CN117225974A - 一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置与方法，属于金属构件成形制造技术领域，利用电阻加热金属管材，控制加热速率及温度获得电致塑性与良好的微观组织，改善成形性能；管材成形阶段可控制管内气压加载速率及压强大小，实现钛合金热成形应变硬化与应变速率硬化的协同作用，有效改善管件壁厚均匀性；模内淬火阶段对模具进行分区控温，控制成形管件淬火冷却速率，根据构件不同变形区性能需求，获得梯度组织；成形管件在温度与压强作用下发生应力松弛，其中，内压产生附加拉应力，水平缸轴向加载施加预应力，在变形与高温共同作用下促进应力松弛发生成形降低残余应力，减少回弹，提高成形管件强度及尺寸精度。
Description
技术领域
本发明涉及金属构件成形制造技术领域，尤其是涉及一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置与方法。
背景技术
钛合金、高温合金异形薄壁金属管件是航空航天高端装备领域的关键构件，如航空发动机进气道、大推力火箭发动机喷等。针对其不同应用领域，常用原材料多为钛合金、耐热高强钢与高温合金等。这几种材料室温下的变形抗力高、极限膨胀率小、同时，零件弹性模量低，回弹大，成形后形状尺寸精度差，因此传统内高压成形等冷成形方法难以制造该类复杂异形形状，需提高成形温度以改善成形性能与精度。目前现有的常规成形方法主要包括拼焊成形、超塑性成形及热气胀成形等。
拼焊成形是将金属薄板采用冲压的方式成形出环形半壳，修正边缘后拼缝焊接。其弊端在于冲压件回弹大，尺寸精度低，且焊缝和热影响区易产生变形不均，拼焊难度高，同时焊缝处微观组织演化复杂，相较于母材性能弱化严重，需要后续热处理进一步稳定组织，消除焊接残余应力。相较于整体成形，其成形构件强度系数低，组织性能及尺寸精度难以精确控制，难以满足高端装备对于构件高可靠性及整体化发展需求。
超塑性成形工艺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，实现对复杂截面管类构件的整体成形。然而超塑性成形的成形温度高，变形速率慢，成形管件易产生明显的壁厚不均与性能弱化，且局限于细晶材料和装备尺寸，制造成本高、生产周期长，难以满足该类构件在航空航天领域规模化生产需求。
热气胀成形工艺是向高温封闭管坯内部冲入高压气体，管坯在内压作用下快速膨胀变形贴合模具，获得所需异形薄壁管件，该技术是现阶段整体成形轻质合金薄壁管件的先进制造技术。然而，管件成形过程内应力状态复杂，冷却后易发生明显回弹，需进一步改善工艺，提高成形管件尺寸精度。
综上所述，现有成形方法存在生产效率低，成形精度低且构件性能弱等问题，均无法满足航空航天领域薄壁复杂异形管件的成形要求。因此，针对该类复杂异形管件成形精度与构件性能耦合的制造难题，迫切需求新一代控形控性一体化成形技术，同时保证成形构件的精度、强度及生产效率，解决薄壁复杂异形管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附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置与方法，解决了现有技术中存在的不足，且该方法集成热成形、热处理及热校形工艺，实现金属薄壁管件控形控性一体化成形，在保证零件性能和尺寸精度的前提下，大幅提高生产效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，包括分区控温模具、自阻加热系统、气压控制系统、轴向力与位移控制系统；
所述分区控温模具分为上模和下模，所述上模与移动滑块之间通过螺栓将水冷板和隔热板固定在移动滑块处，所述下模和所述隔热板及所述水冷板固定安装在合模压力机的下平台处；
所述分区控温模具还包括成形模具和控温加热元件，所述成形模具处设有贯穿通孔，所述控温加热元件设置在所述贯穿通孔的内部，与外部控温箱连接，且所述成形模具中还设有热电偶；
所述自阻加热系统包括高频开关电源、导线和铜电极，所述铜电极设置在所述封闭管坯的两端，用于夹持待成形零件，所述铜电极通过所述导线与所述高频开关电源电连接。
所述成形气压控制系统包括高压气源和气压控制柜，所述气压控制柜的输入端与所述高压气源连接，且所述气压控制柜的输出端与封闭管坯的封头之间设有气体通路；
所述轴向力与位移控制系统包括水平缸和力传感器，所述力传感器设置在所述水平缸的输出端，其与所述水平缸固定连接。
优选的，还包括封闭管坯和合模压力机；
所述封闭管坯的一端焊接有封板，其另一端焊接有封头，所述封板的一侧设有所述轴向力与位移控制系统，所述封头的一侧设有所述气压控制系统，且所述分区控温模具分别对称设置在所述封闭管坯的上下两侧，所述分区控温模具连接有所述合模压力机；
所述合模压力机包括伺服油缸和移动滑块，所述伺服油缸与所述移动滑块连接。
优选的，所述封闭管坯为α型钛合金、近α型钛合金、α+β型钛合金、铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金中的一种。
优选的，所述成形模具的加工材料为低碳钢、H13、Ni7N中的一种，且所述成形模具的外部缠绕有石棉。
优选的，所述水冷板中的冷却通道为流动常温水冷通道，采用直通或随形布置。
本发明还提供了一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法，包括以下步骤：
步骤一、通过控温箱连接控温加热元件，将成形模具控温为T1，且通过保温使模具内部各点温度均匀；
步骤二、利用自阻加热系统将金属管材以加热速率H快速加热至成形温度T2，获得塑性良好的微观组织；
步骤三、待金属管材加热至目标温度后，合模压力机处的滑块带动上模快速合模并保压，且调节成形气压控制系统向金属管材以加压速率充气，加压至气体压力为p，金属管材成形与模内淬火同步进行，水平缸同步轴向位移，向封板施加应力，调控成形管材内应力状态；
步骤四、通过模具控温和气压控制，使成形灌浆在恒定模具温度T1和气体压强p下保持30min，成形管件恒温恒压下发生应力松弛，且同时封板在管内高压作用下，施加附加拉应力；
步骤五、卸载封闭管坯中内部气压及水平缸轴向应力，移除铜电极，开模取件，切割封闭管坯的封板及封头并切割余量，完成金属异形薄壁管件的成形制造。
优选的，在所述步骤一中，成形模具采用分区控温的方式，且控温区间T1为0～700℃。
优选的，在所述步骤二中，所述金属管材为钛合金或高温合金，成形温度T2区间为700～1000℃，加热速率H区间为1～100℃/s。
优选的，在所述步骤三中，合模压力机的压力范围为50～1000t。
优选的，在所述步骤三中，封闭管坯中通入的高压气体为空气、氮气或氩气中的一种，其中加压速率为0.05～5MPa/s，气体压力p为0.1～20MPa。
因此，本发明采用上述一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置与方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)成形精度高：管材成形过程温度及内压可控，可通过优化工艺参数，获得壁厚均匀的成形管件；管材成形及模内淬火同步进行，避免后续冷却过程热应力过大引起形状畸变；水平缸在成形全过程可轴向施加预应力，调控管材成形过程内应力状态；封板可在管内气压作用下产生附加拉应力，消除淬火残余应力，提高成形精度。
(2)成形效率高：采用电流自阻加热，避免了金属管材由加热炉转移至模具过程中的热量损耗，大幅缩短加热周期；该方法将管材热气胀成形、模内淬火及应力松弛结合在一个工艺中，实现金属管材成形控性一体化，无需进行后续热处理及校形等工序，大幅提高生产效率。
(3)组织性能可控：可调节电流输出，控制金属管材成形温度和加热速率，获得电致塑性及良好匹配的相分布和晶粒尺寸，改善成形性能；可调节模具温度，控制成形管材模内淬火的冷却速率，获得构件强度所需相变、晶粒尺寸及晶间化合物析出趋势；同时，模具温度可分区控制，可根据管件不同变形区性能需求，获得梯度组织。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置结构图；
图2是本发明一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法流程图；
图3是本发明附加气压辅助的异形薄壁管件热成形示意图；
图4是本发明异形薄壁管件模内高压应力松弛定型过程机理图；
图5是本发明实施例一钛合金管件热成形工艺窗口图；
图6是本发明实施例二高温合金管件热成形工艺窗口图。
附图标记
1、封闭管坯；2、封板；3、封头；4、伺服油缸；5、移动滑块；6、上模；7、下模；8、水冷板；9、隔热板；10、控温加热元件；11、热电偶；12、铜电极；13、气压控制柜；14、高压气源；15、水平缸；16、力传感器。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例一
图1为本发明一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置结构图，如图1所示，本发明提供了一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，包括：分区控温模具、自阻加热系统、气压控制系统、轴向力与位移控制系统；
分区控温模具分为上模6和下模7，上模6与移动滑块5之间通过螺栓将水冷板8和隔热板9固定在移动滑块5处，下模7和隔热板9及水冷板8固定安装在合模压力机的下平台处，由合模压力机的压力控制系统控制合模压力，减少金属管材成形过程模具与外界设备的热量交换，防止高温损坏压力控制相关传感器；
分区控温模具还包括成形模具和控温加热元件10，成形模具处设有贯穿通孔，控温加热元件10设置在贯穿通孔的内部，根据零件变形场对控温加热元件进行区位设置，并与外部控温箱连接，且成形模具中还设有热电偶11，热电偶11所监测的温度信息可反馈至控温箱，对成形模具不同分区进行加热和保温；
自阻加热系统包括高频开关电源、导线和铜电极12，此处铜电极12代表着自阻加热系统，铜电极12设置在封闭管坯1的两端，用于夹持待成形零件，所述铜电极12通过所述导线与所述高频开关电源电连接；自阻加热系统中高频开关电源提供管材升温过程所需电流，电源的额定输出电压为15V，额定输出电流为10000A，高频开关电源通过导线与铜电极连接，铜电极夹持封闭管坯的两端，通过高频开关电源输出高额直流电经由导线流经金属管材，利用其自身电阻进行快速加热；还可通过加热过程金属管材表面热电偶测温数据反馈，调节电源电流输出，控制成形前金属管材的温度和加热速率，避免开放式缓慢加热条件带来管材表面过度氧化，同时控制升温阶段坯料的微观组织演化。
成形气压控制系统包括高压气源14和气压控制柜13，气压控制柜13的输入端与高压气源14连接，且气压控制柜13的输出端与封闭管坯1的封头3之间设有气体通路，用于控制输送至封闭管件内的气体压力和加压速率；根据金属管材的材料，可选用高压气体为空气、氮气、氩气或氦气中的一种。
轴向力与位移控制系统包括水平缸15和力传感器16，力传感器16设置在水平缸15的输出端，其与水平缸15固定连接；封闭管坯充气成形过程中，一端的封板2发生向外侧弯曲变形，水平缸15可轴向加载对封板2施加应力，调节金属管材成形过程内应力状态。
另外，该装置还包括封闭管坯1和合模压力机；
封闭管坯1的一端焊接有封板2，其另一端焊接有封头3，封板2的一侧设有轴向力与位移控制系统，封头3的一侧设有气压控制系统，且分区控温模具分别对称设置在封闭管坯1的上下两侧，分区控温模具连接有合模压力机；
合模压力机包括伺服油缸4和移动滑块5，伺服油缸4与移动滑块5连接，在成形过程中起到控制合模压力作用，上模6固定在移动滑块上，由伺服油缸4带动上下运动，可调节合模压力来控制金属管材成形、模内淬火及应力松弛阶段的合模压力。
其中，封闭管坯1为α型钛合金、近α型钛合金、α+β型钛合金、铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金中的一种。成形模具的加工材料为低碳钢、H13、Ni7N中的一种，且成形模具的外部缠绕有石棉。水冷板8中的冷却通道为流动常温水冷通道，采用直通或随形布置。
实施例二
图2为本发明一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法流程图，图3为本发明附加气压辅助的异形薄壁管件热成形示意图，如图2和图3所示，本发明还提供了一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成型方法，包括以下步骤：
步骤201、通过控温箱连接控温加热元件，将成形模具控温为T1，且通过保温使模具内部各点温度均匀；
步骤202、利用自阻加热系统将金属管材以加热速率H快速加热至成形温度T2，获得塑性良好的微观组织；
步骤203、待金属管材加热至目标温度后，合模压力机处的滑块带动上模快速合模并保压，且调节成形气压控制系统向金属管材以加压速率充气，加压至气体压力为p，金属管材在内压作用下快速成型，由于成形模具与封闭管坯之间存在温差，在封闭管坯贴合成形模具后将同步开始模内淬火，金属管材成形与模内淬火同步进行，封闭管坯一端的封板在内部高压作用下膨胀至半球状，水平缸同步轴向位移，向封板施加应力，调控成形管材内应力状态；
步骤204、通过模具控温和气压控制，使成形灌浆在恒定模具温度T1和气体压强p下保持30min，成形管件恒温恒压下发生应力松弛，且同时封板在管内高压作用下，施加附加拉应力，进一步消除灌浆模内淬火产生的残余应力，保证成形件的强度与尺寸精度；
步骤205、卸载封闭管坯中内部气压及水平缸轴向应力，移除铜电极，开模取件，切割封闭管坯的封板及封头并切割余量，完成金属异形薄壁管件的成形制造。
实施例三
图4为异形薄壁管件模内高压应力松弛定型过程机理图，如图4所示，金属管材经热气胀成形后得到的构件，具有较大的回弹，往往需要进一步的校形处理。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，内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，进而引起了零件卸载后回弹量的减小。金属管材成形后仍具有较高的温度，同步进行的模内淬火可使管材温度降至模具温度T1，在模具温度和管内气压的作用下，金属管材会发生较为明显的应力松弛效应，降低异形薄壁管件热成形后的回弹。成形成形管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4a)中，应力松弛阶段的模具温度Ta＞Tb，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4b)中，应力松弛阶段成形管件一端封板在管内高压作用下，对管体施加附加拉应力，进一步降低成形管件内应力，调控零件应力松弛过程，在提高零件精度的前提下，进一步拓宽成形模具温度窗口，可通过增加轴向应力，降低模内淬火阶段模具温度，减少能耗，且可提高成形管件模内淬火冷却速率，调控组织性能。
实施例四
图5为钛合金管件热成形及模内淬火强度及精度协同控制工艺窗口图，如图5所示，以TC4钛合金为例，包括：
步骤401：利用控温箱，调节加热元件加热功率，将模具温度加热350℃，并保温5min使其温度均匀。
步骤402：TC4钛合金管材壁厚为1.5mm，管径60mm，长度200mm，调节电源电流输出，将钛合金管材以50℃/s加热速率快速升温至950℃，快速加热可有效降低晶粒长大趋势，获得塑性良好的微观组织。
步骤403：待TC4钛合金管材加热至900℃后，压力机带动滑块快速合模，加压并保压，并调节气压控制系统向TC4钛合金管件以0.2MPa/s的加压速率充气加压至15MPa。管材成形与模内淬火同步进行，同时水平缸轴向加载，调控成形过程管材应力状态，该过程管材温度逐渐由900℃降至350℃，由于模淬冷速较快，高温β相发生完全马氏体相变生成高强度α′相。
步骤404：待TC4钛合金管材完全降至350℃后，在350℃的模具温度和15MPa的气体内压作用下保持30min，产生应力松弛，同时管材一端封板施加附加拉应力，消除马氏体相变及模淬热应力所产生的残余拉、压应力，调控应力松弛阶段成形管件应力状态，进而提高成形零件尺寸精度。
步骤405：卸载封闭管件内部气压及水平缸轴向应力，移除铜电极，开模取件，切割封闭管件封板及封头并切割余量，完成TC4钛合金异形薄壁管件的成形制造。
实施例五
图6为高温合金管件热成形及模内淬火强度及精度协同控制工艺窗口图，如图6所示，以GH3128为例，包括：
步骤501：利用控温箱，调节加热元件加热功率，将模具温度加热1160℃，并保温5min使其温度均匀。
步骤502：GH3128壁厚为1mm，管径60mm，长度200mm，调节电源电流输出，将管件以50℃/s加热速率快速升温至1160℃，快速加热可有效降低晶粒长大趋势，获得塑性良好的微观组织。
步骤503：待GH3128管材加热至1160℃后，压力机带动滑块快速合模，加压并保压，并调节气压控制系统向GH3128管件以0.1MPa/s的加压速率充气加压至10MPa。管材成形与模内淬火同步进行，同时水平缸轴向加载，调控成形过程管材应力状态，成形过程管材温度逐渐由1160℃降至600℃，该过程冷速较快，析出尺寸范围在100至200nm高强度γ′相与碳化物。
步骤504：待GH3128管材完全降至600℃后，在600℃的模具温度和15MPa的气体内压作用下保持30min，产生应力松弛，同时管材一端封板施加附加拉应力，消除模淬热应力所产生的残余拉、压应力，调控应力松弛阶段成形管件应力状态，进而提高成形零件尺寸精度。
步骤505：卸载封闭管件内部气压及水平缸轴向应力，移除铜电极，开模取件，切割封闭管件封板及封头并切割余量，完成GH3128异形薄壁管件的成形制造。
因此，本发明采用上述一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置与方法，通过自阻加热封闭管坯以提高金属管材塑性，加热速率可调，在极大提高升温效率，缩短生产周期的同时，可调控成形前金属管材的微观组织演化，改善成形性能；管材热气胀、模内淬火及应力松弛可将金属管材热成形、热处理及热校形结合在一个工艺中，大幅提高成形性和生产效率；模内淬火阶段可对模具分区控温，控制淬火冷却速率，并可根据构件不同变形区性能需求，获得梯度组织；模内应力松弛阶段对成形管件持续保温及柔性内压支撑，同时水平缸轴向加载调控成形管件内应力状态，消除模内淬火所产生的残余应力，降低构件回弹，提高成形管件强度及尺寸精度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，其特征在于，包括分区控温模具、自阻加热系统、气压控制系统、轴向力与位移控制系统；
所述分区控温模具分为上模和下模，所述上模与移动滑块之间通过螺栓将水冷板和隔热板固定在移动滑块处，所述下模和所述隔热板及所述水冷板固定安装在合模压力机的下平台处；
所述分区控温模具还包括成形模具和控温加热元件，所述成形模具处设有贯穿通孔，所述控温加热元件设置在所述贯穿通孔的内部，与外部控温箱连接，且所述成形模具中还设有热电偶；
所述自阻加热系统包括高频开关电源、导线和铜电极，所述铜电极设置在所述封闭管坯的两端，用于夹持待成形零件，所述铜电极通过所述导线与所述高频开关电源电连接；
所述成形气压控制系统包括高压气源和气压控制柜，所述气压控制柜的输入端与所述高压气源连接，且所述气压控制柜的输出端与封闭管坯的封头之间设有气体通路；
所述轴向力与位移控制系统包括水平缸和力传感器，所述力传感器设置在所述水平缸的输出端，其与所述水平缸固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，其特征在于，还包括封闭管坯和合模压力机；
所述封闭管坯的一端焊接有封板，其另一端焊接有封头，所述封板的一侧设有所述轴向力与位移控制系统，所述封头的一侧设有所述气压控制系统，且所述分区控温模具分别对称设置在所述封闭管坯的上下两侧，所述分区控温模具连接有所述合模压力机；
所述合模压力机包括伺服油缸和移动滑块，所述伺服油缸与所述移动滑块连接。
3.根据权利要求2所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，其特征在于，所述封闭管坯为α型钛合金、近α型钛合金、α+β型钛合金、铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，其特征在于，所述成形模具的加工材料为低碳钢、H13、Ni7N中的一种，且所述成形模具的外部缠绕有石棉。
5.根据权利要求1所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置，其特征在于，所述水冷板中的冷却通道为流动常温水冷通道，采用直通或随形布置。
6.一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法，由权利要求1-5任一项所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形装置所实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过控温箱连接控温加热元件，将成形模具控温为T1，且通过保温使模具内部各点温度均匀；
步骤二、利用自阻加热系统将金属管材以加热速率H快速加热至成形温度T2，获得塑性良好的微观组织；
步骤三、待金属管材加热至目标温度后，合模压力机处的滑块带动上模快速合模并保压，且调节成形气压控制系统向金属管材以加压速率充气，加压至气体压力为p，金属管材成形与模内淬火同步进行，水平缸同步轴向位移，向封板施加应力，调控成形管材内应力状态；
步骤四、通过模具控温和气压控制，使成形灌浆在恒定模具温度T1和气体压强p下保持30min，成形管件恒温恒压下发生应力松弛，且同时封板在管内高压作用下，施加附加拉应力；
步骤五、卸载封闭管坯中内部气压及水平缸轴向应力，移除铜电极，开模取件，切割封闭管坯的封板及封头并切割余量，完成金属异形薄壁管件的成形制造。
7.根据权利要求6所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法，其特征在于，在所述步骤一中，成形模具采用分区控温的方式，且控温区间T1为0～700℃。
8.根据权利要求6所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法，在所述步骤二中，所述金属管材为钛合金或高温合金，成形温度T2区间为700～1000℃，加热速率H区间为1～100℃/s。
9.根据权利要求6所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法，在所述步骤三中，合模压力机的压力范围为50～1000t。
10.根据权利要求9所述的一种附加气压辅助的异形薄壁管件热成形方法，在所述步骤三中，封闭管坯中通入的高压气体为空气、氮气或氩气中的一种，其中加压速率为0.05～5MPa/s，气体压力p为0.1～20MPa。
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|---|---|---|---|---|
| CN117681478A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-12 | 西南石油大学 | 一种氢燃料电池双极板液压成型一体化装置 |
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| CN117681478B (zh) * | 2024-02-04 | 2024-04-26 | 西南石油大学 | 一种氢燃料电池双极板液压成型一体化装置 |
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