CN114985652B - 一种十字轴等温多向热挤压成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十字轴等温多向热挤压成形方法及装置，采用有限元方法计算终成形状态的零件在合模后的热量扩散过程的温度场，获得热量扩散温度场梯度变化的等温线图；按锻件轴心纵向平行方向，选择与成形温度值相等的等温线，靠近等温线位置均匀布置加热棒，然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，建立等温挤压成形的温度条件；在接近模具型腔表面安装测温热电偶，通过测温***监测控制模具温度；对胚料进行等温多向挤压工艺，得到成形零件；通过传热学优化，优选的在成形零件轮廓与模具接触界面的热传导温度场中，寻找合适的等温线上布置加热棒，可以防止局部过热，又可以均衡的补充热能。

Description

一种十字轴等温多向热挤压成形方法及装置
技术领域
本发明涉及间隔棒技术领域，具体为一种十字轴等温多向热挤压成形方法及装置。
背景技术
间隔棒作为一种常用的电力器材，在输电线路上应用广泛。常规的阻尼间隔棒技术主要靠间隔棒各连接部位的缓冲材料实现，以降低***导线微风振动或次档距振动。间隔棒支架的十字轴承受振动扭转载荷，长期处于疲劳载荷下工作。十字轴的载荷来自于对偶橡胶元件的压缩与恢复的非线性特性，当过大的冲击载荷出现，或者由于长期运行橡胶块老化失去原有的物理性质，十字轴将遭受冲击破坏，导致间隔棒阻尼特性失效，成为潜在的线路事故原因。
用高强铝合金锻造可以提高十字轴的强韧性，但是现有的锻造方法成形精度不高，且材料利用率低。本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种等温多向挤压成形技术，在提高成形精度的同时，可以极大的降低了常规锻造的飞边及后期切削加工量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种十字轴等温多向热挤压成形方法及装置，通过传热学优化，优选的在成形零件轮廓与模具接触界面的热传导温度场中，寻找合适的等温线上布置加热棒，可以防止局部过热，又可以均衡的补充热能，还通过一次锻压-挤压复合挤压成形零件，金属材料利用率提高到90％以上，远高于常规锻压材料利用率45-65％水平，达到近净成形的先进技术水平，上述数据是通过实验数据得到的，解决了其复杂截面的成形性问题，且无大量锻造飞边、大大减少后续机械加工的成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种十字轴等温多向热挤压成形方法，包括以下步骤：
步骤S1，采用有限元方法计算终成形状态的零件在合模后的热量扩散过程的温度场，获得热量扩散温度场梯度变化的等温线图；
步骤S11，建立热传导方程，给定初始条件和边界条件；
步骤S12，按空间离散化；
步骤S13，按时间离散化；
步骤S14，线性化；
步骤S15，求解线性方程组；
步骤S16，非线性迭代是否收敛，如否，则跳转到步骤S14；
步骤S17，当前解是否已达到稳态，如否，下一时间步进入到步骤S13；
步骤S2，根据步骤S1计算得到温度场梯度变化的等温线图，按锻件轴心纵向平行方向，选择与成形温度值相等的等温线，靠近等温线位置均匀布置加热棒，然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，建立等温挤压成形的温度条件；
步骤S3，在接近模具型腔表面安装测温热电偶，通过测温***监测控制模具温度；
步骤S4，对胚料进行等温多向挤压工艺，得到成形零件；
1)下料，保持胚料端面平行度；
2)将胚料加热到始锻温度；
3)通过测温***监测模具温度，先控制加热棒将模具的上模块和下模块预热到低于成形温度的80-100℃；
4)将坯料水平放置到下模块中，并将上模块和下模块合模，再控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，使得容纳腔内建立等温挤压成形的温度条件，获得成形件的初始外轮廓形状；
5)模具两侧水平挤压冲头从两端挤压直到空连皮的规定位置，挤压出内孔，继续充填外轮廓和端头凸台，直到水平挤压冲头挤压合模完成；
6)模具两侧水平挤压冲头退回原位，上模块退回原位，取出成形零件。
优选的，在步骤S11中，根据傅里叶导热定律和能量守恒原理，计算得到笛卡尔坐标系中三维非稳态导热偏微分方程为：
Figure BDA0003679107580000021
其中：T表示物体的瞬时温度，T是坐标x，y，z和时间t的函数；t代表传热过程时间；λx、λy、λz分别表示材料在x，y，z三个坐标方向上的热导率；ρ为材料的密度；c为材料的比热容；Q表示单位时间内单位体积中内热源的生成热；x，y，z为笛卡尔坐标。
优选的，当材料为均质且各向同性，计算得到热传导方程为：
Figure BDA0003679107580000031
其中，α＝λ/ρc；α表示热扩散率，λ表示材料的热导率。
优选的，当对均质各向同性材料且无内部热源时，则计算得到热传导方程为：
Figure BDA0003679107580000032
优选的，当物体处于非稳态导热时的初始条件公式为：T(x，y，z，t)|t＝0＝f(x，y，z)。
优选的，当物体初始温度均匀分布时，初始条件公式为：T(x，y，z，t)|t＝0＝常数。
优选的，边界条件公式为：
Figure BDA0003679107580000033
其中，Ts表示固体表面温度，n为表示热传导的法矢量方向，h为模具外侧与周围流体的换热系数，Tf为周围流体温度。
优选的，在步骤S12中，首先，将求解域离散为有限个单元体，对每个单元体建立相应的变分方程，并将单元变分方程组合得到整体有限元方程组，写成矩阵的形式为：[C]{T′}+[K]{T}＝{Q}；
其中，[C]为比热矩阵；[K]为传导矩阵；{T}为节点温度列向量；{T’}为节点温度对时间的导数；{Q}为节点热流率列向量。
优选的，在步骤S13中，在时间域用等时间间隔Δt进行离散，则得到递推公式为：
Figure BDA0003679107580000034
其中，θ为加权系数，Tn是温度T被离散后，在不同时刻，从内向外的不同时刻的温度。
本发明还提供一种应用上述的十字轴挤压成形方法的装置，包括上模块、下模块、上模座、下模座、第一隔热垫板、第二隔热垫板、水平挤压冲头、加热棒、导线通道、楔器机构连接装置、测温***、等温线计算***，所述上模座固定于所述上模块上方，所述上模座与上模块之间设有第一隔热垫板，所述下模座固定于所述下模块下方，所述下模座与下模块之间设有第二隔热垫板，所述上模块位于下模块上方，所述上模块具有第一容纳腔，所述下模块具有第二容纳腔，所述第二容纳腔和所述第一容纳腔之间形成用于挤压胚料的容纳腔，所述容纳腔两侧的水平挤压冲头从两侧***容纳腔内，所述水平挤压冲头远离容纳腔的一端上设有楔器机构连接装置，所述上模块内设有多个导线通道，所述导线通道依次经过上模块、第一隔热垫板、上模座后引出，且所述导线通道内部安装测温热电偶，所述等温线计算***通过有限元方法并根据非规整曲面的等温场分析计算获得温度场梯度变化的等温线图，并根据等温线图选择靠近容纳腔的等温线的位置布置加热棒，然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，所述测温热电偶将采集到的温度信息传输给测温***，所述测温***通过控制器动态调整上下模块的温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将导热偏微分方程代表热传导现象规律与十字轴等温多向热挤压成形的导热问题的温度分布相融合，利用了表征该特定问题的一些定解条件，如初始条件和边界条件，来使上述导热偏微分方程和定解条件构成了一个具体导热问题的完整的数学描述，克服了数据融合，再对模具传热进行有限元模拟过程，对模具传热问题进行求解，从而得到模具瞬态温度场，这样计算方式得到的模具瞬态温度场的准确度非常高，可以解决多种复杂问题。
2、本发明通过选取靠近最接近模具型腔表面的等温线上布置加热棒实现对散失热能的补充，是等温挤压成形的工艺条件要求。采用了等温多向热挤压成形方法，可以使得模具(或者模块)保持足够温度，防止成形过程中温度过快的下降，导致材料的流动性降低，成形性差。从绿色制造，节能降耗的目的考虑，应该在保障成形温度的同时，又可以达到加热源的能耗最小的目的。
3、现有的十字轴的轴向截面变化大，一般的闭式挤压方法难以出模。本发明采用了等温成形工艺是将锻件毛坯放置在加热到变形温度的模具里进行较慢速变形,可避免普通模具的激冷,使锻件很容易成形,成形力仅为普通成形力的1/5～1/10,且成形件体内及表层温度均匀,变形均匀,流线合理,组织性能优良。
4、本发明还通过一次锻压-挤压复合挤压成形零件，金属材料利用率提高到90％以上，远高于常规锻压方法的材料利用率45-65％水平，达到近净成形的先进技术水平，上述数据是通过实验数据得到的，解决了其复杂截面的成形性问题，且无大量锻造飞边、大大减少后续机械加工的成本。
5、本发明为保证铝合金成形温度，防止坯料温度的过快下降，采用在模具上模块中布置加热棒和测温***，通过控制器动态调整上模块和下模块的温度。为保证温度稳定和模具结构的传导散热，在上下模块与模座之间布置了隔热垫。
6、本发明在靠近最接近模具型腔表面的等温线上布置加热棒，可以获得最佳补充热能效果。但是，当无法最大限度接近模具型腔的情况下，可以选择次优方案，在退一步的等温面上布置加热棒，也可以获得较好的模具强度和加热效率综合效果，为加工安装方便，按等效原理，可以将1支长加热棒改成2根短棒并从模具的两个端面安装和连线。
7、本发明通过传热学优化，优选的在成形零件轮廓与模具接触界面的热传导温度场中，寻找合适的等温线上布置加热棒，可以防止局部过热，又可以均衡的补充热能。通过适当提高加热元件的电源动态特性，可以实现用较少的加热元件，在获得持续稳定的补充热能的同时，又可以防止坯料、成形件进出模时，模块的温度剧烈变化而持续加大能耗。
8、本发明根据设定的物理和数学模型，应用有限元法求解十字轴等温多向热挤压成形的过程中，模具中的温度扩散过程，计算获得热源到模具外表面的温度场的等值线图。据此可以灵活而、快捷、准确的布置维持模具恒定温度的加热源(加热棒)的位置，解决了该类模具设计的难点，即获得相对合理的能耗补偿的同时又能够满足等温场温度稳定性。
9、本发明选取了最容易收敛的(初始条件和边界条件)，并且设定在均质材料(模具钢)内的传导，可以认为是各向同性的，因此不存在非线性迭代的困难。只要步长合理，可以快速实现获得较高的计算精度，，从而精确计算获得热源到模具外表面的温度场的等值线图，满足工程需要。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的十字轴等温多向热挤压成形方法的主要流程图；
图2为本发明的有限元求解模具瞬态温度场的流程图；
图3为本发明的十字轴横截面形状及温度扩散过程的等温线以及在等温线上均匀布置电阻加热棒的示意图；
图4为本发明的十字轴等温多向热挤压成形装置的结构示意图；
图5为本发明的十字轴等温多向热挤压成形装置的侧面示意图；
图6为本发明的坯料等温多向热挤压成形成十字轴过程示意图。
图中，1、成形零件；2、下模座；3、第一隔热垫板；4、下模块；5、水平挤压冲头；6、加热棒；7、上模块；8、第二隔热垫板；9、上模座；10、加热棒；11、导线通道；12、水平挤压冲头；13、楔器机构连接装置；1a-原坯料，1b-上下合模成形，1c-孔挤压成形，1d-挤压成形零件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
传统的方法是在成形件周边按几何均匀布置加热，这对规则曲面锻件的规整截面是有效的，但是在对于非规整曲面(例如十字轴)，仍然用几何均匀布置加热就有很大的问题：非规整曲面温度场的等温线，不是规整曲面，原有的方法已经不适用。例如，圆柱的截面的扩散温度场仍然是圆柱面，但是矩形柱面的截面温度场，就不是矩形面等温场；而本发明是在非规整曲面的非规整等温面上布置加热棒，才有合理的等速率加热，减少不均匀加热的能耗损失，提高能耗利用率。
实施例1
为了在模具合适的位置安装布置加热棒(电热元件)，本发明需要计算模具的温度场，通过优化选择合理的等温面，布置加热棒才能获得能耗平衡，以较小的输入热能，满足等温多向挤压成形的工艺要求。
基于此，本发明提供一种十字轴等温多向热挤压成形方法，如图1-3所示，包括以下步骤：
步骤S1，采用有限元方法计算终成形状态的零件在合模后的热量扩散过程的温度场，获得热量扩散温度场梯度变化的等温线图。
步骤S11，建立热传导方程，给定初始条件和边界条件。
(1)根据傅里叶导热定律和能量守恒原理，计算得到笛卡尔坐标系中三维非稳态导热偏微分方程为：
Figure BDA0003679107580000071
其中：T表示物体的瞬时温度，T是坐标x,y,z和时间t的函数,单位为℃；t代表传热过程时间，单位为S；λx、λy、λz分别表示材料在x,y,z三个坐标方向上的热导率，单位为W/(m·℃)；ρ为材料的密度，单位kg/m3；c为材料的比热容，单位J/(kg·℃)；Q表示单位时间内单位体积中内热源的生成热，单位W/m3；x,y,z为笛卡尔坐标，单位m。
设材料为均质且各向同性，计算得到热传导方程为：
Figure BDA0003679107580000081
Figure BDA0003679107580000082
其中，α＝λ/ρc；α表示热扩散率，λ表示材料的热导率。
当对均质各向同性材料且无内部热源时，则计算得到热传导方程为：
Figure BDA0003679107580000083
本发明为了将上述导热偏微分方程代表热传导现象规律与十字轴等温多向热挤压成形的导热问题的温度分布相融合，利用了表征该特定问题的一些定解条件，如初始条件和边界条件，来使上述导热偏微分方程和定解条件构成了一个具体导热问题的完整的数学描述。
(2)初始条件和边界条件。
1)初始条件；
初始条件即为当t＝0时物体内部的温度分布情况。
当物体处于非稳态导热时的初始条件公式为：T(x，y，z，t)|t＝0＝f(x，y，z)，(4)；
当物体初始温度均匀分布时，初始条件公式为：T(x，y，z，t)|t＝0＝常数，(5)；
2)边界条件
导热边界条件是指物体表面与周围环境或介质之间的相互热作用规律。导热问题的常见边界条件有多种类型，本发明利用模具外侧与周围流体(空气)的换热系数h和周围流体(空气)温度Tf来作为得到边界条件，边界条件公式为：
Figure BDA0003679107580000084
其中，Ts表示固体表面温度，n为表示热传导的法矢量方向，是从内(被挤压的铝合金零件--热源)向模具外表面与空气的交界方向传导。对物体处于非稳态导热时，(6)式中h和Tf均可为时间的已知函数。
采用有限元模拟，具有对不规则区域的适应性和计算精度高等优点，在热分析、结构分析、各种耦合场分析等领域得到了广泛应用，下面步骤S12-S17为对模具传热进行有限元模拟过程，通过模具传热问题进行求解，从而得到模具瞬态温度场。
步骤S12，按空间离散化；
首先，将求解域离散为有限个单元体，对每个单元体建立相应的变分方程，并将单元变分方程组合即得到整体有限元方程组，写成矩阵的形式为：[C]{T′}+[K]{T}＝{Q}，(7)；
式(7)中，[C]为比热矩阵，决定***内能的增加或减少；[K]为传导矩阵，包含热导率、对流系数、辐射率和形状参数；{T}为节点温度列向量；{T’}为节点温度对时间的导数；{Q}为节点热流率列向量，包含热生成。
步骤S13，按时间离散化；
对式(7)在时间域用等时间间隔Δt进行离散，则可得到如下递推公式：
Figure BDA0003679107580000091
式(8)中，θ为加权系数，Tn是温度T被离散后，在不同时刻，从内向外(模具表面)的不同时刻的温度。因为具有传导方向性，因此仍然用矢量n做方向标注。
步骤S14，线性化；
将节点温度列向量{Tn}设置为给定的初值{To}，进行线性化处理；
步骤S15，求解线性方程组；
利用给定的初值{To}，对递推公式(8)进行求解；
步骤S16，非线性迭代是否收敛，如否则跳转到步骤S14；
步骤S17，当前解是否已达到稳态，如否，下一时间步进入到步骤S13；
最终得到空间域内所有节点在任意时刻的温度分布，通过后处理绘制温度场的等值线(面)图；
步骤S2，根据步骤S1计算得到温度场梯度变化的等温线图，按锻件轴心纵向平行方向，选择与成形温度值相等的等温线，靠近等温线位置均匀布置加热棒，然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，建立等温挤压成形的温度条件；
步骤S3，在接近模具型腔表面安装测温热电偶，通过测温***监测控制模具温度；
步骤S4，对胚料进行等温多向挤压工艺，得到成形零件；
1)下料，保持胚料端面平行度；
2)将胚料加热到始锻温度；
3)通过测温***监测模具温度，并先控制加热棒将模具的上模块和下模块预热到低于成形温度的80-100℃；
4)将坯料水平放置到下模块中，并将上模块和下模块合模，在控制加热棒温度等于其位置所处等温线温度，使得容纳腔内建立等温挤压成形的温度条件，获得成形件的初始外轮廓形状；
5)模具两侧水平挤压冲头从两端挤压直到空连皮的规定位置，挤压出内孔，继续充填外轮廓和端头凸台，直到水平挤压冲头挤压合模完成；
6)模具两侧水平挤压冲头退回原位，上模块退回原位，取出成形零件。
本发明选取零件轴向横切面的温度计算结果。最接近锻件的是始锻温度的等温线，不同等温线代表温度扩散到不同区域的温度，代表不同的等温线即等温面的截面线。可见随着温度的扩散路径，温度场等温线与锻件的外轮廓形状是逐渐变化的。选择等温线布置加热棒，加热棒的控制温度应接近其所在位置的等温线温度。
在模块空间、壁厚强度要求，以及锻件轮廓变化许可的情况下，加热棒要靠近最接近模具型腔表面的等温面上布置加热棒，可以获得最佳补充热能效果。但是，当无法过于接近模具型腔的情况下，可以选择次优方案，在退一步的等温面上布置加热棒，获得较好的模具强度和加热效率综合效果。为加工安装方便，按等效原理，可以将1支长加热棒改成2根短棒(6、10)。
本发明为保证温度稳定和模具结构的传导散热，在上模块(下模块)与上模座(下模座)之间布置了隔热垫。
本发明采用了等温多向热挤压成形方法，使得模具(或者模块)保持足够温度，防止成形过程中温度过快的下降，导致材料的流动性降低，成形性差。通过选取靠近最接近模具型腔表面的等温线上布置加热棒实现对散失热能的补充，是等温挤压成形的工艺条件要求。从绿色制造，节能降耗的目的考虑，应该在保障成形温度的同时，又可以达到加热源的能耗最小的目的。
实施例2
本发明还提供一种十字轴等温多向热挤压成形装置，如图4-6所示，包括上模块7、下模块4、上模座9、下模座2、第一隔热垫板3、第二隔热垫板8、水平挤压冲头5、加热棒6、导线通道、楔器机构连接装置13、测温***(图未画出)、等温线计算***(图未画出)，上模座9固定于上模块7上方，上模座9与上模块7之间设有第一隔热垫板3，下模座2固定于下模块4下方，下模座2与下模块4之间设有第二隔热垫板8，设置第一隔热垫板3和第二隔热垫板8的目的在于保证温度稳定和模具结构的传导散热，上模块7位于下模块4上方，上模块7具有第一容纳腔，下模块4具有第二容纳腔，第二容纳腔和第一容纳腔之间形成用于挤压胚料的容纳腔，容纳腔两侧的水平挤压冲头(5和12)从两侧***容纳腔内，水平挤压冲头5远离容纳腔的一端上设有楔器机构连接装置13，楔器机构连接装置13为导向斜滑块装置，通过楔器机构连接装置13推动水平挤压冲头5挤压，或者回程方向拉出回位，上模块7内设有多个导线通道11，导线通道依次经过上模块7、第一隔热垫板3、上模座9后引出，且导线通道内部安装测温热电偶。
典型铝合金十字轴的材料为6082，锻造后的机械特性为：抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥300MPa，延伸率≥10％，硬度要求大于95HB。
铝合金十字轴零件是非规整曲面零件，外轮廓有很大的凸凹尺寸差距，成形过程中，合模后的坯料向模具的温度扩散过程，可以计算温度变化的等温面前锋的变化，以及温度场的变化，由接近锻件轮廓面的等温面曲度变化最大，到逐步向外扩散过程中，温度场的等温面曲度逐渐平缓，直到模具的外壁接近室温。
工作原理：等温线计算***通过有限元方法并根据非规整曲面的等温场分析计算获得温度场梯度变化的等温线图。
采用有限元方法计算锻件在合模后，坯料的温度从始锻温度(考虑输送过程的降温，坯料温度略低于加热出炉温度Ts，)扩散到模具中，模具的外壁温度为室温Tr(Tr＝350℃)，根据合模时间设定冷却时间Tc秒(Tc＝2)。
选取零件轴向横切面的温度计算结果。最接近锻件的是始锻温度的等温线，不同等温线代表温度扩散到不同区域的温度，代表不同的等温线即等温面的截面线。可见随着温度的扩散路径，温度场等温线与锻件的外轮廓形状是逐渐变化的。选择等温线布置加热棒，加热棒的控制温度应接近等温线温度。
在模块空间、壁厚强度要求，以及锻件轮廓变化许可的情况下，根据等温线图选择最靠近容纳腔的等温线上均匀布置加热棒，可以获得最佳补充热能效果。但是，当无法过于接近模具型腔的情况下，可以选择次优方案，在退一步的等温面上布置加热棒，获得较好的模具强度和加热效率综合效果。为加工安装方便，按等效原理，可以将1支长加热棒改成2根短棒(6,10)，如在350℃线上布置直径12mm加热棒8支。
然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，测温热电偶将采集到的温度信息传输给测温***，测温***通过控制器动态调整上下模块的温度，利用测温热电偶防止热电偶自身过热损坏的电阻加热棒。
下面举例来说明胚料进行等温多向挤压工艺过程：
1)精确棒料切割下料,见图6中的1a；2)加热到始锻温度Ts＝480±10℃(考虑输送过程的降温，坯料温度可以设置为450℃，坯料温度略低于加热出炉温度Ts，Ts＝480±10℃)，保温2h；3)模具温度预热到350±10℃(模具的外壁温度为350℃)；4)坯料置于卧放在下模中，合模成形,见图6中的1b；5)水平挤压冲头相向挤压(水平挤压速度为2.0～2.5mm/Sec，采用水基石墨润滑剂喷涂满足润滑条件)，直到水平合模,见图6中的1c；6)水平挤压冲头回程退出；7)上模块开模回程；8)人工或机械手取出成品，见图6中的1d；9)向模内喷涂润滑剂；10)进行下一个工作循环。
坯料重量为0.133kg,等体积成形后重量基本不变，进行机械切削加工孔后，重量为0.122kg,材料利用率为92％。
需要说明的是，上述数值示例并不是为了限制本发明的范围，只是为了更好的解释本发明的工作原理，上述数值可以根据现场情况来选定。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1. 一种十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于： 包括以下步骤：
步骤S1，采用有限元方法计算终成形状态的零件在合模后的热量扩散过程的温度场，获得热量扩散温度场梯度变化的等温线图；
步骤S11，建立热传导方程，给定初始条件和边界条件；
根据傅里叶导热定律和能量守恒原理，计算得到笛卡尔坐标系中三维非稳态导热偏微分方程为：；
其中：T 表示物体的瞬时温度，T是坐标 x, y, z 和时间 t 的函数；t代表传热过程时间；λx、λy、λz分别表示材料在 x, y, z 三个坐标方向上的热导率；ρ为材料的密度；c 为材料的比热容；Q 表示单位时间内单位体积中内热源的生成热；x, y, z 为笛卡尔坐标；
当材料为均质且各向同性，计算得到热传导方程为：
；
其中，α = λ/ρc；α表示热扩散率，λ表示材料的热导率；
步骤S12，按空间离散化；
步骤S13，按时间离散化；
步骤S14，线性化；
步骤S15，求解线性方程组；
步骤S16，非线性迭代是否收敛，如否，则跳转到步骤S14；
步骤S17，当前解是否已达到稳态，如否，下一时间步进入到步骤S13；
步骤S2，根据步骤S1计算得到温度场梯度变化的等温线图，按锻件轴心纵向平行方向，选择与成形温度值相等的等温线，靠近等温线位置均匀布置加热棒，然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，建立等温挤压成形的温度条件；
步骤S3，在接近模具型腔表面安装测温热电偶，通过测温***监测控制模具温度；
步骤S4，对坯料进行等温多向挤压工艺，得到成形零件；
1）下料，保持坯料端面平行度；
2）将坯料加热到始锻温度；
3）通过测温***监测模具温度，先控制加热棒将模具的上模块和下模块预热到低于成形温度的80～100℃；
4）将坯料水平放置到下模块中，并将上模块和下模块合模，再控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，使得容纳腔内建立等温挤压成形的温度条件，获得成形件的初始外轮廓形状；
5）模具两侧水平挤压冲头从两端挤压直到空连皮的规定位置，挤压出内孔，继续充填外轮廓和端头凸台，直到水平挤压冲头挤压合模完成；
6）模具两侧水平挤压冲头退回原位，上模块退回原位，取出成形零件。
2. 根据权利要求1所述的十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于：当对均质各向同性材料且无内部热源时，则计算得到热传导方程为： 。
3.根据权利要求1所述的十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于：当物体处于非稳态导热时的初始条件公式为：。
4.根据权利要求1所述的十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于：当物体初始温度均匀分布时，初始条件公式为：。
5. 根据权利要求1所述的十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于：边界条件公式为：；其中，Ts表示固体表面温度，n 为热传导的法矢量方向，h为模具外侧与周围流体的换热系数，Tf为周围流体温度。
6. 根据权利要求1所述的十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于： 在步骤S12中，首先，将求解域离散为有限个单元体，对每个单元体建立相应的变分方程，并将单元变分方程组合得到整体有限元方程组，写成矩阵的形式为：；
其中，[C]为比热矩阵；[K] 为传导矩阵；{ T }为节点温度列向量；{ T’ }为节点温度对时间的导数；{Q}为节点热流率列向量。
7. 根据权利要求6所述的十字轴等温多向热挤压成形方法，其特征在于： 在步骤S13中，在时间域用等时间间隔 Δt 进行离散，则得到递推公式为：；其中，θ为加权系数，Tn是温度T被离散后，在不同时刻，从内向外的不同时刻的温度。
8.一种应用如权利要求1-7任一项所述的十字轴等温多向热挤压成形方法的装置，其特征在于，包括上模块、下模块、上模座、下模座、第一隔热垫板、第二隔热垫板、水平挤压冲头、加热棒、导线通道、楔器机构连接装置、测温***、等温线计算***，所述上模座固定于所述上模块上方，所述上模座与上模块之间设有第一隔热垫板，所述下模座固定于所述下模块下方，所述下模座与下模块之间设有第二隔热垫板，所述上模块位于下模块上方，所述上模块具有第一容纳腔，所述下模块具有第二容纳腔，所述第二容纳腔和所述第一容纳腔之间形成用于挤压坯料的容纳腔，所述容纳腔两侧的水平挤压冲头从两侧***容纳腔内，所述水平挤压冲头远离容纳腔的一端上设有楔器机构连接装置，所述上模块内设有多个导线通道，所述导线通道依次经过上模块、第一隔热垫板、上模座后引出，且所述导线通道内部安装测温热电偶，所述等温线计算***通过有限元方法并根据非规整曲面的等温场分析计算获得温度场梯度变化的等温线图，并根据等温线图选择靠近容纳腔的等温线的位置布置加热棒，然后控制加热棒的温度等于其位置所处等温线温度，所述测温热电偶将采集到的温度信息传输给测温***，所述测温***通过控制器动态调整上下模块的温度。
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