CN103521576A - 大管径钛金属波纹管制造设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金应用技术领域的大管径钛金属波纹管制造设备及其制造方法，该装置包括：轴向拉压成形机构和径向定位机构，待加工管材设置于径向定位机构内且与轴向拉压成形机构相连，轴向拉压成形机构和径向定位机构内部设有压缩空气通路；本发明能够在大管径的钛金属管上制出波纹沟槽，满足飞行器等高要求波纹管，制备得到的大管径钛金属波纹管为工业纯钛管TA1退火态材质，管径175～325mm，壁厚2.5mm，符合GB/T3624-1995国家标准。

Description

大管径钛金属波纹管制造设备及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种钛合金应用技术领域的装置及方法，具体是一种大管径钛金属波纹管制造设备及其制造方法。

背景技术

对大管径钛金属波纹管目前的制造工艺，是使用两块冲好沟槽板坯铣出纵向接口，然后焊接而成。这样的制造工艺很费力，而且由于存在焊缝增加应力腐蚀机会，降低了零件的质量。在一些管子中，一些相对深的沟槽在成形区域顶端材料会增厚（到10%），更大的在切向增厚达到15%。由于这个缘故，在沟槽表面形成橘子皮状，有时还会出现裂纹。这对于飞行器等高要求零件是难以容忍的。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101418878，公开日2009-04-29，公开了一种钛及钛合金波纹管制造方法，其按下述步骤进行：a.将钛或钛合金无缝管或焊管制成一密封的管坯，并在一端留有充气口；b.将管坯装入多层模结构的模具中；c.将管坯加热至纯钛或钛合金的热成形温度；d.向管坯内充入气体，充入气体的压力为1～1.5MPa，使管坯向外胀形；e.在模具轴向施加压缩载荷，使各模块压合；f.继续向管坯内增加气压，使其压力达到2.5～5.0MPa，使管坯完全充满模具成形，最后经冷却脱模即制成成品。但该技术的缺陷和不足在于：1.工件上留有焊缝，容易引起应力腐蚀，因此，对要求高的场合难以满足使用要求。2.手工作业单件生产，不是机械化生产，因而生产率低，成本高，难以保证制造精度。

中国专利文献号CN1383943，公开日2002-12-11，公开了一种“钛合金波纹管超塑成形的方法”，包括：a.制作管坯，将钛合金无缝管或焊管制成一密封的管坯，并在一端留有充气口;b.加热过程，将管坯装入多层模结构的模具中，随后将管坯加热至钛合金的超塑成形温度650～1000℃;c.胀形过程，向管坯内充入气体，充入气体的压力为0.1～1MPa，使管坯向外胀形;d.合模过程，在模具轴向施加压缩载荷，使各模块压合;e.成形过程，继续向管坯内增加气压，使其压力达到1.5～3.0MPa，使管坯完全充模，最后经冷却脱模即制成成品。

上述两个技术方案均在多层模具中将焊坯加热后，通入压力气体胀出波纹沟槽。只解决了钛合金波形膨胀节制造难题，但生产效率极低，单件生产至少需要1～2天；由于采用多个波节同时整体成形，模具尺寸大、形状复杂、制造成本高、加热能量损耗大；气胀时，还要做好模具、接缝处的密封工作。该专利除了上述不足外，还必须在昂贵的超塑成形专用设备上进行；还要在胀形前进行超塑性处理，工艺繁杂。

中国专利文献号CN101856687A，公开日2010-10-13，公开了一种波纹管单波连续成形装置及成形方法，该技术通过两个推模上对应开有第一通孔和第二通孔，每个第一通孔和第二通孔内对应安装有一个绝缘套;通过压力机施压，使推模克服弹簧的阻力，沿着导向杆向右移动，使初波的高度方向增加，宽度方向缩小，继续充入惰性气体，直至波形达到设计尺寸为止。但该技术结构较为复杂，其涉及的磁力作用是由线圈中通过脉冲电流实现。磁脉冲成形原理由充电回路和放电回路组成。要根据工件变形部位的需要来确定电磁力的分布并设计与之相适应的线圈，使得该装置的配合要求较高，较难生产出精度要求高的零部件。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种大管径钛金属波纹管制造设备及其制造方法，能够在大管径的钛金属管上制出波纹沟槽，满足飞行器等高要求波纹管。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种大管径钛金属波纹管制造装置，包括：轴向拉压成形机构和径向定位机构，其中：待加工管材设置于径向定位机构内且与轴向拉压成形机构相连，轴向拉压成形机构由液压缸提供动力和径向定位机构内部设有压缩空气通路。

所述的径向压紧机构包括：设置于待加工管材外部的可分凹模机构以及与之相连的直立气缸和水平气缸，通过直立气缸和水平气缸内压缩空气的充放实现可分凹模机构对待加工管材的定位。

所述的轴向拉压成形机构包括：支撑管、活塞杆和液压缸，其中：活塞杆的一侧末端与液压缸活塞相连，支撑管套接于活塞杆的外部。

所述的可分凹模机构包括：设置于待加工管材内部的弹性体、分别位于待加工管材外侧的半凹模以及依次设置于半凹模外部的支撑杆和锥形衬套，弹性体的内表面通过中间钢衬套与活塞杆相接触。

所述的弹性体与活塞杆之间设有管状结构的中间钢衬套，该弹性体垫片直径的一半为成形沟槽深度的2～3倍以上，以保证该弹性体垫片具有足够的磨损寿命。

所述的半凹模的内径通过以下方式确定：

其中：D为待加工管材外径；σ₁为对应待加工管材切向变形切向应力值；E为管材弹性模量；

在待加工管材沟槽成形条件下，当切向变形有极大值时，为了实际计算能够采用沟槽区域切向应力等于强度极限，即σ₁=σ_B，计算误差通常不超过10%；

在半凹模内径沟槽区域外，在弹性变形极限范围内甚至增加了管材回弹值，采用强度等于材料流动应力，即σ₁=σ_0.2。

所述的半凹模的工作表面的粗糙度Ra=0.63～2.5μm，该半凹模沿着两个方向由销钉定中心，在一个分模面上一个半模压入一个销钉，另一个半模有对应孔。

所述的半凹模的外侧设有导向块用于对半凹模进行导向，在上下两个直立气缸和左右两个水平气缸的作用下压向待加工管材，借助于锥形衬套和支撑杆上的锥形凸台在两个直立气缸作用下保持工作压力状态。

所述的径向压紧机构内部设有限位器，该限位器包括：依次贯穿设置于活塞杆左端的螺帽、切分锥形套和压紧垫片，其中：压紧垫片的顶面与底面分别与切分锥形套和径向定位机构内的弹性体实现面接触，压紧垫片的外圆柱面与待加工管材的内壁实现面接触。

所述的压紧垫片与所述弹性体之间设有供料套，该供料套的轴向两端面分别与压紧垫片与弹性体面接触，径向表面与待加工管材的内壁实现面接触。通过该供料套能够提供轴向拉压成形所需要由摩擦力提供的管材供给。

所述的活塞杆上设有强制供坯器，该强制供坯器的一侧与待加工管材的末端相接触；所述的强制供坯器包括：依次贯穿设置于活塞杆上的供坯内垫片、成形套筒、供坯外垫片和切分垫片，其中：供坯内垫片的两侧分别与压缩套筒和待加工管材的末端紧密贴合；通过该强制供坯器可以实现在管材强度可靠的情况下大幅度增加轴向拉压成形所需要的拉力。

本发明涉及一种大管径钛金属波纹管制造方法，包括以下步骤：

步骤1）沟槽成形：在打开的两个半凹模中置入待加工管材，再向管内套上弹性体；

步骤2）向液压缸所供油量实现压力加载：液压缸从液压站获得压力20MPa液压油，液压缸作用到活塞杆上的力不超过1000kN；在液压油的压力下，活塞杆向右移动并压缩垫片，活塞行程350mm，其他螺母由支撑管和液压缸压紧，压缩垫圈和活塞杆、衬套和螺母。

步骤3）直立气缸从外接管线获得压力为0.5MPa压缩空气并驱动由导向块导向的半凹模向活塞杆压紧，借助于锥形衬套和支撑凹模上的锥形凸台在两个直立汽缸作用下保持工作压力状态1～2分钟；在弹性体的弹性力作用下，胀压待加工管材并迫使其在模具的内腔变形。

步骤4）在液压缸供给回程压力条件下，活塞杆进行复位运动，弹性体亦恢复到套筒初始状态；通过向直立气缸及水平气缸的回程腔供给回程压缩空气使得半凹模被打开，并离开带有第一个成形沟槽的待加工管材；这时液压缸泄压回程，弹性体恢复到初始状态。为成形待加工管材下一个沟槽，将限位器轴向移到下一个待处理位置并重复步骤1的处理直至完成待加工管材上的全部沟槽。

本发明涉及上述方法及装置制备得到的大管径钛金属波纹管，其直径为150～400mm，壁厚小于等于3mm。

所述的大管径钛金属波纹管优选为工业纯钛管TA1退火态材质，管径175～325mm，壁厚2.5mm，符合GB/T3624-1995国家标准。

所述的大管径钛金属波纹管，通过对带有两个端面弯管子的沟槽成形可以进一步制造长度达到4000mm的波纹管；如加长拉杆则可以进一步制造更长的波纹管。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过两种径向定位机构用于用弹性元件成形管上横向沟槽，由于强制供给沟槽变形区域管材，以致增加经向变形压缩力，保证极大地减少材料变薄。其结果提高了零件强度、可靠性和使用寿命。

附图说明

图1a为气液装置正视图；

图1b为气液装置左视图；

图2为图1a局部放大示意图；

图3为在管上沟槽变形区域变形分布略图；

图4为实施例中供料套在加工过程中的示意图；

图中：a)原始状态示意图，b）过程终了阶段示意图。

图5为实施例中强制供坯器在加工过程中的示意图；

图中：a)原始状态示意图，b）过程终了阶段示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1a所示，本实施例大管径钛金属波纹管制造装置包括：轴向拉压成形机构1和径向定位机构2，其中：待加工管材3设置于径向压紧机构2内且与轴向拉压成形机构1相连，轴向拉压成形机构1中液压缸内与液压油相通和径向压紧机构2内部设有压缩空气通路4。

如图1a和图1b所示，所述的径向压紧机构2包括：设置于待加工管材3外部的可分凹模机构5以及与之相连的直立气缸6和水平气缸7，通过直立气缸和水平气缸内压缩空气的充放实现可分凹模机构对待加工管材的定位。

如图1a和图1b所示，所述的可分凹模机构5包括：设置于待加工管材3内部的弹性体0、分别位于待加工管材3外侧的半凹模8以及依次设置于半凹模8外部的支撑杆9和锥形衬套10，弹性体0的内表面与活塞杆15相接触。

如图2所示，所述的弹性体0与活塞杆15之间设有管状结构的中间钢衬套11，使得在大管径沟槽成形时，同一个装置中弹性体0垫圈压力得到有效提高，同时避免弹性体0垫圈壁厚太厚，刚性差，压力降低的缺陷。该弹性体0垫圈的直径的一半为成形沟槽深度的2～3倍以上，以保证垫片具有足够的磨损寿命。

所述的半凹模8的内径通过以下方式确定：

其中：D为待加工管材3外径；σ₁为对应待加工管材3切向变形切向应力值；E为管材弹性模量。

在待加工管材3沟槽成形条件下，当切向变形有极大值时，为了实际计算能够采用沟槽区域切向应力等于强度极限（σ₁=σ_B），计算误差通常不超过10%；

在半凹模8内径沟槽区域外，在弹性变形极限范围内甚至增加了管材回弹值D_M，采用强度等于材料流动应力（σ₁=σ_0.2）。这就保证半模在管上的自由闭合，沟槽成形后管径基本没有变化。

所述的半凹模8的工作表面要有很高的粗糙度Ra=0.63～2.5μm，该半凹模8沿着两个方向由销钉定中心，在一个分模面上一个半模压入一个销钉，另一个半模有对应孔。

所述的弹性体0与支撑杆9之间设有支撑垫片。

所述的弹性体0和压紧垫片20与管坯内径最小间隙为0.5～1mm。这个不大的间隙保证了弹性体0高的磨损寿命，并且带垫片衬套自由地套入待加工管材3内。

所述的弹性体0由厚30～40mm聚氨酯或橡胶板制成（成形压力≤30～40MPa）。

所述的半凹模8的外侧进一步设有导向块12用于对半凹模8进行导向，在上下两个直立气缸6和左右两个水平气缸7的作用下压向待加工管材3，借助于锥形衬套10和支撑杆9上的锥形凸台（图中未示出）在两个直立气缸6作用下保持工作压力状态。

如图2所示，所述的径向定位机构2在可分凹模机构5的外侧设有辅助支撑垫片13。

所述的轴向拉压成形机构1包括：支撑管14、活塞杆15和液压缸16，其中：活塞杆15的一侧末端与液压缸活塞16相连，支撑管14套接于活塞杆15的外部。

如图2所示，所述的径向压紧机构2内部进一步设有限位器17，该限位器17包括：依次贯穿设置于活塞杆15末端的螺帽18、切分锥形套19和压紧垫片20，其中：压紧垫片20的顶面与底面分别与切分锥形套19和径向定位机构2内的弹性体0实现面接触，压紧垫片20的侧面与待加工管材3的内壁实现面接触。

如图4所示，所述的压紧垫片20与所述弹性体0之间设有供料套21，该供料套21的轴向两端面分别与压紧垫片20与供坯垫片26面接触，径向表面与待加工管材3的内壁实现紧密面接触。通过该供料套21能够进一步提供轴向拉压成形供给管坯进给所需要的摩擦力。

如图5所示，所述的活塞杆15的上设有强制供坯器22，该强制供坯器22的一侧与待加工管材3的末端相接触。

所述的强制供坯器22包括：依次贯穿设置于活塞杆15上的供坯内垫片23、压缩弹性体24、供坯外垫片25和切分垫片26，其中：供坯内垫片23的两侧分别与成形套筒24和待加工管材3的末端紧密贴合。

通过该强制供坯器可以实现在管材强度可靠的情况下大幅度增加轴向拉压成形所需要提供管坯供给所需的摩擦力。

本实施例涉及一种大管径钛金属波纹管制造方法，包括以下步骤：

步骤1）沟槽成形：在打开的两个半凹模8中置入待加工管材3，再向管内套上弹性体0；步骤2）直立气缸6从外接管线获得压力为0.5MPa压缩空气并驱动由导向块12导向的半凹模8，半凹模8在水平气缸7驱动下压向活塞杆15，紧闭半凹模。

步骤3）向液压缸16所供油量实现压力加载：液压缸16从液压站获得压力20MPa液压油，液压缸16作用到活塞杆15上的力不超过1000kN；在液压油的压力下，活塞杆15向右移动并压缩垫片，活塞行程350mm，其他螺母由支撑管14和液压缸16压紧，压缩垫片和活塞杆15、衬套和螺母。借助于锥形衬套10和支撑凹模上的锥形凸台在两个直立汽缸作用下保持工作压力状态1～2分钟；在弹性体0的弹性力作用下，胀压待加工管材3并迫使其在模具的内腔变形。

步骤4）在液压缸16泄压回程条件下，活塞杆15进行复位运动，弹性体0亦恢复到套筒初始状态；通过向直立气缸6和水平气缸7的回程腔供给压缩空气使得半凹模8被打开，并离开带有成形沟槽的待加工管材3；为了成形待加工管材3下一个沟槽，将限位器17轴向移到下一个待处理位置并重复步骤1的处理直至完成待加工管材3上的全部沟槽。

本实施例涉及一种基于上述方法制备得到的大管径钛金属波纹管，其直径为150～400mm，壁厚小于等于3mm。

本实施例制备得到的大管径钛金属波纹管为工业纯钛管TA1退火态材质，管径175～325mm，壁厚2.5mm，符合GB/T3624-1995国家标准。

所述的大管径钛金属波纹管，通过对带有两个端面弯管子的沟槽成形可以进一步制造长度达到4000mm的波纹管；如加长拉杆则可以进一步制造更长的波纹管。

如图4所示，为变形顶部区域变形分布实验结果，根据附图可见：

切向变形

其中：ΔDi为管径在研究点增量；D为待加工管材沟槽外径。

径向变形（材料增厚）

其中：s为管壁厚度；Δs_i为研究点材料厚度变化，该变化用装有专用球状千分尺测量，以消除沟槽表面曲率影响。

由体积不变条件，通过切向和径向变形确定经向（子午线方向）变形：ε₁+ε₂+ε₃＝0，由此ε₂＝-(ε₁+ε₃)，由图5显见，对于175管径有相对大的沟槽高度，沟槽顶部区域切向拉伸变形几乎达到15%，接近管材工业纯钛管TA1退火态（GB/T3624-1995）极限伸长值，材料变薄率达到10%。经向压应力为不大值（极限值5%）。变形瞬时需要更多管坯供给，为此，采用毛坯由套筒与弹性元件摩擦强力提供。

由体积不变条件得到，为了减少沟槽区域材料变薄必须增加经向压变形，有赖于在沟槽成形区域给待加工管材施加更大力。在达到ε₂=-ε₁条件下，材料变薄ε₃等于零。

Claims (12)

1.一种大管径钛金属波纹管制造装置，其特征在于，包括：轴向拉压成形机构和径向定位机构，其中：待加工管材设置于径向定位机构内且与轴向拉压成形机构相连，轴向拉压成形机构和径向定位机构内部设有压缩空气通路；

所述的径向压紧机构包括：设置于待加工管材外部的可分凹模机构以及与之相连的直立气缸和水平气缸，通过直立气缸和水平气缸内压缩空气的充放实现可分凹模机构对待加工管材的定位；

所述的轴向拉压成形机构包括：支撑管、活塞杆和液压缸，其中：活塞杆的一侧末端与液压缸相连，支撑管套接于活塞杆的外部。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的可分凹模机构包括：设置于待加工管材内部的弹性体、分别位于待加工管材外侧的半凹模以及依次设置于半凹模外部的支撑杆和锥形衬套，弹性体的内表面与活塞杆相接触。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的弹性体与活塞杆之间设有管状结构的中间钢衬套，该中间钢衬套的直径的一半为成形沟槽深度的2～3倍以上，以保证垫片具有足够的磨损寿命。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的半凹模的内径通过以下方式确定：

其中：D为待加工管材外径；σ₁为对应待加工管材切向变形切向应力值；E为管材弹性模量；

在待加工管材沟槽成形条件下，当切向变形有极大值时，为了实际计算能够采用沟槽区域切向应力等于强度极限，即σ₁=σ_B，计算误差通常不超过10%；

在半凹模内径沟槽区域外，在弹性变形极限范围内甚至增加了管材回弹值D_M，采用强度等于材料流动应力，即σ₁=σ_0.2。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的半凹模的工作表面的粗糙度Ra=0.63～2.5μm，该半凹模沿着两个方向由销钉定中心，在一个分模面上一个半模压入一个销钉，另一个半模有对应孔。

6.根据权利要求2或4或5所述的装置，其特征是，所述的半凹模的外侧设有导向块用于对半凹模进行导向，在上下两个直立气缸和左右两个水平气缸的作用下压向待加工管材，借助于锥形衬套和支撑杆上的锥形凸台在两个直立气缸作用下保持工作压力状态。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的径向压紧机构内部设有限位器，该限位器包括：依次贯穿设置于活塞杆末端的螺帽、切分锥形套和压紧垫片，其中：压紧垫片的顶面与底面分别与切分锥形套和径向定位机构内的弹性体实现面接触，压紧垫片的侧面与待加工管材的内壁实现面接触。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征是，所述的压紧垫片与所述弹性体之间设有供料套，该供料套的轴向两端面分别与压紧垫片与弹性体面接触，径向表面与待加工管材的内壁实现面接触。通过该供料套能够进一步提供轴向拉压成形所需要的摩擦力。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的活塞杆的上设有强制供坯器，该强制供坯器的一侧与待加工管材的末端相接触；所述的强制供坯器包括：依次贯穿设置于活塞杆上的供坯内垫片、成形套筒、供坯外垫片和切分垫片，其中：供坯内垫片的两侧分别与成形套筒和待加工管材的末端紧密贴合；通过该强制供坯器可以实现在管材强度可靠的情况下大幅度增加轴向拉压成形所需要的拉力。

10.一种根据上述任一权利要求所述装置的大管径钛金属波纹管制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）沟槽成形：在打开的两个半凹模中置入待加工管材，再向管内套上弹性体；

步骤2）向液压缸所供油量实现压力加载：液压缸从液压站获得压力20MPa液压油，液压缸作用到活塞杆上的力不超过1000kN；在液压油的压力下，活塞杆向右移动并压缩垫片，活塞行程350mm，其他螺母由支撑管和液压缸压紧，压缩垫圈和活塞杆、衬套和螺母。

步骤3）直立气缸从外接管线获得压力为0.5MPa压缩空气并驱动由导向块导向的半凹模向活塞杆压紧，借助于锥形衬套和支撑凹模上的锥形凸台在两个直立汽缸作用下保持工作压力状态1～2分钟；在弹性体的弹性力作用下，胀压待加工管材并迫使其在模具的内腔变形。

步骤4）在液压缸供给回程压力条件下，活塞杆进行复位运动，弹性体亦恢复到套筒初始状态；通过向直立气缸及水平气缸的回程腔供给回程压缩空气使得半凹模被打开，并离开带有第一个成形沟槽的待加工管材；这时液压缸泄压回程，弹性体恢复到初始状态。为成形待加工管材下一个沟槽，将限位器轴向移到下一个待处理位置并重复步骤1的处理直至完成待加工管材上的全部沟槽。

11.一种根据上述任一权利要求中所述的装置制备得到的大管径钛金属波纹管，其特征在于，其直径为150～400mm，壁厚小于等于3mm。

12.根据权利要求11所述的大管径钛金属波纹管，其特征是，该大管径钛金属波纹管为工业纯钛管TA1退火态材质，管径175～325mm，壁厚2.5mm，符合GB/T3624-1995国家标准。

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