CN107755490A - 一种马氏体钢3d自由弯曲成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，属先进制造及塑性成形技术领域。首先，基于管材的成型性能相关参数，反复迭代计算获得材料对应修正系数，对初始模型进行修正；试验校准各部件使用情况后，通过三段式感应加热装置，配合各个传感器实现精准控温加热；通过弯曲模的三维空间转动对管材前端挤压使其产生空间复杂的弯曲形状；淬火过程则通过与环状水冷喷头，使淬火过程快速、均匀。本发明解决了马氏体钢3D自由弯曲成形技术难题，实现其三维空间下的高温自由弯曲成形，并借助快速淬火***，已获得1400MPa以上的强度，实现了超高强度钢3D自由弯曲构件的形性协调控制，在航空航天、轨道交通、汽车及核电领域具有重要工程应用价值。

Description

一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法
技术领域
本发明属于金属复杂结构件先进制造技术领域，特别涉及马氏体钢复杂管件的3D自由弯曲成形。
背景技术
在航天航空、轨道交通、汽车工业中，由于提速要求的提出，轻量化材料被用于各种关键部位的制造。马氏体钢拥有极高的抗拉强度，对于同一零件的制造，在保证相应抗拉强度的同时可以减少大量材料的使用；并且其相对于碳纤维，造价更为低廉，因此被广泛应用于航天航空，轨道交通等行业相关设备的关键结构制造中；现有阶段的超高强度钢生产工艺中，仅有热冲压工艺能够完全实现马氏体钢的快速精确成形，其通过对板材加热至奥氏体化后冷却淬火的过程获得高强马氏体组织，配合保压过程可以实现精准成型避免其产生回弹效应。但现阶段该种技术仅适用于钣金冲压件的生产；此外，管型件的成型方式一般为绕弯或热弯成型，但二者均不能实现管件在三维空间内的弯折。现有技术手段中，马氏体钢的管型件成型并没有成熟的解决方案。
本专利提出的3D自由弯管技术，通过球状轴承与弯曲模对弯管前端进行三维空间的自由弯折，配合推进***，能够实现管材在空间内的任意弯折。但其目前仍有如下缺点：(1)3D自由弯管仅能实现冷成型过程，对于热成型过程产生的尺寸变化差异并没有很好的解决方案；(2)3D自由弯管过程中，管坯在推进时会与夹具产生剧烈的摩擦，易造成表面涂镀层的损伤甚至剥落；(3)3D自由弯管技术目前仅能成型无淬火冷却过程的金属。
在现有专利中，仅CN201410159236.X(一种超高强度钢管及其连续生产方法)、CN201010263433.8(一种高强度和超高强度钢管的加工方法)涉及关于超高强度钢管材的制备方法，但其均停留于直管件的制备，并不涉及折弯部分的制造。另外CN201010263433.8中加工的超高强度钢管材中无夹持设备，不存在矫直操作，也无保护气氛，而超高强度钢在淬火操作中易出现氧化、变形现象，弯折后其弯曲半径精度也较低。此外，就弯管技术而言，现阶段弯管方式一般为推弯成形与绕弯成形，无法实现3D下的自由弯曲。
发明内容：
针对上述技术问题，本发明提出了一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，采用弯曲模与球状轴承三维曲面运动对管材挤出端面进行弯曲操作，配合三段式感应加热装置提高其成形性能，并在挤出段设置淬火冷却喷头进行快速淬火以保证成品件较高的强度等级，实现了马氏体钢3D自由弯曲构件的形性协调控制。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，包含以下步骤：
拟定工艺参数，编写加工程序，以测量获得对应材料的修正系数k以及回弹修正系数k’；
1)装夹：将管材套入推进装置中，使用夹持装置确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材推入感应加热装置中；
2)奥氏体化：将马氏体钢管材通过感应加热方式加热，分三段加热至完全奥氏体化，其中初段加热温度为320℃～350℃，中段加热温度为620℃～650℃，终段加热温度为920℃～950℃，每段加热设备间用带有红外测温设备的密封环进行密封，红外测温设备对每段加热的具体温度实时检测，并将误差反馈给推进设备做出实时的修正调整。加热期间，保持滚轮与管材外壁接触良好，并向管材内部通入保护气氛防止氧化；
3)3D自由弯曲成形：通过导向装置与弯曲模的作用，使得管材前段部分发生三维弯曲；
4)冷却淬火：使用环状水嘴对已经弯曲完成的部分进行淬火，使淬火冷却速率为60℃/s～100℃/s；
5)喷丸处理：使用丸粒对弯管表面进行冲击，去除表面应力层，获得成品件。
作为优选，所述步骤(1)中夹持装置与管材的接触方式为线接触；
作为优选，所述步骤(2)中保护气氛为氮气；且加热段分段温度误差应不大于±10℃，如误差大于该数值，则逐级调整推进设备推进速度，每级调整量为上级速度的1％；
作为优选，所述步骤(3)过程中使用润滑油作为润滑，且润滑油的温度与终端加热后对应红外测温装置获得的温度数据相等；
作为优选，所属步骤(4)中的环状水嘴与弯曲模前端刚性固定，且环形平面与弯曲模顶部平面相平行，能够实现与弯曲模的等角度运动；环状水嘴前端带有红外测温装置，能够与环状水嘴实现联动反馈调节，环状水嘴喷水量为2000m3/h～2500m3/h；环状水嘴还带有3D扫描仪，能够识别管材发生回弹的比例，经过计算分析后反馈至弯曲程序中进行修正补足；
作为优选，所述步骤(5)中的丸粒为玻璃丸，丸粒直径为0.5mm～20mm，丸粒运动速度为45m/s～55m/s；
作为优选，对于具有镀层的马氏体钢管材，步骤(4)后可无需进行步骤(5)；
作为优选，所述步骤(1)～(4)中推进管材所用装置应能够实现恒力推进与恒速推进两种模式，恒力大小为1kN，恒速大小为10mm/s。
此外，本发明还针对超高强度钢3D自由弯管提出了一种修正模型，主要包括：
1)将复杂弯管三维几何模型按照直、曲线分段，填入过渡段并建立几何模型；
2)以弯曲模中心点与导向机构前端距离A为变量，根据实际情况引入弯曲修正系数k以及回弹修正系数k’；
3)将设定系数值迭代回原有弯管加工参数，通过有限元手段进行模拟比较，反复修改系数直至误差小于1％；
4)将完成的修正系数存入数据库，以便下次管径与材料均相同时调用。
球面轴承运动模型具体的公式为：
假设第一过渡段与弯曲段总路程为半径为R的半圆弧，并等效管材的Z轴运动为匀速运动，引入直段到弯曲段过度曲线为第一过渡段，引入弯曲段到下一直线段为第二过渡段，则有：
式中，L为直段长度；R为弯曲半径；θ为弯曲角度；u为球面轴承在X-Y平面的运动速度投影；v为管材在Z轴的推进速度；t为运动时间；A为弯曲模中心至导向机构前端距离；
对于修正模型，修正参数主要修正的变量为A，即修正公式中，对于原有运动模型，A被等效替换为其中k为材料修正系数、k’为回弹修正系数；
此外，迭代校核检验时，迭代终止条件为：第一步建立模型与迭代算法获得数值模型误差不超过1％。
本发明的有益效果为：
1.本发明所提出的3D自由弯管成型，在成型过程中仅针对管件前端实现变形，变形量小，变形精度高；相较于传统绕弯与热弯成型方式，其过程简单，能够实现一次成形；并且该项技术弥补了传统绕弯与热弯成型仅能成型与模具相关的弯管件的问题，实现了马氏体钢在空间内的自由弯管。此外，该项技术通过管件前端同步一体化设计的淬火喷头，能够实现马氏体钢成型过程后迅速均匀的淬火成型，使管材组织充分转变为强度等级较高的马氏体组织，解决了传统马氏体钢弯管件的成型速度慢、成型后强度等级低的问题，能够极大的提高管件的生产效率，增大经济效益；
2.本发明在加热夹持段引入了导轮，配合密封圈的使用，一方面可以近似认为其外表面在加热段隔绝了空气，另一方面导轮降低了摩擦，使得表面不会产生磨损，表面耐腐蚀性能较高。此外，如坯料为有镀层的马氏体钢管坯，导轮的使用能够降低表面镀层磨损率，从而提高其最终成品的抗氧化、耐腐蚀性能；
3.本发明基于马氏体钢的热-力耦合相应，提出了一种针对超高强度钢弯管特有的修正数值模型，能够减少成型过程中产生的尺寸差异，实现超高强度钢在三维空间下的精确弯管造型；此外，本发明中运输段、加热段、冷却段均配有反馈调节***，能够实现弯管生产的在线调节，并对加工前计算所得修正参数进行进一步修正补足；在使用过程中，不同管材的不同修正参数通过数据库进行存储，易于调用，能够对今后不同材料的三维自由弯管的生产提供技术支撑。能够应用于航空航天，轨道交通等高端制造业，具有较高的工程运用价值，经济效益明显；
4.一方面，通过成形前阶段的奥氏体化过程，极大的提高了管型件的成形性能，克服了冷成形阶段管材撕裂的问题；另一方面，通过挤出后的过冷液雾化冷却装置使其成形后具有完全的高强度组织，解决了温成形管材弯折处强度过低的问题。此外，本发明通过优化算法，进一步提高了超高强度钢弯管的加工精度，使其能够更好的适应油气运输等高强度需求的设备。
附图说明：
图1超高强度钢3D自由弯管装置示意图；
图2超高强度钢3D自由弯管修正模型中部分指标示意图；
图3超高强度钢3D自由弯管工艺流程图；
图1中，1-环形冷却喷嘴；2-球形轴承；3-弯曲模；4-导向装置；5-带有红外测温装置的密封环；6-感应加热装置；7-运输导轮；8-夹持装置；9-推进装置；10-导油槽；11-注油孔；12-氮气输送装置。
具体实施方式：
为了使本领域的普通技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的描述：
实施例1
参照附图1、2、3，一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，包含以下步骤：
参数确定：选用长700mm，直径25mm，壁厚1.5mm的22MnB5超高强度钢管进行工艺参数设置优化，经有限元迭代处理完成后，其误差不大于1％的情况下对应修正系数k和k’分别为1.3和1.65；
确定修正系数的过程具体为：在淬火前，先以3D扫描仪对刚弯成的弯管进行形状扫描，随后打开喷头进行快速淬火，对淬火完成后产生回弹效应的零件再次进行形状扫描，将数据导出至分析软件中，再次建立数值模型进行比对，设定材料修正系数迭代初值为1，计算对应回弹修正系数k’；随后将k’作为回弹修正系数迭代初值使用Newton迭代法进行迭代计算，最终求解出误差在阈值范围内的k与k’；
1)装夹：将管材套入推进装置9中，使用夹持装置8确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材以固定推力大小1kN的方式试推入感应加热装置6中，测试运输导轮7是否具有降低管壁摩擦力作用，若试推阶段推进速度减小约5％，则判断运输导轮未工作，需更换运输导轮后进行下一步工序；
2)奥氏体化：使用恒定速度方式推进管材，推进速度为10mm/s，设定三段加热温度分别为340℃、630℃、950℃；实际加热温度分别为344℃、632℃、944℃，误差小于5％阈值，不进行推进速度调整；奥氏体化过程中，管内通过氮气输送装置12通入氮气防止内壁发生氧化；
温度调节反馈具体实施过程为：在每段感应加热完成后，带有红外测温装置的密封环5进行实时检测并将数据直接反馈至推进装置9中。推进装置中内置有数据比较***，设定速度降低程序触发阀值为±10℃，如实际温度大于设定温度超过10℃，则降低速度1％后继续比较，直至温度在设定误差域内；反之，则提高推进速度；
本发明使用三段式感应加热的优点为：感应加热速度快，短时间内突然升温会在管材内部产生一定的热应力，造成其弯折时易产生起皱、拉裂等现象。通过三段式感应加热逐步升温，一方面可以减轻热应力的影响，另一方面可以使材料组织转变更为充分，有利于后面的淬火强化工艺；
3)弯曲成形：继续推进管材，通过注油孔11向导油槽10内加入高温润滑油，通过导向装置4将管材引导至弯曲模3内；使用预设完成的参数，驱动弯曲模在球形轴承2内运动，使管材发生空间弯曲；
4)冷却淬火：当管材推出弯曲模后，打开环形冷却喷嘴1，对管材进行快速均匀淬火。实际冷却速度为68℃/s，喷水量为2200m3/h；
5)喷丸处理：使用1mm大小的玻璃丸以50m/s的速度对管材表面进行覆盖率100％的冲击，去除淬火过程中可能形成的微量氧化层，并在表面形成大小为50MPa的压应力层，提高其疲劳性能。
实施例2
参照附图1、2、3，一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，包含以下步骤：
参数确定：选用长600mm，直径30mm，壁厚2mm的30MnB5超高强度钢管进行工艺参数设置优化，经有限元迭代处理完成后，其误差不大于1％的情况下对应修正系数k和k’分别为1.2和1.98；
1)装夹：将管材套入推进装置9中，使用夹持装置8确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材以固定推力大小1kN的方式试推入感应加热装置6中，测试运输导轮7是否具有降低管壁摩擦力作用，若试推阶段推进速度减小约5％，则判断运输导轮未工作，需更换运输导轮后进行下一步工序；
2)奥氏体化：使用恒定速度方式推进管材，推进速度为10mm/s，设定三段加热温度分别为330℃、640℃、940℃；实际加热温度分别为334℃、638℃、939℃，误差小于5％阈值，不进行推进速度调整；奥氏体化过程中，管内通过氮气输送装置12通入氮气防止内壁发生氧化；
3)弯曲成形：继续推进管材，通过注油孔11向导油槽10内加入高温润滑油，通过导向装置4将管材引导至弯曲模3内；使用预设完成的参数，驱动弯曲模在球形轴承2内运动，使管材发生空间弯曲；
4)冷却淬火：当管材推出弯曲模后，打开环形冷却喷嘴1，对管材进行快速均匀淬火。实际冷却速度为81℃/s，喷水量为2400m3/h；
5)喷丸处理：使用0.5mm大小的玻璃丸以55m/s的速度对管材表面进行覆盖率100％的冲击，去除淬火过程中可能形成的微量氧化层，并在表面形成大小为50MPa的压应力层，提高其疲劳性能。
实施例3
参照附图1、2、3，一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，包含以下步骤：
参数确定：选用长650mm，直径20mm，壁厚1.3mm具有纯锌镀层的30CrMnSiA超高强度钢管进行工艺参数设置优化，经有限元迭代处理完成后，其误差不大于1％的情况下对应修正系数k和k’分别为1.16和1.34；
1)装夹：将管材套入推进装置9中，使用夹持装置8确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材以固定推力大小1kN的方式试推入感应加热装置6中，测试运输导轮7是否具有降低管壁摩擦力作用，若试推阶段推进速度减小约5％，则判断运输导轮未工作，需更换运输导轮后进行下一步工序；
2)奥氏体化：使用恒定速度方式推进管材，推进速度为10mm/s，设定三段加热温度分别为350℃、630℃、930℃；实际加热温度分别为337℃、632℃、933℃，误差小于5％阈值，不进行推进速度调整；奥氏体化过程中，管内通过但其输送装置12通入氮气防止内壁发生氧化；
3)弯曲成形：继续推进管材，通过注油孔11向导油槽10内加入高温润滑油，通过导向装置4将管材引导至弯曲模3内；使用预设完成的参数，驱动弯曲模在球形轴承2内运动，使管材发生空间弯曲；
4)冷却淬火：当管材推出弯曲模后，打开环形冷却喷嘴1，对管材进行快速均匀淬火。实际冷却速度为62℃/s，喷水量为2200m3/h。

Claims (10)

1.一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)装夹：将管材套入推进装置中，使用夹持装置确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材推入感应加热装置中；
2)奥氏体化：将马氏体钢管材通过感应加热方式加热，分三段加热至完全奥氏体化，其中初段加热温度为320℃～350℃，中段加热温度为620℃～650℃，终段加热温度为920℃～950℃，每段加热设备间用带有红外测温设备的密封环进行密封，红外测温设备对每段加热的具体温度实时检测，并将误差反馈给推进设备做出实时的修正调整，加热期间，保持滚轮与管材外壁接触良好，并向管材内部通入保护气氛防止氧化；
3)3D自由弯曲成形：通过导向装置与弯曲模的作用，使得管材前段部分发生三维弯曲；
4)冷却淬火：通过环状水嘴对已经弯曲完成的部分进行淬火，使淬火冷却速率为60℃/s～100℃/s；
5)喷丸处理：使用丸粒对弯管表面进行冲击，去除表面应力层，获得成品件。
2.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(1)中夹持装置与管材的接触方式为线接触。
3.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中保护气氛为氮气，且加热段分段温度误差应不大于±10℃，如误差大于该数值，则逐级调整推进设备推进速度，每级调整量为上级速度的1％。
4.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(3)过程中使用润滑油作为润滑，且润滑油的温度与终端加热后对应红外测温装置获得的温度数据相等。
5.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所属步骤(4)中的环状水嘴与弯曲模前端刚性固定，环形平面与弯曲模顶部平面相平行，能够实现与弯曲模的等角度运动；环状水嘴前端带有红外测温装置，能够与环状水嘴实现联动反馈调节，环状水嘴喷水量为2000m3/h～2500m3/h；环状水嘴还带有3D扫描仪，能够识别管材发生回弹的比例，经过计算分析后反馈至弯曲程序中进行修正补足。
6.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(5)中的丸粒为玻璃丸，丸粒直径为0.5～20mm，丸粒运动速度为45m/s～55m/s。
7.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：对于具有镀层的马氏体钢管材，步骤(4)后可无需进行步骤(5)。
8.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(1)～(4)中推进管材所用装置能够实现恒力推进与恒速推进两种模式，恒力大小为1kN，恒速大小为10mm/s。
9.一种超高强度钢3D自由弯管的修正模型，其特征在于，包含以下步骤：
1)将复杂弯管三维几何模型按照直、曲线分段，填入过渡段并建立几何模型；
2)以弯曲模中心点与导向机构前端距离A为变量，根据实际情况引入弯曲修正系数k以及回弹修正系数k’；
3)将设定系数值迭代回原有弯管加工参数，通过有限元手段进行模拟比较，反复修改系数直至误差小于1％；
4)将完成的修正系数存入数据库，以便下次管径与材料均相同时调用。
10.根据权利要求9所述的一种超高强度钢3D自由弯管的修正模型，其特征在于：假设第一过渡段与弯曲段总路程为半径为R的半圆弧，并等效管材的Z轴运动为匀速运动，引入直段到弯曲段过度曲线为第一过渡段，引入弯曲段到下一直线段为第二过渡段，则球面轴承运动模型的公式为：
1)直段：无需弯曲故轴承不运动，时间为
2)第一过渡段：运动速度为运动时间为
3)弯曲段：弯曲半径无变化故不运动，时间为
4)第二过渡段：运动速度为运动时间为
式中，L为直段长度；R为弯曲半径；θ为弯曲角度；u为球面轴承在X-Y平面的运动速度投影；v为管材在Z轴的推进速度；t为运动时间；A为弯曲模中心至导向机构前端距离；在进行修正时，采用迭代算法进行模型运算，终止条件为建立模型与迭代算法获得数值模型误差不超过1％；此外，修正参数主要修正变量为A，即修正公式中，对于原有运动模型，A被等效替换为其中k为材料修正系数、k’为回弹修正系数。
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