CN104985043B - 金属导体管件的电磁感应加热胀形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种金属导体管件的电磁感应加热胀形装置及成形方法。胀形模具位于电磁感应加热单元的电磁感应线圈内；充气加压单元与胀形模具中的上密封塞连通；电磁感应加热单元中的导磁套套装在电磁感应线圈的外圆周表面，各光纤探头分别安放在胀形模具上的孔内。各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器的输入端连接。本发明在成形中只加热管坯而不加热模具，保持在高温成形中模具的强度，提高能源的利用率，实现金属导体管件在高温状态下的气压胀形，改善材料的成形性能，减小管坯成形过程中的回弹、起皱，提高成形精度，从而获得成形精度与质量满足要求的零件。

Description

金属导体管件的电磁感应加热胀形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及一种管件胀形装置及方法，具体是一种金属导体管件的电磁感应加热胀形装置及方法

背景技术

各种形状和尺寸的金属导体管件在航空航天、汽车、石油化工，以及电力***等领域有着非常广泛的应用。金属导体管件可以在通入交流电流的电磁感应线圈内产生感应电流，在电流的作用下导体金属的管壁会产生热量，这就使得管件的温度不断升高。

除了常用的钢、铜、铝等金属材料作为管坯外，在航空航天等领域还大量采用钛合金、铝合金、高温合金等金属材料。而这些金属导体管件在很多时候，都具有复杂、不规则的表面形状，同一零件的不同部位具有不同的横截面形状，而要通过直接的机械加工很难获得这些复杂形状的管件，并且加工精度和质量也很难满足应用的要求。为了将简单形状的管坯制成最终符合精度及质量要求的复杂管件，在这里，采用向管坯内部通入高压气体，保持密封的方式，使原始管坯在气体压力的作用下发生胀形并逐渐贴靠管坯外侧模具的方法成形出所需要形状的管件。对于一些变形能力较好的材料，可在常温下即可进行胀形，并获得精度满足要求的零件，但是对于一些在室温下强度高、塑性差、应***化现象严重的金属管材，采用冷成形的方法很难成形，导致产品的合格率也比较低。并且在冷成形时，材料的回弹量较大，尺寸精度不易控制，成形所需要的压力很大，这对成形设备的要求也就越高。而热成形时材料的变形抗力较小并且回弹量也减小，因此需要适当提高成形温度进而提高这些金属材料的成形性能。

随着科技的发展，在应用上相继出现了各种材料热成形的加热方法，如热辐射加热、氧乙炔焰加热、电阻加热和电磁感应加热等。其中，电磁感应加热技术自投入应用以来，具有效率高、能源消耗小、加热速度快、加热区域易控制、纯净无污染、易于实现自动化等一系列优点，在近年来得到了快速发展。中国专利CN102641936A(一种采用内部加热加压的管材胀形装置及方法)介绍了一种采用内部加热加压的管材胀形装置***，它包括增压缸和加压管，密封座、加热单元、左模块、右模块、上密封座和支撑块，该发明实现了对管坯的持续加热，避免因管坯温度降低而影响其变形，同时，成形过程中模具处于较低温度下，整体强度较高，从而能够采用较高的成形气压以提高管材的成形质量，但是，这种成形方法难以在结构较小的金属导体管件中实现，同时对于能源的利用率较低。

因此，需要设计一种适合于无论尺寸大小的金属导体管件的电磁感应加热胀形装置，解决金属导体管件成形的实现问题，并且进一步提高能源的利用率。

发明目的

为克服现有技术装存在的成形精度难以控制，或者不适于结构较小的金属导体管件，并且能源的利用率较低的不足，本发明提出了一种金属导体管件的电磁感应加热胀形装置及成形方法。

所述金属导体管件的电磁感应加热胀形装置包括胀形模具、电磁感应加热单元、充气加压单元。胀形模具位于电磁感应加热单元的电磁感应线圈内；充气加压单元与胀形模具中的上密封塞连通；所述电磁感应加热单元包括由电源、电磁感应线圈、导磁套，光纤探头、光纤温度传感器以及连接导线，并且导磁套套装在电磁感应线圈的外圆周表面，三个光纤探头分别放置在位于胀形模具上的各光纤探头安放孔内，并使该光纤探头与管坯之间无接触。所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器的输入端连接。电磁感应线圈、导磁套与胀形模具三者同轴。

所述胀形模具包括第一半模、第二半模、上密封塞和下密封塞；所述第一半模和第二半模对合后形成胀形模具，分别位于第一半模和第二半模平面中心的型槽对合后形成了管坯胀形的型腔。所述型腔的两端为管坯的定位段，型腔的中心部位为管坯的胀形段，所述胀形段与两端的定位段之间为过渡段；在所述胀形段内表面和两个过渡段的内表面分别有光纤探头安放孔；在所述两个过渡段的内表面分别有排气孔；所述的各光纤探头安放孔与各排气孔的中心线均垂直于该第一半模的中心线。

所述电磁感应加热单元的电磁感应线圈与导磁套的位置与胀形模具的胀形段和过渡段的位置相对应。

所述利用金属导体管件的电磁感应加热胀形装置的成形过程是：

第一步，工装准备：将上密封塞与加压管的一端密封连接；将上密封塞与下密封塞分别装入待成形管坯两端；所述加压管的另一端与氩气瓶相连；将光纤探头装入位于胀形模具中的光纤探头安放孔内，并将各光纤探头之间均通过导线串连后与光纤温度传感器的输入端连接；将第一半模和第二半模组合成为胀形模具；将胀形模具置于电磁感应线圈内，并使该电磁感应线圈与所述胀形模具的胀形段和过渡段对应；电磁感应线圈的两端分别与电源的正负极连接；将各光纤探头串连后与光纤温度传感器的输入端连接；光纤传感器的输出端与电源连接；

第二步，通电加热：打开电源，设置电源的输出频率为1KHZ～20KHZ。光纤探头和光纤温度传感器实时测量变形管坯的温度，并且光纤温度传感器根据光纤探头测得的温度调节电源的输出频率，使管坯的温度以30℃/s的速率升至设定的胀形温度400℃；在通电的同时，打开水源阀门，向电磁感应线圈内通入冷却水；

第三步，充气胀形：当管坯的温度达到设定的胀形温度400℃并稳定后，以0.25L/s的流量向管坯中充入氩气，待充入气体的压力达到4.5MPa后保持3Min，使管坯贴模。保压结束后关闭电源，停止加热，以4L/s的流量排出管坯内的高压气体。

第四步，取出管件：将电磁感应线圈与导磁套移除，打开所述胀形模具，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

本发明针对上述通过内部加热加压的管材胀形技术中的不足，为在成形中只加热管坯而不加热模具，保持在高温成形中模具的强度，提高能源的利用率，实现金属导体管件在高温状态下的气压胀形，改善材料的成形性能，减小管坯成形过程中的回弹、起皱，提高成形精度，从而获得成形精度与质量满足要求的零件。

有益效果

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明很好的解决了常温下难成形管件在传统胀形中遇到的起皱、破裂以及回弹量大等问题。将管件加热到一定温度后，材料的变形抗力明显降低，并且成形后零件的回弹量小。

本发明采用电磁感应加热的方式，很好的解决了无论尺寸大小的金属导体管件加热胀形问题，适用于金属导体管件的加热胀形，在加热的过程中，能够使热量集中在管件局部并获得较大的热流密度，这种加热方式具有效率高、加热速度快，加热区域易控制等特点。

本发明中模具采用陶瓷材料，由于管件为导体金属，而模具为绝缘体，因此在电磁感应线圈的磁场内产生管件产生感应电流而模具不产生，这就导致在电磁感应的情况下，管件温度升高而模具的温度基本保持不变，从而模具的整体强度保持不变，能够进一步提高管件的胀形温度和成形压力，进而提高零件的成形质量。

本发明中电磁感应线圈只加罩在管坯的胀形变形区域和变形过渡区域，感应线圈产生的电磁场主要集中在其加罩的部位，在这个部位产生的感应电流较大，即主要加热管坯的变形过渡区域和胀形区域，而密封塞与管材两端密封处因磁场较弱，产生的感应电流较小而始终处于较低的温度，这就使得密封塞的整体强度较高，对管件的密封效果较好，密封成本低。

本发明中采用电磁感应加热的方式，提高能源的利用率，同时装置的结构简单，易于加工制造。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中K部位的局部放大图。

图3是本发明中的工作过程示意图。

图4是电磁感应加热的结构示意图。

图5是第一半模的结构示意图。其中：

1.下密封塞，2.第一半模，3.导磁套，4.上密封塞，5.加压管，6.充气压力机，7.管坯，8.第二半模，9.光纤温度传感器，10.电源，11.导线，12.电磁感应线圈，13.光纤探头。

具体实施方式

本实施例是一种金属导体管件的电磁感应加热胀形装置，包括胀形模具、电磁感应加热单元、充气加压单元。胀形模具位于电磁感应加热单元的电磁感应线圈内；充气加压单元与胀形模具中的上密封塞4连通；所述电磁感应加热单元包括由电源10、电磁感应线圈12、导磁套3，光纤探头13、光纤温度传感器9以及连接导线11，并且导磁套3套装在电磁感应线圈12的外圆周表面，三个光纤探头13分别放置在位于胀形模具上的各光纤探头安放孔内，并使该光纤探头与管坯7之间无接触。所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器9的输入端连接。电磁感应线圈12、导磁套与胀形模具三者同轴。

所述胀形模具包括第一半模和第二半模。将所述第一半模和第二半模对合后形成本实施例的胀形模具，分别位于第一半模和第二半模平面中心的型槽对合后形成了管坯胀形的型腔。所述型腔的形状根据对管件的成形要求确定。本实施例中，管件成形的形状为两端直径小、中部直径大近腰鼓状。

所述第一半模2与第二半模8的结构相同，本实施例中，仅以第一半模2为例加以描述。

所述第一半模为半圆形柱状，模具的材料为陶瓷材料。在所述第一半模平面的中心有与该第一半模同轴的型槽，该型槽两端为管坯的定位段，该定位段的半径与管坯的外半径相同。该型槽长度方向的中心部位为管坯的胀形段，该胀形段的半径为管坯的1.2～1.5倍，胀形段的轴向长度为管坯总长度的0.2～0.25倍。所述胀形段与两端的定位段之间的过渡段的角度均为45°。在所述胀形段内表面和两个过渡段的内表面分别有一个光纤探头安放孔；在所述两个过渡段的内表面分别有一个排气孔；所述的各光纤探头安放孔与各排气孔的中心线均垂直于该第一半模的中心线。

在所述第一半模2的两侧边边缘和第二半模8的两侧边边缘有将两者固连的螺栓孔。

使用时，将第一半模2、第二半模8、上密封塞4和下密封塞1组成管材的胀形模具。在对管件7进行胀形时，将上密封塞4与下密封塞1的楔形表面涂上密封胶，分别塞入管坯7的两端进行密封，将密封好的管坯7与上密封塞4、下密封塞1一起放入第一半模2与第二半模8之间形成的成形型腔中。将第一半模2的平面与第二半模8的平面贴合，同时也是对管坯7与上密封塞4、下密封塞1之间施加压力，加强密封效果。密封塞的材料选用Q235钢。在所述第一半模2和第二半模8的中部有三个光纤探头安放孔，三个光纤探头13分别安放在各光纤探头安放孔内。所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器9的输入端连接。

所述氩气瓶6位于所述管坯的上端，能提供的最大压力为15MPa；加压管5的一端与所述氩气瓶6的出气端连通，另一端与上密封塞4的中心孔连通，通过所述加压管将气体充入管坯内。

在所述第一半模2和第二半模8的中部有三个光纤探头安放孔，三个光纤探头13分别安放在各光纤探头安放孔内。所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器9的输入端连接。所述电磁感应线圈12的两端分别通过导线11与电源的正极和负极连通。

所述电磁感应线圈12采用铜管绕制而成。电磁感应线圈为螺线型柱状结构线圈，直径为45mm，总体高度为40mm，铜管的直径为8mm，螺距为10mm。所述铜管的一端与水源连通，另一端与排水管连通，在对感应线圈通电的同时，对铜管内通入冷却水，并使该冷却水通过排水管排出。所述导磁套3套装在电磁感应线圈12的外圆周表面，与胀形模具以及电磁感应线圈12同心，所述导磁套3呈圆筒型，采用氧化铁磁石制成，用于改变磁力线的方向，使磁力线限制在管材周围。所述导磁套的圆筒外径为75mm，厚度为5mm，高度为40mm。所述光纤探头13有三个，分别放置在所述模具上的光纤安放孔中，并且距离光纤安放孔的出口处约3mm，使该光纤探头与管坯7无接触。所述光纤温度传感器9与光纤探头配合使用。所述交流电源10为现有技术，为电磁感应线圈提供电流。

使用时，将电源10、电磁感应线圈12、导磁套3，光纤探头13、光纤温度传感器9以及连接导线11组成电磁感应加热单元，所述电磁感应线圈12位于导磁套3内，导磁套3套装在电磁感应线圈12的外圆周表面，与胀形模具以及电磁感应线圈12同心，三个光纤探头13分别放置在各光纤探头安放孔内，并且距离光纤安放孔的出口处约3mm，使该光纤探头与管坯7无接触。所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器9的输入端连接。光纤温度传感器9将光纤探头13检测到的光信号转化成温度信号并显示出来，实时测量胀形中管坯7的温度。同时光纤温度传感器9与交流电源10连接，将温度信号转化为电信号调整电源10的功率，所述电源10的正极和负极分别通过导线11与电磁感应线圈12的两端连通，通过电源功率的改变而改变电磁线圈12产生的磁通量大小，进而调节管坯7的温度，使管坯7的温度控制在要求范围内。

本实施例中，所述管坯7的外径为15mm，厚度为1mm，长为80mm。将加压管5涂上密封胶后与上密封塞4的充气孔密封连接，对上密封塞4与下密封塞1的楔形表面涂上密封胶，分别塞入管坯7的两端进行密封。将密封好的管坯7与下密封塞1、上密封塞4置于第一半模2与第二半模8之间的成形型腔中，将两个模具的平面贴合后压紧，同时这也对管坯7与下密封塞1、上密封塞4之间施加压力，加强管件的密封效果。而氩气瓶6通过加压管5与上密封塞4的充气孔密封连接，在管坯7成形的过程中提供胀形压力。

其中，电磁感应线圈12套装在与胀形模具的外表面；圆筒型的导磁套3套装在电磁感应线圈12的外表面；所述导磁套3、电磁感应线圈12和胀形模具三者同轴。所述电磁感应线圈与导磁套在胀形模具的位置与该模具的胀形段和过渡段对应，覆盖胀形管坯7的变形部位以及管坯7两端的过渡部分，不覆盖管坯7与下密封塞1和上密封塞4的密封处。电源10的正负极与电磁感应线圈12的两端通过导线11连通，为电磁感应线圈12提供电流。通电后电磁感应线圈12周围产生磁场，管坯7位于磁场中，通过切割磁感线产生环形电流使管坯7的温度升高。第一半模2、第二半模8的型腔中开有导气孔以及光纤安放孔，导气孔用于在管坯胀形过程中排出管坯7与型腔之间的空气，三个光纤探头13分别放置在各光纤探头安放孔内，并且距离光纤安放孔的出口处约3mm，与管坯7之间无接触，各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器9的输入端连接。光纤温度传感器9将光纤探头13检测到的光信号转化成温度信号并显示出来，实时测量胀形中管坯7的温度。同时光纤温度传感器9与交流电源10连接，将温度信号转化为电信号调整电源10的功率，所述电源10的正极和负极分别通过导线11与电磁感应线圈12的两端连通，通过电源功率的改变而改变电磁线圈12产生的磁通量大小，进而调节管坯7的温度，控制管坯7的温度在一定范围内。

在使用所述电磁感应加热气压胀形装置进行气压胀形时，具体步骤如下。

第一步，工装准备：在下密封塞的楔形表面涂上密封胶，塞入待成形管坯的一端进行密封，将加压管涂上密封胶后与上密封塞的充气孔密封连接，采用和下密封塞同样的方式，将上密封塞与管坯的另一端密封，加压管的另一端与氩气瓶相连，为管件胀形过程提供气体压力。同时，将光纤探头放入第一半模、第二半模的光纤安放孔中并固定，并且距离光纤安放孔的出口处约3mm，保证各光纤探头与管件无接触，各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器9的输入端连接。在将密封好的管坯与密封塞放置在第一半模、第二半模之间形成的成形型腔中，将两个模具的平面贴合后压紧，同时这也会对管坯与密封塞之间施加压力，加强密封效果。将电磁感应线圈套在与胀形模具同心的外表面，同时，导磁套也位于与电磁感应线圈同心的外表面，调整好导磁套与感应线圈的位置，使其只覆盖管坯的变形部位和变形过渡部位。电磁感应线圈的两端分别与电源的正负极通过导线连接，另一方面，将各光纤探头通过导线串连并与光纤温度传感器的输入端连接。光纤传感器的输出端与交流电源连接，同时交流电源的正负极与电磁感应线圈的两端通过导线连接，为电磁感应线圈提供电流。

第二步，通电加热：电磁感应线圈与导磁套只加罩在管坯的胀形段和过渡段，打开电源，设置电源的输出频率，高速变化的电流通过电磁感应线圈会产生高速变化的磁场，并且该高速变化的磁场主要集中在管坯的胀形段和过渡段，在管坯的这一部位相应地产生了感应电动势，会在金属管坯内产生无数的旋涡流，这种旋涡流在管件自身电阻的作用下，管坯表面温度升高，从而起到加热的效果。光纤探头和光纤温度传感器实时测量变形管坯的温度，并且光纤温度传感器根据光纤探头测得的温度调节电源的输出频率，使管坯的温度以30℃/s左右的速率升至设定的胀形温度400℃。

在通电的同时，打开水源阀门，向电磁感应线圈内通入冷却水。

第三步，充气胀形：管坯的温度达到设定的胀形温度400℃并稳定后，打开氩气瓶的阀门，以0.25L/s的流量向管坯中充入氩气，待充入气体的压力达到4.5MPa后保持3Min，使管件贴模。保压结束后关闭电源，停止加热，以4L/s的流量排出管坯内的高压气体。

根据材料的高温力学性能以及成形管件的最小圆角半径，通过公式(1)确定充气胀形中的成形压力和成形温度：

其中t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，σ_s是材料在某温度下的屈服强度，k是修正系数。本实施例中修正系数取为1，即不进行修正。

由公式(1)可知，在成形温度确定的情况下，根据热拉伸试验获得材料的屈服强度，同时根据管件的厚度以及要成形管件的最小圆角半径得到管件成形压力。

第四步，取出零件：将电磁感应线圈与导磁套移除，打开第一半模与第二半模，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。

Claims (2)

1.一种金属导体管件的电磁感应加热胀形装置，其特征在于，包括胀形模具、电磁感应加热单元、充气加压单元；胀形模具位于电磁感应加热单元的电磁感应线圈内；充气加压单元与胀形模具中的上密封塞连通；所述电磁感应加热单元包括电源、电磁感应线圈、导磁套，光纤探头、光纤温度传感器以及连接导线，并且导磁套套装在电磁感应线圈的外圆周表面，三个光纤探头分别放置在位于胀形模具上的各光纤探头安放孔内，并使该光纤探头与管坯之间无接触；所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器的输入端连接；电磁感应线圈、导磁套与胀形模具三者同轴；所述电磁感应线圈采用铜管绕制而成，并且该铜管的一端与水源连通，另一端与排水管连通；

所述胀形模具包括第一半模、第二半模、上密封塞和下密封塞；所述第一半模和第二半模对合后形成胀形模具，分别位于第一半模和第二半模平面中心的型槽对合后形成了管坯胀形的型腔；所述型腔的两端为管坯的定位段，型腔的中心部位为管坯的胀形段，所述胀形段与两端的定位段之间为过渡段；在所述胀形段内表面和两个过渡段的内表面分别有光纤探头安放孔；在所述两个过渡段的内表面分别有排气孔；所述的各光纤探头安放孔与各排气孔的中心线均垂直于该第一半模的中心线；所述电磁感应加热单元的电磁感应线圈与导磁套的位置与胀形模具的胀形段和过渡段的位置相对应。

2.一种利用权利要求1所述金属导体管件的电磁感应加热胀形装置的成形方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，工装准备：将上密封塞与加压管的一端密封连接；将上密封塞与下密封塞分别装入待成形管坯两端；所述加压管的另一端与氩气瓶相连；将光纤探头装入位于胀形模具中的光纤探头安放孔内，并将各光纤探头之间均通过导线串连后与光纤温度传感器的输入端连接；将第一半模和第二半模组合成为胀形模具；将胀形模具置于电磁感应线圈内，并使该电磁感应线圈与所述胀形模具的胀形段和过渡段对应；电磁感应线圈的两端分别与电源的正负极连接；将各光纤探头串连后与光纤温度传感器的输入端连接；光纤传感器的输出端与电源连接；

第二步，通电加热：打开电源，设置电源的输出频率为1KHZ～20KHZ；光纤探头和光纤温度传感器实时测量变形管坯的温度，并且光纤温度传感器根据光纤探头测得的温度调节电源的输出频率，使管坯的温度以30℃/s的速率升至设定的胀形温度400℃；在通电的同时，打开水源阀门，向电磁感应线圈内通入冷却水；

第三步，充气胀形：当管坯的温度达到设定的胀形温度400℃并稳定后，以0.25L/s的流量向管坯中充入氩气，待充入气体的压力达到4.5MPa后保持3Min，使管坯贴模；保压结束后关闭电源，停止加热，以4L/s的流量排出管坯内的高压气体；

第四步，取出管件：将电磁感应线圈与导磁套移除，打开所述胀形模具，取出胀形后的管件，完成管坯的胀形过程。