專利名稱：一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝及加工方法，用于鈦合金、鎂合金、高強(qiáng)鋼等常溫難成形材料的熱成形，尤其適用于鈦合金熱成形，屬于熱加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦合金材料具有高比強(qiáng)度、高極限強(qiáng)度、以及具有和復(fù)合材料優(yōu)良的冶金學(xué)方面的相容協(xié)調(diào)特性，電偶腐蝕小，因此，大型鈦合金薄壁件是航空航天領(lǐng)域耐高溫、長壽命要求優(yōu)先采用的先進(jìn)輕量化高效結(jié)構(gòu)元件，但是其精確成形難度大、過程復(fù)雜，通常采用熱成形。如果采用傳統(tǒng)的坯料加熱方法，如火焰加熱、噴燈加熱、加熱爐加熱坯料等，則薄壁件的散熱速度快，溫度不均勻，成形質(zhì)量不穩(wěn)定；采用模具整體加熱即將模具和坯料一起放入加熱爐內(nèi)部進(jìn)行加熱，可以提高成形質(zhì)量，但是，一般情況下，模具體積遠(yuǎn)大于待成形薄壁坯料的體積，絕大部分的熱量加在了模具上。據(jù)估計，在熱成形中，有超過80%的熱量消耗在模具、壓邊圈、爐體等非成形部件上；對于超塑成形，這一數(shù)據(jù)則達(dá)到95%，因此，傳統(tǒng)熱成形工藝中，熱量的有效利用率很低，造成了極大的能源浪費(fèi)。而且在傳統(tǒng)熱成形工藝的加熱過程中，模具與坯料接收熱量的方式主要是熱輻射和熱傳導(dǎo)，熱量傳輸速度慢，如采用將模具和坯料一起放入加熱爐內(nèi)部進(jìn)行加熱，則爐體升溫速率在100 150°C /h，加熱時間長， 并且根據(jù)工藝不同，加熱時間一般在1 n(n> 1)小時，因此這種加熱方法的熱效率低，生產(chǎn)效率也很低，難以適應(yīng)鈦合金薄壁零件小批量、迅捷生產(chǎn)的發(fā)展需求。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明目的是為了解決對鈦合金薄壁件進(jìn)行熱成形時，如只加熱坯料，則薄板件的成形質(zhì)量差；如連同模具一起加熱，則熱量利用率低，浪費(fèi)了大量的能源；如加熱坯料在高溫保持時間過長，則氧化加劇的問題，而提供一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝及加工方法。它是一種通電自阻加熱拉伸成形鈦合金薄壁零件的熱成形工裝及成形方法。2、技術(shù)方案(1)本發(fā)明一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，它由拉伸設(shè)備、模具裝置、坯料、電源系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)五個部分組成，它們之間的位置連接關(guān)系為將模具裝置放置在拉伸設(shè)備的中央工作臺上，將坯料穿過模具裝置的側(cè)壁夾縫，采用絕熱絕緣墊層使坯料和拉伸設(shè)備夾鉗、模具表面及其工裝絕緣，開通電源系統(tǒng)，給電極夾板通電，在坯料內(nèi)產(chǎn)生電流，加熱坯料，依靠溫度控制系統(tǒng)測量、控制坯料溫度，待坯料達(dá)到目標(biāo)溫度后，拉伸設(shè)備通過拉伸-包覆-拉伸-保溫蠕變等熱成形工藝使坯料貼合模具表面成形出合格零件。1)拉伸設(shè)備，作為航空業(yè)眾所周知的一種成形設(shè)備，一般分為拉形機(jī)、拉彎機(jī)，所述拉伸設(shè)備是立式結(jié)構(gòu)100噸數(shù)控拉伸機(jī)，由床身、擺動臂、夾鉗和工作臺組成，床身左右對稱，工作臺在床身中央位置，床身兩側(cè)各有一對平行的導(dǎo)軌，通過滑塊使床身、擺動臂連接在一起，擺動臂是拉伸機(jī)的主要運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸、彎曲、補(bǔ)拉等運(yùn)動方式，實(shí)現(xiàn)對鈦合金薄壁零件成形。
2)模具裝置，具體包括上保溫箱、下保溫箱、模具、模具墊塊、絕緣墊板、墊板，它們之間的位置連接關(guān)系為模具、模具墊塊、絕緣墊板和墊板依次從上到下放置在下保溫箱內(nèi)，上保溫箱和下保溫箱通過螺栓螺母結(jié)構(gòu)連接固定，利用上保溫箱的手柄、和下保溫箱的托架可以開啟、閉合模具裝置；該上保溫箱采用矩形中空殼體結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩層，外層為耐熱鋼板制作的上保溫箱外殼，起固定支撐保溫層作用，內(nèi)層是保溫層，材料為真空纖維，主要成分為三氧化二鋁，起隔熱保溫作用；其中，該上保溫箱包括上保溫箱外殼、上保溫箱保溫層、上保溫箱保溫層固定板、滑軌槽、手柄、定位器，其間關(guān)系為上保溫箱保溫層固定板直立在上保溫箱外殼與上保溫箱保溫層之間，滑軌槽設(shè)置在上保溫箱四周并與上保溫箱外殼連接，定位器位于上保溫箱外殼中部兩側(cè)，用于松、緊上保溫箱內(nèi)可在滑軌槽里滑動的側(cè)壁；手柄位于上保溫箱外殼前部中間位置；該上保溫箱外殼是金屬箱體式結(jié)構(gòu)；該上保溫箱保溫層是矩形實(shí)體真空纖維，起保溫作用；該上保溫箱保溫層固定板是金屬L形板料； 該滑軌槽是金屬槽鋼結(jié)構(gòu)；該手柄是U形鋼板做成的把手，用于開啟、閉合上保溫箱；該下保溫箱包括下保溫箱保溫層、下保溫箱保溫層固定板、下保溫箱外殼、彈簧、固定立柱、側(cè)擋板、絕緣墊層、模具、模具墊塊、絕緣墊板、墊板、模具加熱孔、觀察孔、滑軌槽、托架；其位置連接關(guān)系為模具、模具墊塊、絕緣墊板、墊板依次從上到下放置在下保溫箱外殼內(nèi)，模具加熱孔設(shè)置在模具上并能插入電加熱棒，觀察孔設(shè)置在下保溫箱外殼上，滑軌槽設(shè)置在下保溫箱四周并與下保溫箱外殼連接，彈簧、固定立柱位于下保溫箱外殼與側(cè)擋板之間并夾在下保溫箱保溫層固定板和墊板中間，托架與下保溫箱外殼固連；該下保溫箱保溫層是矩形實(shí)體真空纖維，起保溫作用；該下保溫箱保溫層固定板是金屬凹形板料；該下保溫箱外殼是金屬箱體式結(jié)構(gòu)；該彈簧為市購壓簧；該固定立柱是圓柱形結(jié)構(gòu)；該側(cè)擋板是金屬矩形板料；該絕緣墊層是實(shí)現(xiàn)坯料和拉伸設(shè)備、模具裝置的電絕緣。該模具是單曲率拉伸模， 模具表面為坯料成形時所用的工作面并按圖紙和工藝需要自制的金屬模；該模具墊塊是是長方體結(jié)構(gòu)，鑄鋼材質(zhì)，為減輕結(jié)構(gòu)重量，開設(shè)有減重孔，起支撐模具作用；該絕緣墊板是實(shí)體絕緣膠木，使模具和下保溫箱絕緣；該墊板是矩形實(shí)體耐熱鋼板，起固定下保溫箱、模具元件的作用；該滑軌槽是金屬槽鋼結(jié)構(gòu)；該托架是金屬角鋼結(jié)構(gòu)。上、下保溫箱按圖4所示， 通過螺栓螺母結(jié)構(gòu)連接固定，利用手柄、托架可以開啟、閉合模具裝置，見圖3、圖6，實(shí)現(xiàn)放入坯料或拿出成形零件，絕緣墊板隔離模具和下保溫箱，實(shí)現(xiàn)電絕緣，模具加熱孔可以插入電加熱棒，根據(jù)實(shí)際需要，決定是否通電加熱模具。3)坯料，成形所用的鈦合金薄壁坯料，可以為鈦合金板材、型材等薄壁坯料，在所述工裝系統(tǒng)，可以通電自阻加熱。4)電源系統(tǒng)，總體功率36KW，包括380V電源連接在變壓器上，變?yōu)榈蛪海儆蓪?dǎo)線連接變壓器輸出端和電極夾板，通過控制開關(guān)，給坯料通、斷電。5)溫度控制系統(tǒng)，包括熱電偶測量坯料溫度，根據(jù)溫度反饋信號，采用PLC單片機(jī)閉環(huán)控制電源電流，進(jìn)而控制坯料溫度，在整個成形周期內(nèi)溫度控制系統(tǒng)是自動可編程控制的。本發(fā)明的工作程序如下將模具裝置放置在拉伸設(shè)備中央的工作臺上，將坯料穿過模具裝置的側(cè)壁夾縫，采用絕緣絕熱墊層使坯料和拉伸設(shè)備夾鉗、模具表面及其工裝絕緣，開通電源系統(tǒng)，給電極夾板通電，在坯料內(nèi)產(chǎn)生電流，加熱坯料，依靠溫度控制系統(tǒng)測量、控制坯料溫度，待坯料達(dá)到目標(biāo)溫度后，拉伸設(shè)備通過拉伸-包覆-拉伸-保溫蠕變等熱成形工藝使坯料貼合模具表面成形出合格零件。其中，所述的坯料為板材時，拉伸設(shè)備是數(shù)控拉形機(jī)；坯料為型材時，拉伸設(shè)備是數(shù)控拉彎機(jī)。其中，所述絕緣墊層為石棉布、云母片、陶瓷纖維氈或石棉橡膠板等材料；其中，所述電源系統(tǒng)的工作參數(shù)為電壓為3V 36V、電流為500A 5000A;其中，所述溫度控制系統(tǒng)控制坯料的溫度為600°C 750°C ；其中，所述彈簧的型號規(guī)格為2X20D1X160 ；其中，所述模具的材料為NI7N。(2)本發(fā)明一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝的加工方法，該方法具體步驟如下步驟一、將模具裝置放置于拉伸成形設(shè)備的工作臺上，將絕緣墊層放置在拉伸設(shè)備的夾鉗內(nèi)隔離絕緣坯料；步驟二、通電加熱電極夾板夾緊待成形坯料，采用變壓器將380V高壓變?yōu)?V 36V的安全電壓后給電極夾板通電，產(chǎn)生電流，對待成形坯料加熱；步驟三、通過熱電偶實(shí)時測量坯料的溫度，并實(shí)時調(diào)整電源系統(tǒng)的輸出電壓，使坯料的加熱速率達(dá)到5 25°C /s，此時，電源系統(tǒng)輸出的電壓電流參數(shù)分別為電壓為3V 36V、電流為 500A 5000A ；步驟四、當(dāng)坯料的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度600°C 750°C時，在此溫度下拉伸設(shè)備的夾鉗夾緊坯料，以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/S進(jìn)行預(yù)拉伸，直至預(yù)應(yīng)變范圍為0. 1 4%;步驟五、預(yù)拉伸達(dá)到預(yù)應(yīng)變后，拉伸設(shè)備的工作臺帶動模具裝置上移，在目標(biāo)溫度 600°C 750°C下以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/S對坯料進(jìn)行包覆成形，直至完全貼合模且.
Z、 9步驟六、坯料貼合模具后，在目標(biāo)溫度600°C 750°C下以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/S對坯料進(jìn)行補(bǔ)拉，直至終應(yīng)變范圍為0. 1 8% ；步驟七、坯料在貼模、保持目標(biāo)溫度、終應(yīng)變條件下，保溫5 lOOMin，使坯料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力松弛，實(shí)現(xiàn)蠕變成形；步驟八、切斷電源系統(tǒng)，停止對坯料供電，待冷卻后取下成形零件，加工結(jié)束。所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，該坯料為板材時，拉伸設(shè)備是數(shù)控拉形機(jī)；坯料為型材時，拉伸設(shè)備是數(shù)控拉彎機(jī)。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于由于對坯料通電，基于坯料電阻引發(fā)電流熱效應(yīng)，直接加熱坯料并使坯料溫度保持在熱成形溫度范圍內(nèi)，然后在拉伸設(shè)備預(yù)拉伸、包覆、補(bǔ)拉、保溫蠕變成形坯料，使坯料貼合模具，發(fā)生粘塑性變形。該工裝不僅避免了傳統(tǒng)熱成形、超塑性成形中整體式加熱消耗在模具等其它部件上的熱量損失，而且使加熱過程非常迅速、坯料內(nèi)部溫度非常均勻，極大了提高了能量的利用率和加熱效率，氧化減弱。此外，坯料加熱到目標(biāo)溫度后進(jìn)行成形，溫度不變，并且溫度分布均勻，有利于坯料的粘塑性變形，改善產(chǎn)品質(zhì)量。


圖1是一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝系統(tǒng)示意圖。圖2是本發(fā)明工裝所用模具裝置正視圖。
圖3是本發(fā)明工裝所用模具裝置閉合狀態(tài)側(cè)視圖。
圖4是本發(fā)明工裝所用模具裝置A-A剖視圖O
圖5是本發(fā)明工裝所用模具裝置B-B剖視圖O
圖6是本發(fā)明工裝所用模具裝置開啟狀態(tài)側(cè)視圖。
圖7是成形結(jié)束時本發(fā)明工裝所用模具裝置正視圖。
圖中符號說明如下
1電源系統(tǒng)；2拉伸設(shè)備；3模具裝置；4電極夾板；
5熱電偶；6溫度控制系統(tǒng)；7夾鉗；8絕緣墊層；
9坯料；10模具；11上保溫箱；12墊板；
13模具箱體側(cè)壁夾縫；14上保溫箱外殼；15上保溫箱保溫層；16上保溫箱保溫層
固定板； 17螺栓螺母結(jié)構(gòu)；18下保溫箱?！?； 19下保溫箱?！龉潭ò?；
20彈簧；21固定立柱；22側(cè)擋板；23模具墊塊；
24絕緣墊板；25模具加熱孔；26觀察孔；27下保溫箱；
28下保溫箱外殼；29滑軌槽；30擺動臂；31床身；
32工作臺；33手柄；34托架；35導(dǎo)軌；
36滑塊；37成形零件；38導(dǎo)線；39定位器；
A-A =A-A剖視圖；B-B =B-B剖視圖；C:開啟D:閉合
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1 圖7，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。(1)本發(fā)明一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，它由拉伸設(shè)備2、模具裝置3、坯料9、 電源系統(tǒng)1和溫度控制系統(tǒng)6五個部分組成，它們之間的位置連接關(guān)系為將模具裝置3放置在拉伸設(shè)備2的中央工作臺32上，將坯料9穿過模具裝置3的側(cè)壁夾縫13，采用絕緣絕熱墊層8使坯料9和拉伸設(shè)備2的夾鉗7、模具10表面及其工裝絕緣，開通電源系統(tǒng)1，給電極夾板4通電，在坯料9內(nèi)產(chǎn)生電流，加熱坯料9，依靠溫度控制系統(tǒng)6測量、控制坯料9 的溫度，待坯料9達(dá)到目標(biāo)溫度后，拉伸設(shè)備2通過拉伸-包覆-拉伸-保溫蠕變等熱成形工藝使坯料9貼合模具10表面成形出合格零件。本發(fā)明一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝包括五個部分1)拉伸設(shè)備2，作為航空業(yè)眾所周知的一種成形設(shè)備，一般分為拉形機(jī)、拉彎機(jī)， 所述拉伸設(shè)備是立式結(jié)構(gòu)100噸數(shù)控拉伸機(jī)，由床身31、擺動臂30、夾鉗7和工作臺32組成，床身31左右對稱，工作臺32在床身31中央位置，床身31兩側(cè)各有一對平行的導(dǎo)軌35， 通過滑塊36使床身31、擺動臂30連接在一起，擺動臂30是拉伸機(jī)的主要運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸、彎曲、補(bǔ)拉等運(yùn)動方式，實(shí)現(xiàn)對鈦合金薄壁零件成形。2)模具裝置3，具體包括上保溫箱11、下保溫箱27、模具10及其模具墊塊23、絕緣墊板對、墊板12，它們之間的位置連接關(guān)系為模具10、模具墊塊23、絕緣墊板對和墊板 12依次從上到下放置在下保溫箱27內(nèi)，上保溫箱11和下保溫箱27通過螺栓螺母結(jié)構(gòu)17 連接固定，利用上保溫箱的手柄33、和下保溫箱的托架34可以開啟、閉合模具裝置3 ；該上保溫箱11采用矩形中空殼體結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩層，外層為上保溫箱外殼14，起固定支撐保溫層15作用，內(nèi)層是上保溫箱保溫層15，材料為真空纖維，主要成分為三氧化二鋁，起隔熱保溫作用；該下保溫箱27采用矩形中空殼體結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩層，外層為下保溫箱外殼觀，起固定支撐保溫層作用，內(nèi)層是下保溫箱保溫層18，材料為真空纖維，主要成分為三氧化二鋁， 起隔熱保溫作用，在下保溫箱27內(nèi)部，裝有成形所用的模具元件絕緣墊層8、模具10、模具墊塊23、絕緣墊板對；該絕緣墊層8是石棉布；該模具10是單曲率拉伸模具，材料為NI7N， 模具表面為坯料成形時所用的工作面；該模具墊塊23材質(zhì)為鑄鋼，為減輕結(jié)構(gòu)重量，開設(shè)有減重孔，起支撐模具10作用；該絕緣墊板M是實(shí)體絕緣膠木，使模具10和下保溫箱27 絕緣；該墊板12是矩形實(shí)體耐熱鋼板，起固定下保溫箱及模具元件的作用。其中，上保溫箱 11包括上保溫箱外殼14、上保溫箱保溫層15、上保溫箱保溫層固定板16、滑軌槽四、手柄 33、定位器39，其間關(guān)系為上保溫箱保溫層固定板16直立在上保溫箱外殼14與上保溫箱保溫層15之間，滑軌槽四設(shè)置在上保溫箱11四周并與上保溫箱外殼14連接，定位器39 位于上保溫箱外殼14中部兩側(cè)，用于松、緊上保溫箱內(nèi)可在滑軌槽四里滑動的側(cè)壁；手柄 33位于上保溫箱外殼14前部中間位置；該上保溫箱外殼14是金屬箱體式結(jié)構(gòu)；該上保溫箱保溫層15是矩形實(shí)體真空纖維，起保溫作用；該上保溫箱保溫層固定板16是金屬L形板料；該滑軌槽四是金屬槽鋼結(jié)構(gòu)；該手柄33是U形鋼板做成的把手，用于開啟、閉合上保溫箱；下保溫箱27包括下保溫箱保溫層18、下保溫箱保溫層固定板19、下保溫箱外殼觀、 彈簧20、固定立柱21、側(cè)擋板22、絕緣墊層8、模具10、模具墊塊23、絕緣墊板對、墊板12、 模具加熱孔25、觀察孔沈、滑軌槽四、托架34 ；其位置連接關(guān)系為模具10、模具墊塊23、 絕緣墊板對、墊板12依次從上到下放置在下保溫箱外殼觀內(nèi)，模具加熱孔25設(shè)置在模具 10上，觀察孔沈設(shè)置在下保溫箱外殼觀上，滑軌槽四設(shè)置在下保溫箱27四周并與下保溫箱外殼觀連接，彈簧20、固定立柱21位于下保溫箱外殼觀與側(cè)擋板22之間并夾在下保溫箱保溫層固定板19和墊板12中間，托架34與下保溫箱外殼觀固連；該下保溫箱保溫層 18是矩形實(shí)體真空纖維，起保溫作用；該下保溫箱保溫層固定板19是金屬凹形板料；該下保溫箱外殼觀是金屬箱體式結(jié)構(gòu)；該彈簧20為壓簧，型號規(guī)格2X20D1X160 GB2089-80 ； 該固定立柱21是圓柱形結(jié)構(gòu)；該側(cè)擋板22是金屬矩形板料；該絕緣墊層8是實(shí)現(xiàn)坯料9和拉伸設(shè)備2、模具裝置3的電絕緣；該模具10是按圖紙和工藝需要自制的金屬模；該模具墊塊23是鑄鋼材料，為減輕結(jié)構(gòu)重量，開設(shè)有減重孔，起支撐模具作用；該絕緣墊板M是實(shí)體絕緣膠木，使模具和下保溫箱絕緣；該墊板12是矩形實(shí)體耐熱鋼板，起固定下保溫箱、模具元件的作用；該滑軌槽四是金屬槽鋼結(jié)構(gòu)；該托架34是金屬角鋼結(jié)構(gòu)。上、下保溫箱按圖 4所示，通過螺栓螺母結(jié)構(gòu)17連接固定，利用手柄33、托架34可以開啟C、閉合D模具裝置 3，見圖3、圖6，實(shí)現(xiàn)放入坯料9或拿出成形零件37，絕緣墊板M隔離模具和下保溫箱，實(shí)現(xiàn)電絕緣，模具加熱孔25可以插入電加熱棒(未畫出)，根據(jù)實(shí)際需要，決定是否通電加熱模具10。3)坯料9，成形所用的鈦合金薄壁坯料，可以為鈦合金板材、型材等薄壁坯料，在所述工裝系統(tǒng)，可以通電自阻加熱。4)電源系統(tǒng)1，總體功率36KW，包括380V電源連接在變壓器(未畫出)上，變?yōu)榈蛪海儆蓪?dǎo)線38連接變壓器輸出端和電極夾板，通過控制開關(guān)，給坯料9通、斷電。5)溫度控制系統(tǒng)6，包括熱電偶5測量坯料9溫度，根據(jù)溫度反饋信號，采用PLC 單片機(jī)閉環(huán)控制電源1電流，進(jìn)而控制坯料9溫度，在整個成形周期內(nèi)溫度控制系統(tǒng)6是自動可編程控制的。
本發(fā)明的工作程序如下將模具裝置3放置在拉伸設(shè)備2中央的工作臺32上，將坯料9穿過模具裝置的側(cè)壁夾縫13，采用絕緣絕熱墊層8使坯料9和拉伸設(shè)備2的夾鉗7、 模具10表面及其模具裝置3絕緣，開通電源系統(tǒng)1，給電極夾板4通電，在坯料9內(nèi)產(chǎn)生電流，加熱坯料9，依靠熱電偶5測量、溫度控制系統(tǒng)6控制坯料9的溫度，待坯料9達(dá)到目標(biāo)溫度后，拉伸設(shè)備2通過拉伸-包覆-拉伸-保溫蠕變等熱成形工藝使坯料貼合模具10表面成形出零件37。(2)本發(fā)明一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝的加工方法，該方法具體步驟如下步驟一、將模具裝置3放置于拉伸成形設(shè)備2的工作臺32上，將絕緣墊層8放置在拉伸設(shè)備2的夾鉗7內(nèi)隔離絕緣坯料9 ；步驟二、通電加熱電極夾板4夾緊待成形坯料9，采用變壓器將380V高壓變?yōu)?3V 36V的安全電壓后給電極夾板4通電，產(chǎn)生電流，對待成形坯料9加熱；步驟三、通過熱電偶5實(shí)時測量坯料9的溫度，并實(shí)時調(diào)整電源系統(tǒng)1的輸出電壓，使坯料9的加熱速率達(dá)到5 25°C /s，此時，電源系統(tǒng)1輸出的電壓電流參數(shù)分別為 電壓為3V 36V、電流為500A 5000A ；步驟四、當(dāng)坯料9的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度600°C 750°C時，在此溫度下拉伸設(shè)備2 的夾鉗7夾緊坯料9，以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/s進(jìn)行預(yù)拉伸，直至預(yù)應(yīng)變范圍為
0.1 4% ；步驟五、預(yù)拉伸達(dá)到預(yù)應(yīng)變后，拉伸設(shè)備2的工作臺32帶動模具裝置3上移，在目標(biāo)溫度600°C 750°C下以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/S對坯料9進(jìn)行包覆成形，直至完全貼合模具10 ；步驟六、坯料9貼合模具10后，在目標(biāo)溫度600°C 750 °C下以應(yīng)變速率
1.O·2 1. 0*10_4/s對坯料9進(jìn)行補(bǔ)拉，直至終應(yīng)變范圍為0. 1 8% ；步驟七、坯料9在貼模、保持目標(biāo)溫度、終應(yīng)變條件下，保溫5 lOOMin，使坯料9 內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力松弛，實(shí)現(xiàn)蠕變成形；步驟八、切斷電源系統(tǒng)1，停止對坯料9供電，待冷卻后取下成形零件37，加工結(jié)
束ο所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于，所述的坯料9為板材時，拉伸設(shè)備2是數(shù)控拉形機(jī)；坯料9為型材時，拉伸設(shè)備2是數(shù)控拉彎機(jī)。
權(quán)利要求
1. 一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于它由拉伸設(shè)備、模具裝置、坯料、電源系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)五個部分組成，模具裝置放置在拉伸設(shè)備的中央工作臺上，坯料穿過模具裝置的側(cè)壁夾縫，采用絕緣絕熱墊層使坯料和拉伸設(shè)備夾鉗、模具表面及其工裝絕緣，開通電源系統(tǒng)，給電極夾板通電，在坯料內(nèi)產(chǎn)生電流，加熱坯料，依靠溫度控制系統(tǒng)測量、控制坯料溫度，待坯料達(dá)到目標(biāo)溫度后，拉伸設(shè)備通過拉伸-包覆-拉伸-保溫蠕變熱成形工藝使坯料貼合模具表面成形出合格零件；所述拉伸設(shè)備是立式結(jié)構(gòu)100噸數(shù)控拉伸機(jī)，它能實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸、彎曲、補(bǔ)拉運(yùn)動方式， 實(shí)現(xiàn)對鈦合金薄壁零件成形；所述模具裝置，具體包括上保溫箱、下保溫箱、模具、模具墊塊、絕緣墊板和墊板，模具、模具墊塊、絕緣墊板和墊板依次從上到下放置在下保溫箱內(nèi)，上保溫箱和下保溫箱通過螺栓螺母結(jié)構(gòu)連接固定，利用上保溫箱的手柄、和下保溫箱的托架可以開啟、閉合模具裝置；該上保溫箱采用矩形中空殼體結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩層，外層為耐熱鋼板制作的上保溫箱外殼，起固定支撐保溫層作用，內(nèi)層是保溫層，材料為真空纖維，成分為三氧化二鋁，起隔熱保溫作用；該上保溫箱包括上保溫箱外殼、上保溫箱保溫層、上保溫箱保溫層固定板、滑軌槽、手柄和定位器，上保溫箱保溫層固定板直立在上保溫箱外殼與上保溫箱保溫層之間，滑軌槽設(shè)置在上保溫箱四周并與上保溫箱外殼連接，定位器位于上保溫箱外殼中部兩側(cè)，用于松、緊上保溫箱內(nèi)可在滑軌槽里滑動的側(cè)壁；手柄位于上保溫箱外殼前部中間位置；該上保溫箱外殼是金屬箱體式結(jié)構(gòu)；該上保溫箱保溫層是矩形實(shí)體真空纖維，起保溫作用； 該上保溫箱保溫層固定板是金屬L形板料；該滑軌槽是金屬槽鋼結(jié)構(gòu)；該手柄是U形鋼板做成的把手，用于開啟、閉合上保溫箱；該下保溫箱采用矩形中空殼體結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩層，外層為耐熱鋼板制作的下保溫箱外殼，起固定支撐保溫層作用，內(nèi)層是保溫層，材料為真空纖維，成分為三氧化二鋁，起隔熱保溫作用；該下保溫箱包括下保溫箱保溫層、下保溫箱保溫層固定板、下保溫箱外殼、彈簧、固定立柱、側(cè)擋板、絕緣墊層、模具、模具墊塊、絕緣墊板、 墊板、模具加熱孔、觀察孔、滑軌槽和托架；模具、模具墊塊、絕緣墊板、墊板依次從上到下放置在下保溫箱外殼內(nèi)，模具加熱孔設(shè)置在模具上并能插入電加熱棒，觀察孔設(shè)置在下保溫箱外殼上，滑軌槽設(shè)置在下保溫箱四周并與下保溫箱外殼連接，彈簧、固定立柱位于下保溫箱外殼與側(cè)擋板之間并夾在下保溫箱保溫層固定板和墊板中間，托架與下保溫箱外殼固連；該下保溫箱保溫層是矩形實(shí)體真空纖維，起保溫作用；該下保溫箱保溫層固定板是金屬凹形板料；該下保溫箱外殼是金屬箱體式結(jié)構(gòu)；該彈簧為市購壓簧；該固定立柱是圓柱形結(jié)構(gòu)；該側(cè)擋板是金屬矩形板料；該絕緣墊層是實(shí)現(xiàn)坯料和拉伸設(shè)備、模具裝置的電絕緣；該模具為單曲率拉伸模，它是按圖紙和工藝需要自制的金屬模，模具表面為坯料成形時所用的工作面；該模具墊塊是長方體結(jié)構(gòu)，鑄鋼材質(zhì)，為減輕結(jié)構(gòu)重量，開設(shè)有減重孔，起支撐模具作用；該絕緣墊板是實(shí)體絕緣膠木，使模具和下保溫箱絕緣；該墊板是矩形實(shí)體耐熱鋼板，起固定下保溫箱、模具元件的作用；該滑軌槽是金屬槽鋼結(jié)構(gòu)；該托架是金屬角鋼結(jié)構(gòu)；所述坯料，成形所用的鈦合金薄壁坯料，它為鈦合金板材、型材薄壁坯料，在該成形工裝中通電自阻加熱；所述電源系統(tǒng)，總體功率36KW，包括380V電源連接在變壓器上，變?yōu)榈蛪海儆蓪?dǎo)線連接變壓器輸出端和電極夾板，通過控制開關(guān)，給坯料通、斷電；所述溫度控制系統(tǒng)，包括熱電偶測量坯料溫度，根據(jù)溫度反饋信號，采用PLC單片機(jī)閉環(huán)控制電源電流，進(jìn)而控制坯料溫度，在整個成形周期內(nèi)溫度控制系統(tǒng)是自動可編程控制的。
2.一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝的加工方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一、將模具裝置放置于拉伸成形設(shè)備的工作臺上，將絕緣墊層放置在拉伸設(shè)備的夾鉗內(nèi)隔離絕緣坯料；步驟二、電極夾板夾緊坯料，接通電源系統(tǒng)，給電極夾板通電，產(chǎn)生電流，使坯料加熱； 步驟三、通過熱電偶實(shí)時測量坯料的溫度，并實(shí)時調(diào)整電源系統(tǒng)的輸出電壓，使坯料的加熱速率達(dá)到5 25°C /s，此時，電源系統(tǒng)輸出的電壓電流參數(shù)分別為電壓為3V 36V、 電流為500A 5000A ；步驟四、當(dāng)坯料的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度600°C 750°C時，在此溫度下拉伸設(shè)備的夾鉗夾緊坯料，以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/S進(jìn)行預(yù)拉伸，直至預(yù)應(yīng)變范圍為0. 1 4% ；步驟五、預(yù)拉伸達(dá)到預(yù)應(yīng)變后，拉伸設(shè)備的工作臺帶動模具裝置上移，在目標(biāo)溫度 600°C 750°C下以應(yīng)變速率1. 0*10_2 1. 0*10_4/S對坯料進(jìn)行包覆成形，直至完全貼合模且.Z、 9步驟六、坯料貼合模具后，在目標(biāo)溫度600°C 750°C下以應(yīng)變速率1.0*10_2 1. 0*10_4/S對坯料進(jìn)行補(bǔ)拉，直至終應(yīng)變范圍為0. 1 8% ；步驟七、坯料在貼模、保持目標(biāo)溫度、終應(yīng)變條件下，保溫5 lOOMin，使坯料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力松弛，實(shí)現(xiàn)蠕變成形；步驟八、切斷電源系統(tǒng)，停止對坯料供電，待冷卻后取下成形零件，加工結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于所述的坯料為板材時，拉伸設(shè)備是數(shù)控拉形機(jī)；坯料為型材時，拉伸設(shè)備是數(shù)控拉彎機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于所述絕緣墊層為石棉布、云母片、陶瓷纖維氈、石棉橡膠板材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于所述電源系統(tǒng)的工作參數(shù)為電壓為3V 36V、電流為500A 5000A。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于所述溫度控制系統(tǒng)控制坯料的溫度為600°C 750°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于所述彈簧的型號規(guī)格為2X20D1X160。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，其特征在于所述模具的材料為NI7N。
全文摘要
一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝，包括五大部分拉伸設(shè)備、模具裝置、坯料、電源系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，模具裝置放置在拉伸設(shè)備中央的工作臺上，將坯料穿過模具裝置的側(cè)壁夾縫，采用絕緣絕熱墊層使坯料和拉伸設(shè)備夾鉗、模具表面及其工裝絕緣，開通電源系統(tǒng)，給電極夾板通電，在坯料內(nèi)產(chǎn)生電流，加熱坯料，依靠溫度控制系統(tǒng)測量、控制坯料溫度，待坯料達(dá)到目標(biāo)溫度后，在拉伸設(shè)備上通過拉伸-包覆-拉伸-保溫蠕變等熱成形工藝使坯料貼合模具表面成形出零件。一種鈦合金薄壁零件熱成形工裝的加工方法，它有八大步驟。本發(fā)明大大提高了鈦合金薄壁零件制造的加熱效率、工藝集成性、材料成形性和成形精度，具有實(shí)用和推廣價值。
文檔編號B21D22/20GK102500675SQ20111030894
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者張超, 李東升, 李小強(qiáng), 肖軍杰 申請人:北京航空航天大學(xué)