，第一冷却结构9与第一冲压模具2之间还设置有第一隔热结构10；同理，第二冲压模具3与工作台6之间还设置有第二冷却结构11，第二冷却结构11与第二冲压模具3之间还设置有第二隔热结构12。上述的第一隔热结构10和第二隔热结构12均为隔热板；第一冷却结构9和第二冷却结构11均为水冷板。通过在第一冲压模具2与滑块8之间依次设置第一隔热结构10和第一冷却结构9，在第二冲压模具3与工作台6之间依次设置第二隔热结构12和第二冷却结构11，能够有效减少成形过程模具与外界的热量交换，防止温度对合模压机等其他设备部件产生影响。上述水冷板为一种现有部件，水冷板中的冷却通道为流动常温水冷通道；隔热板可采用真空隔热板、聚氨酯保温板等现有结构，具体不再赘述。

本实施例中，第一冲压模具2和第二冲压模具3上下布置形成上下冲压模具，一般一个为凸模，一个为凹模，可升降的第一冲压模具2可沿导柱导套上下移动，一般通过螺栓将第一冲压模具2、第一隔热结构10和第一冷却结构9固定在滑块8上，相应的，一般通过螺栓将第二冲压模具3、第二隔热结构12和第二冷却结构11固定在工作台6上。上述第一冲压模具2和第二冲压模具3材料可选热成形常用模具材料，如低碳钢、不锈钢、Ni₇N等，模具外部缠绕石棉，用于减少传热过程模具与外界环境对流、辐射换热，可改善模具温度均匀性。

本实施例中，通过在第一冲压模具2和第二冲压模具3上分别设置第一模具加热组件和第二模具加热组件，可在热冲压、模内淬火及应力松弛阶段进行模具控温。其中，第一模具加热组件具体包括第一加热元件和第一热电偶，第一加热元件和第一热电偶均插装于第一冲压模具2的对应位置，第一加热元件可以采用现有的电加热棒、电加热丝等结构，以采用电加热棒为例，其可以设置多根，间隔插装在第一冲压模具2对应位置，相应的第一热电偶也设置多个，并在第一冲压模具2上间隔排布，基于此，可实现模具温度的分区控制，进而可根据零件不同变形区性能需求，获得梯度组织。第一模具加热组件中的各第一加热元件和各个第一热电偶均与控制系统1通讯连接，实际操作中，可根据零件变形场调节第一加热元件和第一热电偶的设置位置，控制系统1的模具温度控制模块1-4可通过第一热电偶所反馈的温度信息，对第一冲压模具2不同区位的第一加热元件的加热温度进行调节和维持。模具温度控制模块1-4具体可以是控温箱。

第二模具加热组件的结构组成与上述第一模具加热组件相同。第二模具加热组件具体包括第二加热元件和第二热电偶，第二加热元件和第二热电偶均插装于第二冲压模具3的对应位置。第二加热元件可以采用现有的电加热棒、电加热丝等结构，以采用电加热棒为例，其可以设置多根，间隔插装在第二冲压模具2对应位置，相应的第二热电偶也设置多个，并在第二冲压模具2上间隔排布，基于此，可实现模具温度的分区控制，进而可根据零件不同变形区性能需求，获得梯度组织。第二模具加热组件中的各第二加热元件和各个第二热电偶均与控制系统1通讯连接，实际操作中，可根据零件变形场调节第二加热元件和第二热电偶的设置位置，控制系统1的模具温度控制模块1-4可通过第二热电偶所反馈的温度信息，对第二冲压模具2不同区位的第二加热元件的加热温度进行调节和维持。第二热电偶与上述的第一热电偶均采用常规的热电偶结构，主要用于对模具进行测温，具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例中，轴向力控制组件主要在成形过程起到对零件内应力状态调控的作用，其除了第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5之外，还设置了力传感器13，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5上均设置有力传感器13，待成形零件16在加热、冲压及模内淬火过程中会发生轴向膨胀或收缩，该过程所产生的应力可由力传感器13反馈至控制系统1，并通过第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向伸缩实现零件成形过程应力控制。第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5均为水平缸，具体可采用水平放置的电动伸缩缸或液压伸缩缸。作为优选方案，本实施例的第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5均优选水平放置的电动伸缩缸，可根据力传感器13的数据反馈，带动待成形零件16轴向伸缩，调控待成形零件16内应力状态。以待成形零件16为钛合金板料为例，钛合金板料在加热膨胀和冲压收缩过程中，轴向力变化可通过上述力传感器13反馈至控制系统1的轴向力控制模块1-3，轴向力控制模块1-3通过控制第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向(水平)伸缩实现板料成形过程应力控制，且第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5，与前述控温模具(即上下冲压模具)配合形成上、下、左(前)、右(后)多轴加载，共同调控零件的应力松弛过程，有利于提升零件的热成形精度。

本实施例中，零件加热控温组件为自阻加热系统，其包括高频开关电源、导线和金属电极15，金属电极15用于夹持待成形零件16，金属电极15通过导线与高频开关电源电连接。该自阻加热系统的工作原理是利用待成形零件16本身电阻进行快速加热，以待成形零件16为钛合金板料为例，即是通过电流流入钛合金板料产生的焦耳热效应来控制成形温度。金属电极15具体可选用铜电极，铜电极夹持钛合金板料两端，铜电极上一般加工有通孔，可通过螺栓连接来保证铜电极与钛合金板料的紧密接触；电极上下两侧经由导线与高频开关电源电连接，通过高频开关电源输出高额直流电经由导线流经钛合金板料，利用钛合金板料自身电阻进行快速加热；为避免开放式缓慢加热条件带来板料表面过度氧化及升温过程自身形变行为调控，可通过控制系统1中的电流控制模块1-2调节高频开关电源的电流输出大小，以控制钛合金板料的温度和加热速率。为了提高设备的安全性，可在自阻加热系统也配置热电偶，待成形零件16加热过程温度变化可通过热电偶实时反馈至控制系统1中的电流控制模块1-2，电流控制模块1-2通过对高频开关电源进行功率调节，精确控制待成形零件16的冲压温度与模内淬火及应力松弛阶段的温度。自阻加热系统的热电偶一般配置在板料侧边，并与板料直接接触检测。高频开关电源的额定输出电压一般优选为15V，额定输出电流一般优选为10000A。

基于上述自阻加热系统的设置，金属电极15与待成形零件16接触部位中间还设置有低导热系数材料，如锰钢、硼钢等，以减少两端电极散热，改善待成形零件16温度场均匀性。同时，为了避免电流影响第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5的正常使用，待成形零件16与第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5之间通过绝缘结构相连，该绝缘结构可以为陶瓷块(片)。相应的，为了进一步增强防护，金属电极15与第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5之间之间也装设绝缘结构，比如陶瓷块(片)，防止电流经由电极流入第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5，损坏相关传感器。

上述可知，本方案提出的规则截面零件成形装置100，利用电阻加热控制并获取零件热成形所需的微观组织演化，改善成形性能；可控制模具的温度进行热冲压、模内淬火及应力松弛；可控制水平缸轴向伸缩调控零件内部应力状态；电阻加热可大幅缩短升温周期，模内淬火及应力松弛可同时提高成形零件的强度及尺寸精度，冲压模具及水平缸多轴加载可进一步降低零件内应力，改善零件成形精度。由此可见，本方案可实现规则截面零件多轴加载高精度热成形，适用于规则截面薄壁件的热成形。下面以待成形零件16为钛合金薄壁板件为例，对上述成形装置的工作过程以及工作原理作具体说明。

首先，利用模具温度控制模块1-4(即控温箱)连接第一加热元件和第二加热元件，并控制第一加热元件和第二加热元件分别对第一冲压模具2和第二冲压模具3加热，以将第一冲压模具2和第二冲压模具3加热并调控至目标温度；同时启动高频开关电源，对钛合金薄壁板件快速加热。

其后，利用升降驱动件7驱动第一冲压模具2下降，使第一冲压模具2和第二冲压模具3快速合模，对钛合金薄壁板件冲压，形成第一预成形构件；第一冲压模具2和第二冲压模具3合模后再对第一预成形构件保压保温一段时间，同时，钛合金薄壁板件冲压成形过程轴向应力变化由力传感器13反馈至第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5，利用第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向伸缩控制第一预成形构件内应力。在分区模内淬火作用下，可控制钛合金薄壁板件不同变形区的微观组织演化，并在模内应力松弛和水平伸缩件轴向应力的多轴加载作用下，可降低回弹及调控第一预成形构件应力状态，进而提高成形零件的强度与尺寸精度。

上述方案的有益效果具体如下：

1)成形高效率：采用电阻加热钛合金薄壁板件，可大幅缩短升温周期，避免传统加热炉转移坯料过程的热量损耗，能显著提高成形效率，降低工艺能耗；控温模具中配置加热元件和热电偶，可将热成形、模内淬火及应力松弛结合在一个工艺中，实现了钛合金薄壁板件控形控性一体化，大幅提高了成形性和生产效率。

2)成形高精度：模内淬火及应力松弛可同时提高成形零件的强度及尺寸精度，控温模具及轴向力控制组件的水平缸配合作业形成多轴加载，共同调控零件应力松弛过程，冲压时板料冷却收缩，水平缸可固定不动限制零件收缩，形成拉应力，同时，板料可在预设模具温度和合模压力下保持一段时间，产生应力松弛，降低回弹；冲压后水平缸可轴向拉动板料，施加恒定预应力，提高成形精度。在提高零件精度的前提下，还可进一步拓宽成形模具温度窗口，通过提高过冷度，有效调控成形零件组织性能。

3)微观组织可调控，可做梯度组织：可调节电阻加热电流输出，设计合理的加热参数(温度，加热速率)，获得良好匹配的两相分布和晶粒尺寸，改善零件的成形性能；通过调节模具温度，控制模内淬火的冷却速率，获得构件强度所需的马氏体相变趋势；同时，模具温度可分区控制，可根据构件不同变形区性能需求，获得梯度组织。

本方案的装置及方法可将热成形、热处理及热校形结合在一个工艺中，配合控制系统的布置，可实现钛合金零件热成形的控形控性一体化，在保证零件性能和尺寸精度的前提下，大幅提高生产效率。

实施例二

如图4所示，本实施例提出一种规则截面零件成形方法，包括步骤：

S1、将冲压模具加热至温度T₁，将待成形零件16加热至温度T₂，且T₂大于T₁；

S2、驱动冲压模具合模，对待成形零件16冲压成形，以获取第一预成形构件；

S3、对第一预成形构件施加拉伸轴向力，以限制第一预成形构件的冷却收缩，并在第一预成形构件内形成拉应力；

S4、调节冲压模具的温度及合模压力，使第一预成形构件在恒定温度T₁和恒定合模压力P₁下发生应力松弛，降低构件回弹，同时，对第一预成形构件施加恒定拉伸轴向力，以消除构件内的残余应力。

上述规则截面零件成形方法可采用实施例一中的规则截面零件成形装置100实施，从而形成一种规则截面零件多轴加载高精度热成形方法，适用于规则截面薄壁件的热成形。下面以待成形零件16为钛合金薄壁板件为例，对上述规则截面零件成形方法的工作机理作具体说明。具体步骤如下：

步骤S1、将冲压模具加热并调控至温度T₁，并保温一段时间，保证模具内部各点温度均匀；利用自阻加热系统对钛合金薄壁板件快速加热至成形温度T₂，以获得塑性良好的微观组织，其中，T₂大于T₁。

步骤S2、模具和钛合金薄壁板件加热完成后，快速驱动冲压模具合模，在合模过程中，待成形零件16逐渐成形，获取第一预成形构件；合模完毕后，利用升降驱动件7继续对模具加压，保证成形过程中钛合金薄壁板件与模具型腔内壁充分接触。

步骤S3、冲压后，形成的第一预成形构件冷却收缩，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5保持固定不同，以限制第一预成形构件收缩，第一预成形构件内形成拉应力。

步骤S4、最后通过模具控温控压技术，使第一预成形构件在恒定模具温度T₁和压力P₁下发生应力松弛，降低构件回弹，待第一预成形构件的温度降低至T₁后，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向拉动第一预成形构件，施加恒定预应力，这样既消除了构件内的残余应力，又将保证了成形件强度与尺寸精度。

上述步骤S1中模具可分区控温，控温区间为0～700℃。

上述步骤S1中钛合金薄壁板件的成形温度区间在700～1000℃，加热速率区间在1～100℃/s。

上述步骤S2中合模压力范围为50～1000t。

上述步骤S4中中第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向伸缩速率范围为0.1～100mm/min。

与现有技术相比，本方案的有益效果是：

上述规则截面零件多轴加载高精度热成形方法利用电阻加热控制钛合金薄壁板件升温过程，获得热成形所需的微观组织，改善成形性能；可控制模具的温度进行热冲压、模内淬火及应力松弛，且模具温度可分区控制，可根据零件不同变形区性能需求，获得梯度组织；可控制水平缸轴向位移调控钛合金薄壁板件内部应力状态。钛合金薄壁板件采用电阻加热可大幅缩短升温周期，避免传统加热炉转移坯料过程的温度损失；模内淬火及应力松弛可同时提高成形零件的强度及尺寸精度，冲压模具及水平缸可配合形成多轴加载，共同调控零件应力松弛过程，在提高零件精度的前提下，可进一步拓宽成形模具温度窗口，通过提高过冷度，有效调控成形零件组织性能。该方法将热成形和热处理结合在一个工艺中，实现了钛合金零件热成形的控形控性一体化，在保证零件性能和尺寸精度的前提下，大幅提高了生产效率。

实施例三

如图5和图6所示，为本实施例钛合金规则截面薄壁件热成形温度与应力演变图。钛合金规则截面薄壁件的热成形过程包括：

步骤S1、将冲压模具加热并调控至温度T₁，并保温时间t，保证模具内部各点温度均匀；利用自阻加热系统，以加热速率H₁将钛合金薄壁板件快速加热至成形温度T₂，以获得塑性良好的微观组织，其中，T₂大于T₁。钛合金薄壁板件加热过程受热膨胀，在此过程中，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5对钛合金薄壁板件轴向内压，避免钛合金薄壁板件膨胀弯曲变形。

步骤S2、模具和钛合金薄壁板件加热完成后，快速驱动冲压模具合模，在合模过程中，待成形零件16逐渐成形，获取第一预成形构件；合模完毕后，利用升降驱动件7继续对模具加压，保证成形过程中钛合金薄壁板件与模具型腔内壁充分接触。

步骤S3、冲压后，形成的第一预成形构件冷却收缩，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5保持固定不同，以限制第一预成形构件收缩，第一预成形构件内形成拉应力。

步骤S4、最后通过模具控温控压技术，使第一预成形构件在恒定模具温度T₁和压力P₁下发生应力松弛，降低构件回弹，待第一预成形构件的温度降低至T₁后，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向拉动第一预成形构件，施加恒定预应力，这样既消除了构件内的残余应力，又将保证了成形件强度与尺寸精度。

实施例四

如图7～图9所示，反映了本实施例钛合金规则截面薄壁件模内高压应力松弛定型过程机理。

钛合金板料经热冲压后得到的零件，具有较大的回弹，往往需要进一步的热校形处理，才能将其回弹减小。而热校形工艺是基于材料应力松弛效应提出的，应力松弛是指在材料的总应变不变的情况下，材料应力随时间减小的过程，在这个过程中材料的弹性应变会向塑性应变转变，最终保留在材料内，弹性应变的减小，进而引起了零件卸载后回弹量的减小。钛合金板料成形后仍具有较高的温度，进一步的保压可使板料温度降至模具温度T₁，在保压的过程中，钛合金板料会发生较为明显的应力松弛效应，可利用应力松弛效应来降低复杂薄壁构件热成形后的回弹。

如图7所示，当热冲压零件应变达到目标值时，保持模具温度T₁及压力机合模压力P₁不变，钛合金成形零件的内应力呈现迅速下降趋势，此为应力松弛的第一阶段(0-t_a)，在此变形条件下持续时间较短，随后过渡到应力松弛的第二阶段，应力下降非常缓慢，出现较为平稳的应力水平，在此条件下一直持续到t_b，之后合模压力卸载(t_b-t_c)，零件自由变形，此时应弹性应变量立即恢复，随后出现滞弹性应变量随时间逐渐下降，直到达到平衡状态。

热冲压零件剩余应力随着松弛时间的增加，无限趋近应力松弛极限。图8中，应力松弛阶段的模具温度T_a＞T_b，温度越高，应力松弛进行得越快，应力松弛极限应力越低，回弹Δε越小。图9中，应力松弛过程热冲压零件的内应力可通过轴向力与位移控制系统中的力传感器实时反馈，水平缸可轴向位移进一步降低热冲压零件内应力，与冲压模具配合形成多轴加载，共同调控零件应力松弛过程，在提高零件精度的前提下，可进一步拓宽成形模具温度窗口，通过降低模具温度，减少能耗，且可提高成形零件模内淬火冷却速率，调控零件组织性能。

实施例五

图6为本实施例钛合金规则截面薄壁件多轴加载高精度热成形示意图，以TC4钛合金为例，热成形过程包括：

步骤S1、将冲压模具加热并调控至300℃，并保温5min，保证模具内部各点温度均匀；利用自阻加热系统，以50℃/s的加热速率将TC4钛合金板料快速加热至900℃，以获得塑性良好的微观组织。TC4钛合金板料加热过程受热膨胀，在此过程中，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5对TC4钛合金板料轴向内压，避免TC4钛合金板料膨胀弯曲变形。

步骤S2、模具和TC4钛合金板料加热完成后，快速驱动冲压模具合模，在合模过程中，待成形零件16逐渐成形，获取第一预成形构件；合模完毕后，利用升降驱动件7继续对模具加压，保证成形过程中TC4钛合金板料与模具型腔内壁充分接触。

步骤S3、冲压后，形成的第一预成形构件冷却收缩，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5保持固定不同，以限制第一预成形构件收缩，第一预成形构件内形成拉应力。

步骤S4、最后通过模具控温控压技术，使第一预成形构件在300℃恒温和500MPa恒压下发生应力松弛，降低构件回弹，待第一预成形构件的温度降低至300℃后，第一水平伸缩件4和第二水平伸缩件5轴向拉动第一预成形构件，施加恒定预应力，这样既消除了构件内的残余应力，又将保证了成形件强度与尺寸精度。

综上，本方案提出的钛合金规则截面薄壁件多轴加载高精度热成形装置及方法，通过钛合金板料自阻加热，可极大提高升温效率，避免坯料转移过程的温度损失，缩短实验周期，同时可调控组织演化，改善成形性能。非等温热冲压及模内淬火可将热冲压及热处理结合在一个工艺中，提高成形性和生产效率，可对模具分区控温，根据构件不同变形区性能需求，获得梯度组织。模内应力松弛及水平缸轴向伸缩可实现对零件的应力松弛及多轴应力加载，对零件进行蠕变校形，有效地减小了传统冷冲压带来的回弹，缩短工艺周期，提高尺寸精度。

需要说明的是，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。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (10)

1.一种规则截面零件成形装置，其特征在于，包括：

控温模具，包括第一冲压模具和与所述第一冲压模具适配的第二冲压模具，所述第一冲压模具和所述第二冲压模具上分别设置有第一模具加热组件和第二模具加热组件；

合模驱动组件，与所述第一冲压模具和所述第二冲压模具中的至少一者相连，用于驱动所述第一冲压模具和所述第二冲压模具合模，以对待成形零件冲压成形；

零件加热控温组件，用于加热待成形零件；

轴向力控制组件，用于在所述待成形零件加热膨胀或冲压收缩过程中，对所述待成形零件施加轴向力，所述轴向力方向垂直于所述第一冲压模具和所述第二冲压模具合模的方向，以调控所述待成形零件的内应力；

控制系统，与所述轴向力控制组件、所述零件加热控温组件、所述合模驱动组件、所述第一模具加热组件和所述第二模具加热组件通讯连接。

2.根据权利要求1所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述第一冲压模具和所述第二冲压模具上下分布，所述轴向力控制组件包括分别位于所述第二冲压模具两侧的第一水平伸缩件和第二水平伸缩件，所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件用于共同连接所述待成形零件，以通过同步伸缩实现对所述待成形零件的应力控制。

3.根据权利要求2所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述合模驱动组件为合模压机，其包括工作台、升降驱动件和与所述升降驱动件相连的滑块，所述升降驱动件位于所述工作台上方，所述第二冲压模具设置于所述工作台上，所述第一冲压模具与所述滑块相连。

4.根据权利要求3所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述第一冲压模具与所述滑块之间还设置有第一冷却结构，所述第一冷却结构与所述第一冲压模具之间还设置有第一隔热结构；

所述第二冲压模具与所述工作台之间还设置有第二冷却结构，所述第二冷却结构与所述第二冲压模具之间还设置有第二隔热结构。

5.根据权利要求4所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述第一隔热结构和所述第二隔热结构均为隔热板；所述第一冷却结构和所述第二冷却结构均为水冷板。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述第一模具加热组件包括第一加热元件和第一热电偶，所述第一加热元件和所述第一热电偶均插装于所述第一冲压模具的对应位置；

所述第二模具加热组件包括第二加热元件和第二热电偶，所述第二加热元件和所述第二热电偶均插装于所述第二冲压模具的对应位置。

7.根据权利要求2～5任意一项所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述轴向力控制组件还包括力传感器；所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件上均设置有所述力传感器，以检测所述待成形零件在加热膨胀或冲压收缩过程中所受轴向力。

8.根据权利要求1～5任意一项所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述零件加热控温组件为自阻加热系统，其包括高频开关电源、导线和金属电极，所述金属电极用于夹持所述待成形零件，所述金属电极通过所述导线与所述高频开关电源电连接；所述待成形零件与所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件之间通过绝缘结构相连。

9.根据权利要求8所述的规则截面零件成形装置，其特征在于，所述第一水平伸缩件和所述第二水平伸缩件均为水平缸。

10.一种规则截面零件成形方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将冲压模具加热至温度T₁，将待成形零件加热至温度T₂，且T₂大于T₁；

S2、驱动所述冲压模具合模，对所述待成形零件冲压成形，以获取第一预成形构件；

S3、对所述第一预成形构件施加拉伸轴向力，以限制所述第一预成形构件的冷却收缩，并在所述第一预成形构件内形成拉应力；

S4、调节所述冲压模具的温度及合模压力，使所述第一预成形构件在恒定温度T₁和恒定合模压力P₁下发生应力松弛，降低构件回弹，同时，对所述第一预成形构件施加恒定拉伸轴向力，以消除构件内的残余应力。