CN104162948B - 一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置及方法。包括以下步骤：模具准备，初始管坯准备，选择尺寸合适的初始管坯，左密封冲头和右密封冲头对管坯端部密封，然后一起移到指定位置；左电极和右电极移至与初始管坯接触，调整减压阀，电源开关闭合，上模具下行，促使管坯进一步成形，控制内部气压，直至模具闭合；保压，持续至管坯成形；电源开关断开，打开冷却介质开关，向管坯内部通冷却介质，后退至不影响成形件取出，打开模具，取出成形件；有益效果是：解决现有装置及工艺成形高强度或低塑性空心构件时，变形抗力大，成形件壁厚均匀性差和维型精度不高，易发生破裂，效率低和无法同步进行热处理的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机械制作领域，特别涉及一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置及方法。
背景技术
由于空心截面构件高的抗弯模量和抗剪模量，被认为是实现结构轻量化的最佳结构形式。广泛应用于航空、航天、汽车和自行车等行业。流体内压成形是加工该类构件的先进成形技术。流体内压成形的技术原理是对初始坯料内部施加高的介质压力使坯料截面周长增大而成形出不同截面形式的中空构件。其变形的本质是坯料膨胀变形。但该种变形模式具有局限性，不能用于强度较高或塑性较低材料的成形，其原因表现为以下几方面：
其一、对于需相变强化的材料无法在成形过程中实现热处理。
其二、由于内压为唯一的变形驱动力，只有压力达到很高时才可能驱使管材完全成形，因此必须配备专用的大功率增压器，同时受超高压密封技术限制，成形高强度或低塑性材料空心构件时难度很大。此外，为提供足够的合模力，必须采用大吨位设备。上述问题大大阻碍了该技术的工程应用。
其三，由于流体内压成形主要通过膨胀变形来制造出所需的异形截面，而膨胀变形模式属于双拉应力状态，对于塑性较低的材料，易发生破裂，因此用于铝、镁合金时该技术存在很大缺陷。
其四，对于高强材料其弹性模量一般较低，成形时弹性恢复剧烈，室温流体内压成形的形状精度很难保证。
有学者提出热态内压成形，该方法虽然解决了成形极限的问题，但加剧了壁厚不均的问题，而且受热介质增压器的限制及高压气体安全问题的制约，不适于工程应用。
基于上述原因，转为以弯曲为主要变形模式，改变流体内压成形以膨胀为唯一变形模式的弊端，并充分利用高温下体积膨胀和成形过程中构件截面变化引起的内压自升高特性为变形提供驱动力，避免传统工艺下对增压器的过度依赖、成形件回弹量大、形状精度低及壁厚均匀性差的问题，降低工艺难度，拓宽工艺适用范围，提高成形质量是本发明的原动力。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置及方法，其主要解决现有装置及工艺成形高强度或低塑性空心构件时，变形抗力大，成形件壁厚均匀性差和维型精度不高，易发生破裂，效率低和无法同步进行热处理的问题。
一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置，包括左电极（2）、左密封冲头（3）、上模具（15）、右电极（16）、右密封冲头（17）和下模具（21），其特征是：所述的上模具（15）与上工作台（11）连接，下模具（21）与下工作台（1）连接；左密封冲头（3）通过介质填充通道（5）和冷却介质开关（4）与外部冷却介质源（6）连接，同时通过单向阀（7）、减压阀（8）和进气开关（10）与外部气体介质源（9）连接；右密封冲头（17）开有泄压通道（19）并与泄压阀（18）连接；左电极（2）和右电极（16）通过导线（12）和电源开关（13）与电源（14）连接；
通过左密封冲头（3）和右密封冲头（17）对初始管坯（20）端部密封，并移到指定位置；左电极（2）和右电极（16）移至与初始管坯（20）接触，且左电极（2）设置在左密封冲头（3）的右侧，而右电极（16）设置在右密封冲头（17）的左侧。
上述的初始管坯（20）的横截面周长等于终成形件截面周长的0.5-1.5倍。
上述的电源开关（13）闭合，并快速将密封通电的管坯整体移至下模具（21）的型腔中，其中，移动时间不超过60秒。
上述的上模具（15）按设定曲线下行，压缩管坯使其发生弯曲变形，管坯截面积随之减小，内部压力升高，促使管坯成形，整个过程中通过泄压阀（18）控制内部气压。
本发明提到的一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，包括以下步骤：
步骤一：模具准备，首先根据构件形状设计相应的左电极（2）、左密封冲头（3）、上模具（15）、右电极（16）、右密封冲头（17）和下模具（21），所述的上模具（15）与上工作台（11）连接，下模具（21）与下工作台（1）连接；左密封冲头（3）通过介质填充通道（5）和冷却介质开关（4）与外部冷却介质源（6）连接，同时通过单向阀（7）、减压阀（8）和进气开关（10）与外部气体介质源（9）连接；右密封冲头（17）开有泄压通道（19）并与泄压阀（18）连接；左电极（2）和右电极（16）通过导线（12）和电源开关（13）与电源（14）连接；
步骤二：初始管坯准备，选择尺寸合适的初始管坯，其中，初始管坯的横截面周长等于终成形件截面周长的0.5-1.5倍，且初始管坯长度大于零件长度；
步骤三：左密封冲头（3）和右密封冲头（17）对管坯端部密封，然后一起移到指定位置；
步骤四：左电极（2）和右电极（16）移至与初始管坯接触，其中，左电极设置在左密封冲头的右侧，而右电极设置在右密封冲头的左侧；
步骤五：调整减压阀（8），将压力减至具体工艺需要值，然后打开进气开关（10）向管坯内部通气体介质；
步骤六：电源开关（13）闭合，将密封通电的管坯整体移至下模具（21）的型腔中，且移动时间不超过60秒；
步骤七：上模具（15）下行，压缩管坯使其发生弯曲变形，管坯截面积随之减小，内部压力进一步升高，促使管坯进一步成形，整个过程中通过泄压阀（18）控制内部气压，直至模具闭合；
步骤八：保压，持续至管坯成形；
步骤九：电源开关（13）断开，打开冷却介质开关（4），向管坯内部通冷却介质，压力增至泄压阀开启，同时气体流量和通气时长满足成形件冷却工艺要求；
步骤十：关闭冷却介质开关（4），左密封冲头（3）、右密封冲头（17）、左电极（2）和右电极（16）后退至不影响成形件取出，打开模具，取出成形件（22）。
优选的，上述的步骤五中，对于高强材料压力减至0~50MPa，低塑性材料压力减至0~40MPa。
优选的，上述的电源为脉冲电流电源
优选的，步骤三中的指定位置为下模具（21）或便于连接电极区域。
优选的，上述的初始管坯（20）采用高强度材料或低塑性材料。
优选的，上述的冷却介质源（6）为低温气体或液体；气体介质为室温气体或低温气体。
本发明的有益效果是：
其一，充分利用工艺过程中自有的温度升高和体积变化引起的内压增大作为变形驱动力，无需额外配备增压器，工艺简单，成本低；
其二，采用具有一定压力的冷却介质直接在模具型腔内对构件进行淬火，有利于保证成形件的几何精度，并提高工艺效率；
其三，由于该工艺的变形模式以弯曲变形为主，避免了高温下硬化指数降低的不利影响，成形件壁厚均匀性好，工艺适用性强；
其四，通过冷却介质从空心截面构件腔体内进行淬火，由于介质与构件直接接触，冷却速度快且均匀，性能一致好；
其五，热成形下弹性变形极低，成形件几乎无回弹，成形件形状精度容易保证；
其六，通过大功率电源直接对管坯加热，速率快，热损耗低，克服了传统热态流体内压成形效率低，不能满足工程应用的缺点；
本发明设计合理、工作可靠、效果显著，具有较强的推广价值。
附图说明
图1为本发明的模具的结构示意图；
图2为本发明的模具的A-A结构图；
图3为模具合模及淬火原理示意图；
图4是图3的B-B结构图；
上图中：下工作台1、左电极2、左密封冲头3、冷却介质开关4、介质填充通道5、冷却介质源6、单向阀7、减压阀8、气体介质源9、进气开关10、上工作台11、导线12、电源开关13、电源14、上模具15、右电极16、右密封冲头17、泄压阀18、泄压通道19、初始管坯20、下模具21、成形件22。
具体实施方式
参照附图1-2，对本发明作进一步的描述：
本发明提到的一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置，包括左电极2、左密封冲头3、上模具15、右电极16、右密封冲头17和下模具21，其特征是：所述的上模具15与上工作台11连接，下模具21与下工作台1连接；左密封冲头3通过介质填充通道5和冷却介质开关4与外部冷却介质源6连接，同时通过单向阀7、减压阀8和进气开关10与外部气体介质源9连接；右密封冲头17开有泄压通道19并与泄压阀18连接；左电极2和右电极16通过导线12和电源开关13与电源14连接；
通过左密封冲头3和右密封冲头17对初始管坯20端部密封，并移到指定位置；左电极2和右电极16移至与初始管坯20接触，且左电极2设置在左密封冲头3的右侧，而右电极16设置在右密封冲头17的左侧。
上述的初始管坯20的横截面周长等于终成形件截面周长的0.5-1.5倍。
上述的电源开关13闭合，并快速将密封通电的管坯整体移至下模具21的型腔中，其中，移动时间不超过60秒。
上述的上模具15按设定曲线下行，压缩管坯使其发生弯曲变形，管坯截面积随之减小，内部压力升高，促使管坯成形，整个过程中通过泄压阀18控制内部气压。
参照附图3-4，本发明提到的一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，包括以下步骤：
步骤一：模具准备，首先根据构件形状设计相应的左电极2、左密封冲头3、上模具15、右电极16、右密封冲头17和下模具21，上述与现有技术相同，此不赘述。上模具15与上工作台11连接，下模具21与下工作台1连接。左密封冲头3通过介质填充通道5和冷却介质开关4与外部冷却介质源6连接，同时通过单向阀7、减压阀8和进气开关10与外部气体介质源9连接。右密封冲头17开有泄压通道19并与泄压阀18连接。左电极2和右电极16通过导线12和电源开关13与电源14连接。
步骤二：初始管坯准备，选择尺寸合适的初始管坯，其要点为初始管坯的横截面周长与终成形件的横截面周长相近，一般初始管坯的横截面周长应等于终成形件截面周长的0.5-1.5倍。初始管坯长度应大于零件长度，保证有足够的密封区域和电极接触区域。
步骤三：左密封冲头3和右密封冲头17对管坯端部密封，然后一起移到指定位置。密封方式与现有技术相同，此不赘述。
步骤四：左电极2和右电极16移至与管坯接触，其要点为左电极应在左密封冲头的右侧，而右电极应在右密封冲头的左侧，即保证la小于lb。
步骤五：调整减压阀8，将压力减至具体工艺需要值，然后打开进气开关10向管坯内部通气体介质。其要点为对于高强材料压力一般减至0~50MPa，低塑性材料压力一般减至0~40MPa。
步骤六：电源开关13闭合，并快速将密封通电的管坯整体移至下模具21的型腔中，其要点为移动时间不超过60秒。随着通电的进行，管坯温度不断升高，材料的流动应力下降，延伸率提高，同时管坯内部气体受热膨胀，气压不断升高。
步骤七：上模具15按工艺设定曲线下行，压缩管坯使其发生弯曲变形，管坯截面积随之减小，内部压力进一步升高，促使管坯进一步成形，整个过程中通过泄压阀18控制内部气压最大值在具体工艺要求范围内，直至模具闭合。
步骤八：保压一定时间，其要点为保压持续至管坯成形。
步骤九：电源开关13断开，打开冷却介质开关4，向管坯内部通冷却介质，并持续一定时间，其要点为压力增至泄压阀开启并，同时气体流量和通气时长满足成形件冷却工艺要求。
步骤十：关闭冷却介质开关4，左密封冲头3、右密封冲头17、左电极2和右电极16后退至不影响成形件取出，打开模具，取出成形件22。
其中，本发明提到的电源为大功率电源，大功率电源为电流范围0-5000000A，电压范围0-36V的电源，电源为脉冲电流电源，脉冲频率0-10000Hz，幅值0-100000A，电压范围0-100000V的电源。
步骤三中的指定位置为下模具21或便与连接电极区域；步骤三中的指定位置为下模具21的内型腔；步骤三中的指定位置为便于连接电极区域；
初始管坯采用的高强度材料或低塑性材料，高强度材料为高强钢或钛合金，高强钢为22MnB5，钛合金为TC4；低塑性材料为铝合金或镁合金，铝合金为2000系、5000系6000系或7000系铝合金；
冷却介质为低温气体或液体，气体介质为室温气体或低温气体，气体介质为低温气体。
Claims (9)
1.一种高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置，包括左电极（2）、左密封冲头（3）、上模具（15）、右电极（16）、右密封冲头（17）和下模具（21），其特征是：所述的上模具（15）与上工作台（11）连接，下模具（21）与下工作台（1）连接；左密封冲头（3）通过介质填充通道（5）和冷却介质开关（4）与外部冷却介质源（6）连接，同时通过单向阀（7）、减压阀（8）和进气开关（10）与外部气体介质源（9）连接；右密封冲头（17）开有泄压通道（19）并与泄压阀（18）连接；左电极（2）和右电极（16）通过导线（12）和电源开关（13）与电源（14）连接；
通过左密封冲头（3）和右密封冲头（17）对初始管坯（20）端部密封，并移到指定位置；左电极（2）和右电极（16）移至与初始管坯（20）接触，且左电极（2）设置在左密封冲头（3）的右侧，而右电极（16）设置在右密封冲头（17）的左侧；
所述的初始管坯（20）的横截面周长等于终成形件截面周长的0.5-1.5倍。
2.根据权利要求1所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置，其特征是：所述的电源开关（13）闭合，并快速将密封通电的管坯整体移至下模具（21）的型腔中，其中，移动时间不超过60秒。
3.根据权利要求1所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置，其特征是：所述的上模具（15）按设定曲线下行，压缩管坯使其发生弯曲变形，管坯截面积随之减小，内部压力升高，促使管坯成形，整个过程中通过泄压阀（18）控制内部气压。
4.一种采用权利要求1-3中任一项所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形装置的方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一：模具准备，首先根据构件形状设计相应的左电极（2）、左密封冲头（3）、上模具（15）、右电极（16）、右密封冲头（17）和下模具（21），所述的上模具（15）与上工作台（11）连接，下模具（21）与下工作台（1）连接；左密封冲头（3）通过介质填充通道（5）和冷却介质开关（4）与外部冷却介质源（6）连接，同时通过单向阀（7）、减压阀（8）和进气开关（10）与外部气体介质源（9）连接；右密封冲头（17）开有泄压通道（19）并与泄压阀（18）连接；左电极（2）和右电极（16）通过导线（12）和电源开关（13）与电源（14）连接；
步骤二：初始管坯准备，选择尺寸合适的初始管坯，其中，初始管坯的横截面周长等于终成形件截面周长的0.5-1.5倍，且初始管坯长度大于零件长度；
步骤三：左密封冲头（3）和右密封冲头（17）对管坯端部密封，然后一起移到指定位置；
步骤四：左电极（2）和右电极（16）移至与初始管坯接触，其中，左电极设置在左密封冲头的右侧，而右电极设置在右密封冲头的左侧；
步骤五：调整减压阀（8），将压力减至具体工艺需要值，然后打开进气开关（10）向管坯内部通气体介质；
步骤六：电源开关（13）闭合，将密封通电的管坯整体移至下模具（21）的型腔中，且移动时间不超过60秒；
步骤七：上模具（15）下行，压缩管坯使其发生弯曲变形，管坯截面积随之减小，内部压力进一步升高，促使管坯进一步成形，整个过程中通过泄压阀（18）控制内部气压，直至模具闭合；
步骤八：保压，持续至管坯成形；
步骤九：电源开关（13）断开，打开冷却介质开关（4），向管坯内部通冷却介质，压力增至泄压阀开启，同时气体流量和通气时长满足成形件冷却工艺要求；
步骤十：关闭冷却介质开关（4），左密封冲头（3）、右密封冲头（17）、左电极（2）和右电极（16）后退至不影响成形件取出，打开模具，取出成形件（22）。
5.根据权利要求4所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，其特征是：
上述的步骤五中，对于高强度材料压力减至0~50MPa，低塑性材料压力减至0~40MPa。
6.根据权利要求4所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，其特征是：所述的电源为脉冲电流电源。
7.根据权利要求4所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，其特征是：步骤三中的指定位置为下模具（21）或便于连接电极区域。
8.根据权利要求4所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，其特征是：所述的初始管坯（20）采用高强度材料或低塑性材料。
9.根据权利要求4所述的高强度或低塑性材料空心构件低压热成形的方法，其特征是：所述的冷却介质源（6）为低温气体或液体。
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