CN109465322A - 一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置及方法 - Google Patents

一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置及方法 Download PDF

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刘钢
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Abstract

本发明公开了一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置及方法。如图1所示，上模具、下模具分别置于待成形管件的上下两侧，成形部位置于模具的空腔中，上、下模具上分别嵌有两个半圆状电极，分别对应管材两端，当上、下模具贴合时相应的半圆状电极组成圆环形和管材充分接触，电极外接高频脉冲电源，氩气增压***连接在密闭管件两端。本发明中先向管内充入低压氩气使管内压力达到设定值，再接通电源，高频脉冲电源发出低频脉冲电流对管件进行加热，使得管内压力、管表面温度和相对载荷随低频脉冲电流作周期性波动，分别如图2，3，4所示，管子环向温度分布更加均匀，载荷的脉动变化使得胀形过程中管件反复膨胀，结果提高了管件胀形区域的胀形均匀性，阻止了局部壁厚变薄，从而使管件的成形性能大大提高，有利于实现复杂形状管件的精确成形。

Description

一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置及 方法
技术领域
本发明涉及金属管材气压成形技术领域，具体的是指一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置及方法。
背景技术
为了减小车辆的重量，越来越多的零件设计成空心结构。在汽车工业中管材的液压胀形工艺在空心零件的生产制造中得到广泛应用。但是，液压成形工艺具有一定的局限性，无法用于像钛合金、高强钢这种室温下延展性差的难变形金属材料。因为钛合金只有在高温下延展性才会显著提高，但是液压胀形的压力介质不管是水还是油都限制了液压胀形的工作温度不能过高，因此，金属管材的热气胀形工艺得以发展。
在传统的金属管材的热气胀形工艺中，模具和坯料接收热量的方式主要是热辐射和热传导，热量传输速度慢，为了使坯料达到均匀、较高的成形温度往往需要很长的加热时间，因此这种加热方式的效率很低，势必造成整个热气胀形工艺的低效性。本发明在传统的热气胀形工艺基础上，采用了电流加热的方法，模具采用绝缘材料制作，通过电极对坯料进行通电，坯料自身电阻在电流作用下产生热量，温度升高，只需要改变电流大小就可以控制加热速度，解决了传统的热气胀形工艺中存在的加热时间长、能量利用率低的问题。
在传统的管材液压胀形工艺基础上，发展了脉动液压胀形工艺，在文献“Mechanism of improvement of formability in pulsating hydroforming of tubes”中，作者Mori，K.等人通过施加按正弦规律变化的内压力使得管材胀形区域壁厚均匀，阻止了局部变薄的现象出现，提高了管材的成形性能。但是由于液压胀形所使用的液体介质无法承受高温，而像钛合金这样的室温下延展性差的金属材料的热成形温度一般超过500℃，所以脉动液压胀形工艺不能适用于室温下延展性差的金属材料。
在文献“Experimental and numerical investigation of the influence ofpulsating pressure on hot tube gas forming using oscillating heating”中，作者Ali Talebi Anaraki等人研究了在使用振荡加热和脉动压力的条件下铝合金管材的热气胀形工艺，在实验过程中利用火焰加热同时管件旋转来保证受热均匀，在加热过程中控制火焰的大小作周期性变化，管内压力在一套独立的设备控制下作周期性脉动变化，结果表明在使用振荡加热和脉动压力的条件下可以显著提高铝合金管材的胀形率并且胀形后管材壁厚分布均匀。但是该方法使用火焰加热铝合金管，加热时间长，效率低，且火焰大小不易精确控制，而且脉动压力的控制需要一套独立的设备，成本更高。
发明内容
本发明提出的的一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置及方法，选用低频脉冲电流加热钛管，由于脉冲电流的周期性，使得加热和胀形过程中钛管表面温度、管内压力和相对载荷随低频脉冲电流作周期性波动，管子环向温度分布更加均匀，从而提高了管子的胀形区域的壁厚均匀性和成形性能。
本发明中的装置包括高频脉冲电源、氩气增压***、绝缘模具、半圆状电极、压头。绝缘模具由上模具和下模具组成，上模具和下模具分别置于待胀形管材的上下两侧，待胀形管材的胀形部分置于上模具和下模具形成的空腔中，待胀形管材外壁与半圆状电极接触，压头封闭压紧绝缘模具和待胀形管材，待胀形管材两端用中空锥塞配合上压环和聚氨酯环进行密封，一端与氩气增压***连通，一端与截止阀相连，半圆状电极连接高频脉冲电源，所述高频脉冲电源、半圆状电极和待胀形管材形成通电回路。
应用该装置进行难变形合金管的脉冲电流脉动加热气压胀形，包括以下步骤：
步骤一：预先用中空锥塞配合上压环和聚氨酯环将待胀形管材两端塞好，然后把待胀形管材置于模具上压紧，连接好氩气增压***和高频脉冲电源；
步骤二：先进行充气，在管内压力达到设定值并稳定后，接通电源，高频脉冲电源提供低频脉冲电流通过半圆状电极流过待胀形管材，管材变形部分在高温高压下发生膨胀变形，从而完成热气胀形过程。
本发明的优点是：利用低频脉冲电流的脉动周期性，在加热钛管时，钛管表面温度、管内压力和相对载荷随低频脉冲电流作周期性波动，钛管微观组织结构不断发生动态再结晶和晶粒细化，阻止了缺陷的产生，提高了塑性，使管子环向温度分布更加均匀，载荷的脉动变化使得胀形过程中管材被反复膨胀，结果提高了管件胀形区域的胀形均匀性，阻止了局部壁厚变薄，从而使管件的成形性能大大提高，有利于实现复杂形状管件的精确成形。
附图说明
图1是本发明的一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置的结构示意图。
图2是管内压力和电流密度随时间变化曲线。
图3是胀形管表面温度随时间变化曲线。
图4是相对载荷和电脉冲参数关系图。
图5是三种不同频率下得到的(a)内压力随时间变化的曲线图 (b)相对载荷随时间变化的曲线图。
图6是(a)三种不同频率下得到的胀形管 (b)胀形管的胀形率和形状偏差率分布图。
图7是三种不同频率电脉冲条件下得到的环向壁厚分布图。
图8是较佳实例中的所用的低频脉冲示意图。
图9是f＝1/20Hz，t＝20s，td＝300ms的低频脉冲电流下密闭CP-Ti管的脉冲电流脉动加热气压胀形的胀形管。
具体实施方式
下面结合附图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。
本发明的一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置，其特征在于它包括高频脉冲电源、氩气增压***、绝缘模具、半圆状电极、压头。
绝缘模具由上模具(2)和下模具(7)组成，上模具(2)和下模具(7)分别置于待胀形管材(3)的上下两侧，待胀形管材(3)的胀形部分置于上模具(2)和下模具(7)形成的空腔中，待胀形管材(3)外壁与半圆状电极(12)接触，压头(1)封闭压紧绝缘模具和待胀形管材(3)，待胀形管材(3)两端用中空锥塞(6)配合上压环(4)和聚氨酯环(11)进行密封，一端与氩气增压***(10)连通，一端与截止阀(5)相连，半圆状电极(12)连接高频脉冲电源(9)，所述高频脉冲电源(9)、半圆状电极(12)和待胀形管材(3)形成通电回路。
半圆状电极(12)成对使用，分别嵌在上下模具上，当所述上模具(2)和下模具(7)在压头(1)作用下压紧时，半圆状电极组成圆形套在待胀形管材(3)上与之紧密接触，所述高频脉冲电源(9)提供低频脉冲电流通过半圆状电极(12)流过待胀形管材(3)，使之受热温度升高。
待胀形管材(3)两端用中空锥塞(6)配合上压环(4)和聚氨酯环(11)进行密封，一端与氩气增压***(10)连通，一端与截止阀(5)相连。
应用本发明中的装置进行难变形合金管的脉冲电流脉动加热气胀成形，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：预先用中空锥塞(6)配合上压环(4)和聚氨酯环(11)将待胀形管材(3)两端塞好，然后把待胀形管材(3)置于模具上压紧，连接好氩气增压***(10)和高频脉冲电源(9)；
步骤二：先进行充气，在管内压力达到设定值并稳定后，接通电源，高频脉冲电源(9)提供低频脉冲电流通过半圆状电极(12)流过待胀形管材(3)，管材变形部分在高温高压下发生膨胀变形，从而完成热气胀形过程。
本实施例中做了对比试验，分别在高频50HZ、中频1HZ、低频1/20HZ条件下进行实验，对比实验结果。
图5三种不同频率下得到的内压力和相对载荷随时间变化的曲线图。从图中可以看出，频率越高管子越快胀破，在低频脉冲条件下，管内压力和相对载荷都做周期性变化。
图6中(a)图是三种不同频率下得到的胀形管，(b)图是所得到的胀形管的胀形率和形状偏差率。从图中可以看出低频下得到的管子胀口小，胀形率大，尺寸偏差小，说明低频下管子的成形性能要优于高频和中频下。
图7是三种不同频率电脉冲条件下得到的环向壁厚分布图，图中显示低频下胀形管的壁环向厚分布要更为均匀。
在本发明的一个较佳实例中，是对外径为25mm，管壁厚为1mm，长度为118mm的密闭CP-Ti管的电脉冲辅助脉动热气胀形：
首先，使用的低频脉冲电流，电流频率为1/20Hz，脉冲周期是20s，脉宽是300ms；
然后，先接通电源，通电一段时间预热后，在第三个电脉冲脉宽过后向管内充入高压氩气，如图8所示，使内压力以0.05MPa/s的加载速率从0MPa开始加载，直至达到设定值。
最后，得到的胀形后的管件胀形均匀，胀形率达到60％，如图9所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置，其特征在于：如图1所示，包括高频脉冲电源、氩气增压***、绝缘模具、半圆状电极、压头。绝缘模具由上模具(2)和下模具(7)组成，上模具(2)和下模具(7)分别置于待胀形管材(3)的上下两侧，待胀形管材(3)的胀形部分置于上模具(2)和下模具(7)形成的空腔中，待胀形管材(3)外壁与半圆状电极(12)接触，压头(1)封闭压紧绝缘模具和待胀形管材(3)，待胀形管材(3)两端用中空锥塞(6)配合上压环(4)和聚氨酯环(11)进行密封，一端与氩气增压***(10)连通，一端与截止阀(5)相连，半圆状电极(12)连接高频脉冲电源(9)，所述高频脉冲电源(9)、半圆状电极(12)和待胀形管材(3)形成通电回路。
2.根据权利要求1所述的一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置，其特征在于所述半圆状电极(12)成对使用，分别嵌在上下模具上，当所述上模具(2)和下模具(7)在压头(1)作用下压紧时，半圆状电极组成圆形套在待胀形管材(3)上与之紧密接触，所述高频脉冲电源(9)提供低频脉冲电流通过半圆状电极(12)流过待胀形管材(3)，使之受热温度升高。
3.根据权利要求1所述的一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置，其特征在于待胀形管材(3)两端用中空锥塞(6)配合上压环(4)和聚氨酯环(11)进行密封，一端与氩气增压***(10)连通，一端与截止阀(5)相连。
4.应用权利要求1所述的装置进行难变形合金管的脉冲电流脉动加热气压成形，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：预先用中空锥塞(6)配合上压环(4)和聚氨酯环(11)将待胀形管材(3)两端塞好，然后把待胀形管材(3)置于模具上压紧，连接好氩气增压***(10)和高频脉冲电源(9)；
步骤二：先进行充气，在管内压力达到设定值并稳定后，接通电源，高频脉冲电源(9)提供低频脉冲电流通过半圆状电极(12)流过待胀形管材(3)，管材变形部分在高温高压下发生膨胀变形，从而完成热气胀形过程。
5.根据权利要求1所述的一种难变形合金管件的脉冲电流脉动加热气压成形装置，其特征在于，对于某些难加热金属需要先进行预热，预热之后再向管内充气使管内压力达到设定值，再接通电源。
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