本發(fā)明涉及機械制作領(lǐng)域，特別涉及一種高強度或低塑性材料空心構(gòu)件低壓熱成形的方法。

背景技術(shù)：

由于空心截面構(gòu)件高的抗彎模量和抗剪模量，被認為是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的最佳結(jié)構(gòu)形式。廣泛應用于航空、航天、汽車和自行車等行業(yè)。流體內(nèi)壓成形是加工該類構(gòu)件的先進成形技術(shù)。流體內(nèi)壓成形的技術(shù)原理是對初始坯料內(nèi)部施加高的介質(zhì)壓力使坯料截面周長增大而成形出不同截面形式的中空構(gòu)件。其變形的本質(zhì)是坯料膨脹變形。但該種變形模式具有局限性，不能用于強度較高或塑性較低材料的成形，其原因表現(xiàn)為以下幾方面：

其一、對于需相變強化的材料無法在成形過程中實現(xiàn)熱處理。

其二、由于內(nèi)壓為唯一的變形驅(qū)動力，只有壓力達到很高時才可能驅(qū)使管材完全成形，因此必須配備專用的大功率增壓器，同時受超高壓密封技術(shù)限制，成形高強度或低塑性材料空心構(gòu)件時難度很大。此外，為提供足夠的合模力，必須采用大噸位設備。上述問題大大阻礙了該技術(shù)的工程應用。

其三，由于流體內(nèi)壓成形主要通過膨脹變形來制造出所需的異形截面，而膨脹變形模式屬于雙拉應力狀態(tài)，對于塑性較低的材料，易發(fā)生破裂，因此用于鋁、鎂合金時該技術(shù)存在很大缺陷。

其四，對于高強材料其彈性模量一般較低，成形時彈性恢復劇烈，室溫流體內(nèi)壓成形的形狀精度很難保證。

有學者提出熱態(tài)內(nèi)壓成形，該方法雖然解決了成形極限的問題，但加劇了壁厚不均的問題，而且受熱介質(zhì)增壓器的限制及高壓氣體安全問題的制約，不適于工程應用。

基于上述原因，轉(zhuǎn)為以彎曲為主要變形模式，改變流體內(nèi)壓成形以膨脹為唯一變形模式的弊端，并充分利用高溫下體積膨脹和成形過程中構(gòu)件截面變化引起的內(nèi)壓自升高特性為變形提供驅(qū)動力，避免傳統(tǒng)工藝下對增壓器的過度依賴、成形件回彈量大、形狀精度低及壁厚均勻性差的問題，降低工藝難度，拓寬工藝適用范圍，提高成形質(zhì)量是本發(fā)明的原動力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種高強度或低塑性材料空心構(gòu)件低壓熱成形的方法，其主要解決現(xiàn)有裝置及工藝成形高強度或低塑性空心構(gòu)件時，變形抗力大，成形件壁厚均勻性差和維型精度不高，易發(fā)生破裂，效率低和無法同步進行熱處理的問題。

本發(fā)明提到的一種高強度或低塑性材料空心構(gòu)件低壓熱成形的方法，包括以下步驟：

步驟一：模具準備，首先根據(jù)構(gòu)件形狀設計相應的左電極（2）、左密封沖頭（3）、上模具（15）、右電極（16）、右密封沖頭（17）和下模具（21），所述的上模具（15）與上工作臺（11）連接，下模具（21）與下工作臺（1）連接；左密封沖頭（3）通過介質(zhì)填充通道（5）和冷卻介質(zhì)開關(guān)（4）與外部冷卻介質(zhì)源（6）連接，同時通過單向閥（7）、減壓閥（8）和進氣開關(guān)（10）與外部氣體介質(zhì)源（9）連接；右密封沖頭（17）開有泄壓通道（19）并與泄壓閥（18）連接；左電極（2）和右電極（16）通過導線（12）和電源開關(guān)（13）與電源（14）連接；

步驟二：初始管坯準備，選擇尺寸合適的初始管坯，其中，初始管坯的橫截面周長等于終成形件截面周長的0.5-1.5倍，且初始管坯長度大于零件長度；

步驟三：左密封沖頭（3）和右密封沖頭（17）對管坯端部密封，然后一起移到指定位置；

步驟四：左電極（2）和右電極（16）移至與初始管坯接觸，其中，左電極設置在左密封沖頭的右側(cè)，而右電極設置在右密封沖頭的左側(cè)；

步驟五：調(diào)整減壓閥（8），將壓力減至具體工藝需要值，然后打開進氣開關(guān)（10）向管坯內(nèi)部通氣體介質(zhì)；

步驟六：電源開關(guān)（13）閉合，將密封通電的管坯整體移至下模具（21）的型腔中，且移動時間不超過60秒；

步驟七：上模具（15）下行，壓縮管坯使其發(fā)生彎曲變形，管坯截面積隨之減小，內(nèi)部壓力進一步升高，促使管坯進一步成形，整個過程中通過泄壓閥（18）控制內(nèi)部氣壓，直至模具閉合；

步驟八：保壓，持續(xù)至管坯成形；

步驟九：電源開關(guān)（13）斷開，打開冷卻介質(zhì)開關(guān)（4），向管坯內(nèi)部通冷卻介質(zhì)，壓力增至泄壓閥開啟，同時氣體流量和通氣時長滿足成形件冷卻工藝要求；

步驟十：關(guān)閉冷卻介質(zhì)開關(guān)（4），左密封沖頭（3）、右密封沖頭（17）、左電極（2）和右電極（16）后退至不影響成形件取出，打開模具，取出成形件（22）。

優(yōu)選的，上述的步驟五中，對于高強材料壓力減至0~50MPa，低塑性材料壓力減至0~40MPa。

優(yōu)選的，上述的電源為脈沖電流電源

優(yōu)選的，步驟三中的指定位置為下模具（21）或便于連接電極區(qū)域。

優(yōu)選的，上述的初始管坯（20）采用高強度材料或低塑性材料。

優(yōu)選的，上述的冷卻介質(zhì)源（6）為低溫氣體或液體；氣體介質(zhì)為室溫氣體或低溫氣體。

本發(fā)明的有益效果是：

其一，充分利用工藝過程中自有的溫度升高和體積變化引起的內(nèi)壓增大作為變形驅(qū)動力，無需額外配備增壓器，工藝簡單，成本低；

其二，采用具有一定壓力的冷卻介質(zhì)直接在模具型腔內(nèi)對構(gòu)件進行淬火，有利于保證成形件的幾何精度，并提高工藝效率；

其三，由于該工藝的變形模式以彎曲變形為主，避免了高溫下硬化指數(shù)降低的不利影響，成形件壁厚均勻性好，工藝適用性強；

其四，通過冷卻介質(zhì)從空心截面構(gòu)件腔體內(nèi)進行淬火，由于介質(zhì)與構(gòu)件直接接觸，冷卻速度快且均勻，性能一致好；

其五，熱成形下彈性變形極低，成形件幾乎無回彈，成形件形狀精度容易保證；

其六，通過大功率電源直接對管坯加熱，速率快，熱損耗低，克服了傳統(tǒng)熱態(tài)流體內(nèi)壓成形效率低，不能滿足工程應用的缺點；

本發(fā)明設計合理、工作可靠、效果顯著，具有較強的推廣價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的模具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的模具的A-A結(jié)構(gòu)圖；

圖3為模具合模及淬火原理示意圖；

圖4是圖3的B-B結(jié)構(gòu)圖；

上圖中：下工作臺1、左電極2、左密封沖頭3、冷卻介質(zhì)開關(guān)4、介質(zhì)填充通道5、冷卻介質(zhì)源6、單向閥7、減壓閥8、氣體介質(zhì)源9、進氣開關(guān)10、上工作臺11、導線12、電源開關(guān)13、電源14、上模具15、右電極16、右密封沖頭17、泄壓閥18、泄壓通道19、初始管坯20、下模具21、成形件22。

具體實施方式

參照附圖1-2，對本發(fā)明作進一步的描述：

本發(fā)明提到的一種高強度或低塑性材料空心構(gòu)件低壓熱成形裝置，包括左電極2、左密封沖頭3、上模具15、右電極16、右密封沖頭17和下模具21，其特征是：所述的上模具15與上工作臺11連接，下模具21與下工作臺1連接；左密封沖頭3通過介質(zhì)填充通道5和冷卻介質(zhì)開關(guān)4與外部冷卻介質(zhì)源6連接，同時通過單向閥7、減壓閥8和進氣開關(guān)10與外部氣體介質(zhì)源9連接；右密封沖頭17開有泄壓通道19并與泄壓閥18連接；左電極2和右電極16通過導線12和電源開關(guān)13與電源14連接；

通過左密封沖頭3和右密封沖頭17對初始管坯20端部密封，并移到指定位置；左電極2和右電極16移至與初始管坯20接觸，且左電極2設置在左密封沖頭3的右側(cè)，而右電極16設置在右密封沖頭17的左側(cè)。

上述的初始管坯20的橫截面周長等于終成形件截面周長的0.5-1.5倍。

上述的電源開關(guān)13閉合，并快速將密封通電的管坯整體移至下模具21的型腔中，其中，移動時間不超過60秒。

上述的上模具15按設定曲線下行，壓縮管坯使其發(fā)生彎曲變形，管坯截面積隨之減小，內(nèi)部壓力升高，促使管坯成形，整個過程中通過泄壓閥18控制內(nèi)部氣壓。

參照附圖3-4，本發(fā)明提到的一種高強度或低塑性材料空心構(gòu)件低壓熱成形的方法，包括以下步驟：

步驟一：模具準備，首先根據(jù)構(gòu)件形狀設計相應的左電極2、左密封沖頭3、上模具15、右電極16、右密封沖頭17和下模具21，上述與現(xiàn)有技術(shù)相同，此不贅述。上模具15與上工作臺11連接，下模具21與下工作臺1連接。左密封沖頭3通過介質(zhì)填充通道5和冷卻介質(zhì)開關(guān)4與外部冷卻介質(zhì)源6連接，同時通過單向閥7、減壓閥8和進氣開關(guān)10與外部氣體介質(zhì)源9連接。右密封沖頭17開有泄壓通道19并與泄壓閥18連接。左電極2和右電極16通過導線12和電源開關(guān)13與電源14連接。

步驟二：初始管坯準備，選擇尺寸合適的初始管坯，其要點為初始管坯的橫截面周長與終成形件的橫截面周長相近，一般初始管坯的橫截面周長應等于終成形件截面周長的0.5-1.5倍。初始管坯長度應大于零件長度，保證有足夠的密封區(qū)域和電極接觸區(qū)域。

步驟三：左密封沖頭3和右密封沖頭17對管坯端部密封，然后一起移到指定位置。密封方式與現(xiàn)有技術(shù)相同，此不贅述。

步驟四：左電極2和右電極16移至與管坯接觸，其要點為左電極應在左密封沖頭的右側(cè)，而右電極應在右密封沖頭的左側(cè)，即保證l_a小于l_b。

步驟五：調(diào)整減壓閥8，將壓力減至具體工藝需要值，然后打開進氣開關(guān)10向管坯內(nèi)部通氣體介質(zhì)。其要點為對于高強材料壓力一般減至0~50MPa，低塑性材料壓力一般減至0~40MPa。

步驟六：電源開關(guān)13閉合，并快速將密封通電的管坯整體移至下模具21的型腔中，其要點為移動時間不超過60秒。隨著通電的進行，管坯溫度不斷升高，材料的流動應力下降，延伸率提高，同時管坯內(nèi)部氣體受熱膨脹，氣壓不斷升高。

步驟七：上模具15按工藝設定曲線下行，壓縮管坯使其發(fā)生彎曲變形，管坯截面積隨之減小，內(nèi)部壓力進一步升高，促使管坯進一步成形，整個過程中通過泄壓閥18控制內(nèi)部氣壓最大值在具體工藝要求范圍內(nèi)，直至模具閉合。

步驟八：保壓一定時間，其要點為保壓持續(xù)至管坯成形。

步驟九：電源開關(guān)13斷開，打開冷卻介質(zhì)開關(guān)4，向管坯內(nèi)部通冷卻介質(zhì)，并持續(xù)一定時間，其要點為壓力增至泄壓閥開啟并，同時氣體流量和通氣時長滿足成形件冷卻工藝要求。

步驟十：關(guān)閉冷卻介質(zhì)開關(guān)4，左密封沖頭3、右密封沖頭17、左電極2和右電極16后退至不影響成形件取出，打開模具，取出成形件22。

其中，本發(fā)明提到的電源為大功率電源，大功率電源為電流范圍0-5000000A，電壓范圍0-36V的電源，電源為脈沖電流電源，脈沖頻率0-10000Hz，幅值0-100000A，電壓范圍0-100000V的電源。

步驟三中的指定位置為下模具21或便與連接電極區(qū)域；步驟三中的指定位置為下模具21的內(nèi)型腔；步驟三中的指定位置為便于連接電極區(qū)域；

初始管坯采用的高強度材料或低塑性材料，高強度材料為高強鋼或鈦合金，高強鋼為22MnB5，鈦合金為TC4；低塑性材料為鋁合金或鎂合金，鋁合金為2000系、5000系6000系或7000系鋁合金；

冷卻介質(zhì)為低溫氣體或液體，氣體介質(zhì)為室溫氣體或低溫氣體，氣體介質(zhì)為低溫氣體。