CN104550396B - 电塑性流动旋压成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电塑性流动旋压成形装置及方法，其中装置包括：旋压机、脉冲电源、第一电极、第二电极、芯模、工件和旋轮；芯模安装在旋压机的主轴上，芯模与主轴同轴连接，工件安装在芯模上，工件内侧与芯模外侧贴合；旋轮与工件发生变形的部位接触；第一电极、第二电极分别接触在工件发生变形的部位的两侧；第二电极、第一电极分别连接脉冲电源正负两极；脉冲电源输出的脉冲电流依次通过第二电极、第一电极和工件构成回路；主轴带动芯模和工件做回转运动，第一电极、第二电极与旋轮同步向主轴方向做进给运动。本发明可以为钛合金、镁合金、高温合金、金属间化合物等难变形材料的流动旋压成形提供具体解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及旋压成形技术领域，尤其涉及电塑性流动旋压成形装置及方法。
背景技术
旋压成形是近代新兴的一种先进塑性成形技术，综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点，是成形制造空心回转体零件的少无切削加工的先进制造技术之一。旋压成形具有变形条件好，制品性能高，尺寸精度高，材料利用率高，适用范围广等优点。旋压成形可分为流动旋压和剪切旋压，其中流动旋压是制备无缝筒形件和管件的重要成形方法之一。
随着航空航天工业的迅猛发展，飞机、导弹、航天飞行器等产品的性能不断提高，所采用新材料的加工难度越来越大。对钛合金、镁合金、高温合金、钛铝金属间化合物等轻质、高强、耐高温材料的筒形件和管件的需求不断增大。该类材料大部分室温塑性变形能力较差，变形抗力大，加工硬化剧烈，目前大多采用热旋压成形工艺。热旋压成形普遍采用喷枪火焰加热方式，存在环境污染大、温度难以控制，温度均匀性较差等缺点，导致热旋压生产劳动强度大，产品容易出现开裂、过烧等缺陷，废品率高，生产效率低。
近年来，利用脉冲电流的电致塑性效应在材料塑性加工的应用越来越广泛，电致塑性效应是指对正在变形的金属施加高能脉冲电流，利用脉冲电流的瞬时高能促进原子扩散、位错运动，从而降低材料的变形抗力，提高材料的塑性变形能力。研究表明，电塑性拉伸TC4钛合金丝材时，在240A/mm2的脉冲电流作用下，拉拔力可降低24％。电塑性加工不仅可以有效降低材料变形抗力，提高材料塑性变形能力，而且由于电流的焦耳热效应，脉冲电流还可以起到对材料高效加热的作用。电塑性加工尤其适用于难变形材料的成形。电塑性加工在轧制、拉拔等领域已得到了成功应用，但在流动旋压成形方面还没有具体解决方案。
发明内容
本发明实施例提供一种电塑性流动旋压成形装置，用以在流动旋压成形方面应用电塑性技术，该装置包括：
旋压机、脉冲电源、第一电极3、第二电极5、芯模6、工件2和旋轮4；
芯模6安装在旋压机的主轴1上，芯模6与主轴1同轴连接，工件2安装在芯模6上，工件2内侧与芯模6外侧贴合；
旋轮4与工件2发生变形的部位接触；
第一电极3、第二电极5分别接触在工件2发生变形的部位的两侧；第二电极5、第一电极3分别连接脉冲电源正负两极；
脉冲电源输出的脉冲电流依次通过第二电极5、第一电极3和工件2构成回路，在旋压成形过程中通入工件(2)发生变形的部位；
主轴1带动芯模6和工件2做回转运动，第一电极3、第二电极5与旋轮4同步向主轴1方向做进给运动；
第一电极3、第二电极5与工件2接触的位置分别在旋轮4的左右两侧；
或，第一电极3直接连接旋轮4，第二电极5连接工件2；
或，第一电极3、第二电极5与工件2接触的位置分别在旋轮4的上下两侧。
一个实施例中，旋压机为卧式或立式。
一个实施例中，脉冲电源输出的脉冲电流峰值不小于100A。
一个实施例中，第一电极3、第二电极5与工件2滑动接触或滚动接触。
一个实施例中，第一电极3和/或第二电极5上安装有弹簧顶紧装置。
一个实施例中，第一电极3和第二电极5通过支架安装在旋轮4座上，随旋轮4做轴向进给运动。
一个实施例中，芯模6与主轴1的连接处安装有绝缘材料；旋轮4座与滑台的连接处安装有绝缘材料；第一电极3和第二电极5与支架固定位置安装有绝缘材料。
本发明实施例还提供一种应用上述电塑性流动旋压成形装置进行电塑性流动旋压成形的方法，用以在流动旋压成形方面应用电塑性技术，该方法包括：
将芯模6安装在主轴1上，将工件2安装在芯模6上，调节第一电极3、第二电极5与工件2接触；
设置主轴1转速，旋压机和脉冲电源的工艺参数；
启动主轴1带动工件2旋转，打开脉冲电源开始对工件2放电，调节旋压机的旋轮轴向进给开始旋压；
待旋压结束后，停止旋轮轴向进给，关闭脉冲电源，退出旋轮4；
通过卸料装置卸下工件2，关闭主轴1转动，关闭旋压机。
一个实施例中，设置旋压机和脉冲电源的工艺参数，包括：设置旋压机的旋轮进给速度和减薄率，脉冲电源的脉冲电流频率和放电电压。
本发明实施例的电塑性流动旋压成形装置及方法，在流动旋压成形方面应用了电塑性技术，可以为钛合金、镁合金、高温合金、金属间化合物等难变形材料的流动旋压成形提供具体解决方案，扩大该类材料回转体零件的应用范围。
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，下面将对实施例或现有技术描述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。在附图中：
图1为本发明实施例中电塑性流动旋压成形装置(脉冲电流的加载方式一)的示意图；
图2为本发明实施例中电塑性流动旋压成形装置(脉冲电流的加载方式二)的示意图；
图3为本发明实施例中脉冲电流的加载方式三的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了在流动旋压成形方面提供应用电塑性技术的具体解决方案，对钛合金、镁合金、高温合金、金属间化合物等难变形材料进行流动旋压成形，扩大该类材料回转体零件的应用范围，本发明实施例提供一种电塑性流动旋压成形装置。
本发明实施例的电塑性流动旋压成形装置利用了脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应，是一种新型电塑性流动旋压成形技术。具体的，是在旋压成形过程中，向旋压工件正在发生变形的部位通入脉冲电流，也就是向旋轮与工件接触的部位通入脉冲电流。
图1为本发明实施例中电塑性流动旋压成形装置的结构示意图，如图1所示，该电塑性流动旋压成形装置可以包括：
旋压机、脉冲电源、第一电极3、第二电极5、芯模6、工件2和旋轮4；
芯模6安装在旋压机的主轴1上，芯模6与主轴1同轴连接，工件2安装在芯模6上，工件2内侧与芯模6外侧贴合；
旋轮4与工件2发生变形的部位接触；
第一电极3、第二电极5分别接触在工件2发生变形的部位的两侧；第二电极5、第一电极3分别连接脉冲电源正负两极；
脉冲电源输出的脉冲电流依次通过第二电极5、第一电极3和工件2构成回路；
主轴1带动芯模6和工件2做回转运动，第一电极3、第二电极5与旋轮4同步向主轴1方向做进给运动。
由图1可知，本发明实施例的电塑性流动旋压成形装置主要包括旋压机、脉冲电源、第一电极3、第二电极5、相关模具工装(芯模6、工件2)和旋轮4等部分。
实施例中，旋压机可以是卧式或立式。脉冲电源是可以提供脉冲电流的电源设备，实施例中，脉冲电流峰值可设为不小于100A。
通入脉冲电流的方式是将脉冲电源的两极分别通过第一电极3、第二电极5接触在工件2发生变形的部位的两侧，以保证脉冲电流流过工件2发生变形的部位。脉冲电流的加载方式可以有多种，例如图1中示出了方式一，在方式一中，第一电极3、第二电极5与工件2接触的位置分别在旋轮4的左右两侧，工件2中电流方向(虚线箭头)为轴向。图2中示出了方式二，在方式二中，第一电极3直接连接旋轮4，第二电极5连接工件2，工件2中电流方向(虚线箭头)为轴向。图3中示出了方式三，在方式三中，第一电极3、第二电极5与工件2接触的位置分别在旋轮4的上下两侧，工件2中电流方向(虚线箭头)为周向。
实施例中，第一电极3、第二电极5与工件2的接触方式可以是滑动接触或滚动接触。
实施例中，第一电极3和/或第二电极5上可以安装弹簧顶紧装置，保证电极与工件良好接触。第一电极3和第二电极5可以通过支架安装在旋轮4座上，随旋轮4做轴向进给运动。
为了避免漏电或其他安全事故发生，可以对芯模6、旋轮座和电极三个带动部件进行绝缘隔离处理，具体可以是：在芯模6与主轴1的连接处安装绝缘材料进行隔离；在旋轮4座与滑台的连接处安装绝缘材料进行隔离；在第一电极3和第二电极5与支架固定位置安装绝缘材料进行隔离。
本发明实施例还提供一种应用上述电塑性流动旋压成形装置进行电塑性流动旋压成形的方法，
步骤一、将芯模6安装在主轴1上，将工件2安装在芯模6上，调节第一电极3、第二电极5与工件2接触；此步骤即安装模具、毛坯和电极等，实施例中可以将芯模6通过螺栓等方式固定安装在主轴1上，将筒形毛坯(工件2)安装在芯模6上。调节第一电极3、第二电极5(上述方式二为第二电极5)与工件2接触位置和压紧力，保证良好接触。
步骤二、设置主轴1转速，旋压机和脉冲电源的工艺参数；实施例中，设置旋压机和脉冲电源的工艺参数，可以包括：设置旋压机的旋轮进给速度和减薄率，脉冲电源的脉冲电流频率和放电电压。
步骤三、启动主轴1带动工件2旋转，打开脉冲电源开始对工件2放电，调节旋压机的旋轮轴向进给开始旋压。
步骤四、待旋压结束后，停止旋轮轴向进给，关闭脉冲电源，退出旋轮4。
步骤五、通过卸料装置卸下工件2，关闭主轴1转动，关闭旋压机。
下面举几个例子说明本发明实施例的电塑性流动旋压成形装置及方法的具体应用：
实施例1：
试验材料：TC4钛合金。
毛坯尺寸：内径Φ100mm，壁厚5mm，长度200mm。
旋压方式：单轮反旋、冷旋。
旋压工艺参数：主轴转速200n/min，进给速度0.8mm/转，减薄率20％。
脉冲电流按照方式二加载，即周向电流加载方式。
脉冲电流参数：峰值电流3000A，频率150Hz。
具体实施步骤如下：
步骤一、将芯模6通过螺栓固定在主轴1上，通过加装绝缘板的方式保证芯模6与主轴1绝缘。
步骤二、将TC4钛合金毛坯2安装在芯模6上，且与芯模6外表面固定连接。
步骤三、将脉冲电源的两个电极按照图2的方式安装。
步骤四、打开旋压机，调整旋轮4，使旋轮4与毛坯2接触、第二电极5与工件2接触。
步骤五、设置脉冲电源参数，包括放电电源和脉冲电流频率。
步骤六、设置合适主轴转速和进给速度，开启脉冲电源，开始旋压。
步骤七、经过多道次旋压后，最终得到Φ100mm×500mm的薄壁管件。
步骤八、旋压结束后，关闭脉冲电源，关闭旋压机。
实施例2：
试验材料：GH4169高温合金。
毛坯尺寸：内径Φ100mm，壁厚4mm，长度300mm。
旋压方式：单轮反旋、冷旋。
旋压工艺参数：主轴转速240n/min，进给速度0.5mm/转，减薄率15％。
脉冲电流按照方式二加载，即周向电流加载方式。
脉冲电流参数：峰值电流5000A，频率200Hz。
具体实施步骤与实施例1相同。最终制得Φ100mm×500mm合格管件。
实施例3：
试验材料：Ti2AlNb金属间化合物；
毛坯尺寸：内径Φ80mm，壁厚5mm，长度200mm。
旋压方式：单轮反旋、冷旋。
旋压工艺参数：主轴转速300n/min，进给速度0.5mm/转，减薄率10％。
脉冲电流按照方式二加载，即周向电流加载方式。
脉冲电流参数：峰值电流5500A，频率200Hz。
具体实施步骤与实施例1相同。最终制得Φ80mm×300mm合格管件。
综上所述，本发明实施例的电塑性流动旋压成形装置及方法，在流动旋压成形方面应用了电塑性技术，可以为钛合金、镁合金、高温合金、金属间化合物等难变形材料的流动旋压成形提供具体解决方案，扩大该类材料回转体零件的应用范围。
本发明实施例提出利用脉冲电流电致塑性效应和焦耳热效应的新型流动旋压成形技术，该技术可改善材料塑性，降低材料变形抗力，降低旋压机设备吨位，提高生产效率，对于解决目前难变形材料旋压成形中的诸多问题具有重要意义。本发明实施例尤其适用于钛合金、镁合金、高温合金、金属件化合物等难变形材料。本发明实施例适用于冷旋压和热旋压，适用于单轮旋压和多轮旋压，适用于正旋和反旋，适用于立式旋压和卧式旋压。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电塑性流动旋压成形装置，其特征在于，包括：
旋压机、脉冲电源、第一电极(3)、第二电极(5)、芯模(6)、工件(2)和旋轮(4)；
芯模(6)安装在旋压机的主轴(1)上，芯模(6)与主轴(1)同轴连接，工件(2)安装在芯模(6)上，工件(2)内侧与芯模(6)外侧贴合；
旋轮(4)与工件(2)发生变形的部位接触；
第一电极(3)、第二电极(5)分别接触在工件(2)发生变形的部位的两侧；第二电极(5)、第一电极(3)分别连接脉冲电源正负两极；
脉冲电源输出的脉冲电流依次通过第二电极(5)、第一电极(3)和工件(2)构成回路，在旋压成形过程中通入工件(2)发生变形的部位；
主轴(1)带动芯模(6)和工件(2)做回转运动，第一电极(3)、第二电极(5)与旋轮(4)同步向主轴(1)方向做进给运动；
第一电极(3)、第二电极(5)与工件(2)接触的位置分别在旋轮(4)的左右两侧；
或，第一电极(3)直接连接旋轮(4)，第二电极(5)连接工件(2)；
或，第一电极(3)、第二电极(5)与工件(2)接触的位置分别在旋轮(4)的上下两侧；
脉冲电源输出的脉冲电流峰值为3000A，脉冲电流频率为150Hz；或脉冲电源输出的脉冲电流峰值为5000A，脉冲电流频率为200Hz；或脉冲电源输出的脉冲电流峰值为5500A，脉冲电流频率为200Hz。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，旋压机为卧式或立式。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一电极(3)、第二电极(5)与工件(2)滑动接触或滚动接触。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一电极(3)和/或第二电极(5)上安装有弹簧顶紧装置。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一电极(3)和第二电极(5)通过支架安装在旋轮(4)座上，随旋轮(4)做轴向进给运动。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，芯模(6)与主轴(1)的连接处安装有绝缘材料；旋轮(4)座与滑台的连接处安装有绝缘材料；第一电极(3)和第二电极(5)与支架固定位置安装有绝缘材料。
7.一种应用权利要求1至6任一所述电塑性流动旋压成形装置进行电塑性流动旋压成形的方法，其特征在于，包括：
将芯模(6)安装在主轴(1)上，将工件(2)安装在芯模(6)上，调节第一电极(3)、第二电极(5)与工件(2)接触；
设置主轴(1)转速，旋压机和脉冲电源的工艺参数；
启动主轴(1)带动工件(2)旋转，打开脉冲电源开始对工件(2)放电，调节旋压机的旋轮轴向进给开始旋压；
待旋压结束后，停止旋轮轴向进给，关闭脉冲电源，退出旋轮(4)；
通过卸料装置卸下工件(2)，关闭主轴(1)转动，关闭旋压机。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，设置旋压机和脉冲电源的工艺参数，包括：设置旋压机的旋轮进给速度和减薄率，脉冲电源的脉冲电流频率和放电电压。
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