CN110695157B - 钛合金薄壁管急弯精确加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金薄壁管急弯方法，通过预变形模具将圆管毛坯压至具有近椭圆形截面的管坯；再在弯曲模具中将管坯弯曲；最后将弯管半成品置于恢复模具中，合模并通入压缩空气，使压扁的管坯恢复圆形截面。本发明能够显著减小管子弯曲部位抗弯刚度，极大改善了圆截面弯管应力‑应变状态，消除了缺陷形成；再将弯曲件置于模具中，通入压缩空气，恢复圆截面，最终获得急弯管件形状。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种材料加工领域的技术，具体是一种钛合金薄壁管急弯精确加工方法。
背景技术
管材不仅用于各种管道和框架结构，还被制成复杂空心变截面构件，用于替代汽车、航空航天领域的传统冲压-焊接结构件，减轻结构质量，提高结构件刚度和强度，应用范围越来越广。但是，现行管道弯曲方法存在很多缺点，尤其薄壁管，必须充填料(芯棒、型心、弹性介质等等)以预防管坯失稳，保持管道圆截面，这将导致工艺装备复杂。传统的弯曲方法，管坯外侧拉伸材料伸长约140％造成纤维破裂，而管坯内侧材料压缩约59％，造成纤维压缩一侧失稳产生折叠，还会使管坯通道截面畸变。在管子弯曲过程中，截面抗弯刚度E·J，即弹性模量E与截面惯性矩J的乘积对管子弯曲时应力-应变状态起关键作用，可见，改变弯曲管子截面形状，可以改善管子弯曲刚度，即改善管子弯曲时应力-应变状态。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种钛合金薄壁管急弯精确加工方法，通过管坯弯曲段预压扁后再弯曲，改变管坯弯曲截面形状，显著减小管子弯曲部位抗弯刚度，极大改善了圆截面弯管时应力-应变状态，消除了缺陷形成；再将弯曲件置于模具中，通入压缩空气，恢复圆截面，最终获得急弯管件形状。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种钛合金薄壁管急弯精确加工方法，通过预变形模具将圆管毛坯压至具有近椭圆形截面的管坯；再在弯曲模具中将管坯弯曲；最后将弯管半成品置于恢复模具中，合模并通入压缩空气，使压扁的管坯恢复圆形截面。
所述的预变形模具包括：上半模和下半模，其中：上半模设置于下半模上并且相匹配。
所述的恢复模具包括：用于放置毛坯的凹模、用于封堵毛坯两端的堵头以及恢复凸模，其中：凹模和恢复凸模中设有1/2半圆型槽。
所述的1/2半圆型槽的内半径r＝16mm，型槽内圆周距中心为R-r＝35mm，外圆离中心距离为R+r＝67mm。
所述的将弯管半成品置于恢复模具是指：将弯曲后的管坯的近椭圆形截面置于恢复模具内，待合模后将管坯两端依次设置封口堵头并从一端向管坯内通入压缩空气，使管坯恢复圆截面或需要的截面形状。
技术效果
由于大幅度减少管坯弯曲时惯性矩(对于φ30×1.5mm管坯，其惯性矩约为圆截面的 1/14)，本发明极大优化了管坯成形时应力-应变状态，消除了弯曲时管坯外裂内皱通病，大幅度提高管坯弯后尺寸精度、质量和生产效率。同时本发明简化了弯曲工装，保证弯曲部位有精准长度，管坯弯曲部位预压扁理论和实验研究证明基本吻合。
附图说明
图1为实施例中变形工步略图；
图中：a为置于压扁模具中管坯原始状态；b为压扁状态；c为压扁前后比较示意图；d 为近椭圆部分截面计算惯性矩示意图；图 1 中的 a) ，圆截面管毛坯1、上半模2、下半模3、图 1 中的 b) ，具有近椭圆形截面的管坯4；
图2为实施例中管坯弯曲工步略图；
图2中：弯曲模具5、弯管半成品6；
图3为实施例中管坯恢复工步略图，
图中：封口堵头7、恢复凸模8、凹模9、恢复坯10、导柱11；
图4为实施例中计算应力-应变状态略图；
图5为实施例中模具和压扁件几何参数图解；
图6为实施例中对预压扁管各种形状截面沿着近椭圆环形件流动半径壁厚分布图；
其中：—为理论曲线；●为实验曲线；
具体实施方式
本实施例涉及的钛合金薄壁管急弯精确加工方法，如图 1 中的 a) 所示，圆截面管毛坯1为钛合金TA16管φ30×1.5mm为毛坯，在YDZ-D315液压机上装上模具，其中包含以下步骤：
步骤1、通过预变形模具将圆截面管图1毛坯1压扁到如图 1 中的 c) 中B-B截面所示的具有近椭圆形截面的管坯4， 图 1 中的 b) ，其长轴为20mm，短轴为近10mm；
如图 1 中的 a) 、 b) 所示，所述的预变形模具包括：上半模2、下半模3，其中：上半模2设置于下半模3上并且相匹配。
如图 1 中的 d) 所示，为近椭圆形截面，其中a＝10、a1＝8.5、2b＝10、b＝5、b1＝3.5。
步骤2、在弯管机上按照需求尺寸在图2所示的弯曲模具5中弯曲管坯，由于管坯圆截面变成近椭圆截面，管坯抗弯模量大幅度减小约为圆截面1/14，不会发生弯曲部位外圆撕裂，内圆也不会因压缩而失稳；
步骤3、将具有近椭圆形截面弯曲后的弯管半成品6置于图3恢复模具中，通过压力机滑块合模并通入压力为80MPa压缩空气在常温下保压1分钟，使压扁的管坯恢复原来直径。
如图3所示，所述的恢复模具包括：用于放置毛坯的对称结构的凹模9、设置于弯管半成品6两端的封口堵头7以及恢复凸模8。
所述的恢复凸模8和凹模9中设有1/2半圆型槽，其内半径r＝16mm；型槽内圆周距中心为R-r＝51-16＝35mm，外圆周离中心距离为R+r＝51+16＝67mm。
如图4所示，在不考虑接触摩擦力条件下根据零件壁厚分布确定管坯的应力-应变状态满足：
其中：s为金属流动瞬间壁厚值，ρ为金属流动瞬间的壁厚处到对称轴半径，σs为材料流动应力，
A，n为材料常数，D＝2σm—σθ+B(2σθ—σm)，σm和σθ分别为子午线上和圆周应力：
B为圆周应力与子午线上应力之比，
εn和εθ对应壁厚和圆周方向变形，εi为变形强度。
根据微分方程积分给出原始壁厚S0＝1.5mm预弯管变形，材料硬化指标n＝0.2～0.4；通过应力-应变状态结果确定，管坯(弯管)越是靠近模具对称轴，在变形区域获得零件厚度及厚度差变化越小，如图5所示。
如图6所示，为初始直径φ30mm压扁后管的各种形状截面，沿着零件流动半径壁厚理论分布，图中曲线Ⅰ对应左下角预弯管截面，曲线Ⅱ对应右下方预弯管截面，曲线Ⅲ对应右上方预弯管截面。
获得压扁后半成品坯料如图4所示，尺寸为Rc＝35mm，rc＝16～18mm。
如图6所示，计算结果与试验结果基本吻合，变形和力的参数计算误差分别不超过15％和20％。
本实施例模具尺寸为：工作表面R＝51mm，2r＝32mm，R+r＝67mm，R-r＝35mm。制备得到的预压扁椭圆长轴外径为20mm，短轴外径为近10mm。
如图 1 中的 d) 所示，椭圆形截面中的尺寸具体为2a＝20、a＝10、a1＝8.5、2b＝10、b＝5、b1＝3.5，因对X轴为对称轴弯曲，故只需计算惯性矩Jx。
惯性矩压扁前是压扁后倍数：J/Jx＝13673.7÷948.07＝14.42，其中13673.7为如图 1 中的 a) 中所示管坯圆环截面(内外径分别为D＝30mm，d＝27mm)下的惯性矩。
综上，本方法大幅度减小管坯弯曲时抗弯模量，压扁后椭圆截面惯性矩仅为圆截面约 1/14，极大改善管坯弯曲时应力-应变状态，消除了现行管坯弯曲时外裂内皱通病，减小管坯因弯曲壁厚变薄或增厚量，大幅度提高管坯弯后尺寸精度和质量，因弯曲时不必充填充料，利于自动线生产。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (3)
1.一种钛合金薄壁管急弯精确加工方法，其特征在于，通过预变形模具将圆管毛坯压至具有近椭圆形截面的管坯；再在弯曲模具中将管坯弯曲；最后将弯管半成品置于恢复模具中，合模并通入压缩空气，即将弯曲后的管坯的近椭圆形截面置于恢复模具内通入压缩空气恢复到原截面，使压扁的管坯恢复圆形截面；
所述的预变形模具包括：上半模和下半模，其中：将要压扁管坯置于预变形模具中，使得应力和应变在纵向弯曲阶段得到大幅度改善，使得在弯曲过程中截面抗弯刚度EJ较圆截面大幅度减少，其中：E为弹性模量，J为截面惯性矩；
所述的恢复模具包括：用于放置毛坯的凹模、用于封堵毛坯两端的堵头以及凸模，其中：凹模及凸模中设有1/2半圆型槽；
所述的预变形模具的上半模和下半模中管坯壁厚分布确定管坯的应力-应变状态满足：
其中：s为金属流动瞬时壁厚，ρ为管坯瞬时壁厚处到对称轴半径，σs为材料流动应力，
A，n为材料常数，D＝2σm—σθ+B(2σθ—σm)，σm和σθ分别为子午线上和圆周应力：
B为圆周应力与子午线上应力之比，
εn和εθ对应壁厚和圆周方向变形，εi为变形强度。
2.根据权利要求1所述的钛合金薄壁管急弯精确加工方法，其特征是，所述的1/2半圆型槽的外半径R＝51mm，内半径r＝16mm。
3.根据权利要求1所述的钛合金薄壁管急弯精确加工方法，其特征是，所述的合模并通入压缩空气是指：将弯管半成品置于恢复模具中，通过压力机滑块合模并通入压力为80MPa压缩空气并在常温下保压1分钟，使压扁的管坯恢复原来直径。
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