一種航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形裝置及成形方法與流程

本發明屬于金屬復雜構件先進制造技術領域，特別涉及一種航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形裝置及方法。

背景技術：

鈦合金管材因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于航空航天等重要工程領域。其主要用途包括：制作飛機發動機壓氣機部件、飛機的引氣管路、液壓管路、燃油管路、火箭和導彈的結構件、用于各類鈦設備間物料流通的管道等。

鈦合金管材彎曲成形是一項復雜的管材成形技術，管材成形質量受到管材本身性能、管壁厚、彎曲工藝、模具設計制造水平等諸多因素的影響。目前國內外鈦合金管材彎曲成形工藝主要可以分為中高頻感應加熱推彎成形和添加加熱裝置的繞彎成形。但是這兩種管材彎曲方式都需更換模具才能實現管材不同R值不同角度的彎曲成形，并且彎曲薄壁小彎曲半徑管材時，容易產生內弧起皺和外弧拉裂、減薄等成形缺陷,管材成形質量與成形精度很難控制。

金屬復雜構件3D自由成形裝置使管材在軸向推力的作用下通過彎曲模，通過改變彎曲模與中心軸線之間的偏心距來改變管材的彎曲半徑，最終實現管材不同彎曲半徑的彎曲。但是現有的3D自由成形裝置主要是針對金屬管材的冷成形，并沒有針對金屬管材的局部熱成形裝置。在彎曲鈦合金等變形抗力較大的管材時，極易產生管材內弧起皺和外弧拉裂等缺陷，造成管材成形質量較差。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于克服現有的鈦合金管材彎曲成形技術無法實現彎曲半徑的連續變化、同時成形后管件容易出現拉裂及起皺等缺陷，無法滿足航空航天對復雜高性能、高尺寸精度的航空管件要求的缺陷。提供一種航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形裝置及方法。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案為：

一種航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形裝置，包括球面軸承(2)、彎曲模(3)、導向機構(4)、感應加熱線圈(5)、絕緣隔熱層(6)、管材夾持機構(7)、推進機構(8)、紅外線測溫儀(11)，所述高頻感應線圈(5)設置于管材夾持機構(7)前端；所述絕緣隔熱層(6)同軸裝配于感應加熱線圈(5)內部；在成形時，紅外線測溫儀(11)實時測量管坯(1)的表面溫度，并與所設定的成形溫度進行對比；判斷管坯(1)的表面溫度與設定溫度的偏差值，若偏差值小于2％，則不對管材Z軸送進速度進行調整；若偏差值大于2％，則控制推進機構(8)，以Z軸當前速度1％的變化幅度對其進行調整，同時紅外測溫儀實時測量管材表面的溫度，直至紅外測溫儀測得的溫度與設定溫度一致為止。

所述的裝置，所述彎曲模(3)和導向機構(4)所用的材料應選擇具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能的高溫合金。

所述的裝置，所述導向機構(4)上設有油槽(9)和注油孔(10)。

根據所述裝置進行航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形的方法，包括以下步驟：

1)在成形空間彎管之前在加熱爐中將航空鈦合金管加熱至成形溫度；

2)利用所述裝置對加熱后的鈦合金管進行自由彎曲試驗，得到偏心距分別為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm時的彎曲半徑R，并且繪制偏心距U與彎曲半徑R的關系曲線；

3)針對所要彎曲的復雜空間彎管進行工藝解析，得到所要彎曲的彎曲半徑R_n的對應偏心距U_n；

4)將U_n送入成形工藝解析模塊中，得到針對所要彎曲的復雜空間彎管的成形工藝參數；

5)將成形工藝參數及感應加熱溫度輸入3D自由彎曲控制模塊中；

6)通過注油孔(10)向油槽(9)中注入高溫潤滑脂；

7)啟動設備，管材在推進機構(8)的推動作用下，依次通過導向機構(4)和彎曲模(3)實現彎曲成形；在成形時，紅外線測溫儀(11)實時測量管坯(1)的表面溫度，并與所設定的成形溫度進行對比；判斷管坯(1)的表面溫度與設定溫度的偏差值，若偏差值小于2％，則不對管材Z軸送進速度進行調整；若偏差值大于2％，則控制推進機構(8)，以Z軸當前速度1％的變化幅度對其進行調整，同時紅外測溫儀實時測量管材表面的溫度，直至紅外測溫儀測得的溫度與設定溫度一致為止。

所述的方法，所述步驟1)中，加熱溫度控制在680-700℃，若溫度太高管材局部由于軸向推力的作用容易出現鐓粗，若溫度太低則難以成形。

所述的方法，所述步驟6)中，所注入的潤滑劑工作溫度應大于鈦合金管成形溫度。

有益效果：

1、本發明有效地解決了現有彎管技術成形變彎曲半徑航空鈦合金管時需要不斷更換模具，以及彎曲過程中容易出現拉裂、起皺及截面畸變等缺陷的問題，對于提高鈦合金管成形性能及成形后的管件質量等具有重要指導意義；

2、本發明方法簡單可行，生產效率高，在航空、航天等工程領域具有重要的工程應用價值和明顯的經濟效益。

附圖說明

圖1、航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形裝置原理示意圖。

圖2、航空鈦合金3D自由彎曲溫熱成形部分關鍵參數示意圖。

圖中，1-成形后的彎管、2-球面軸承、3-彎曲模、4-導向機構、5-高頻感應線圈、6-絕緣隔熱層、7-夾持機構、8-送料機構、9-油槽、10-注油孔、11-紅外線測溫儀；

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。

實施例1

第一步，將長250mm、直徑20mm、壁厚1mm的TC4鈦合金管在成形空間彎管之前在加熱爐中加熱至690℃；

第二步，對加熱后的鈦合金管進行自由彎曲試驗，得到偏心距分別為1mm、2mm、3mm…時的彎曲半徑R，并且繪制偏心距U與彎曲半徑R的關系曲線；

第三步，針對所要彎曲的復雜空間彎管進行工藝解析，得到所要彎曲的彎曲半徑R₁＝65mm時的偏心距U₁＝10mm以及R₂＝80mm時的偏心距U₂＝8mm；

第四步，將U₁＝10mm、U₂＝8mm代入成形工藝解析公式中，得到針對所要彎曲的復雜空間彎管的成形工藝參數；

第五步，將成形工藝參數及感應加熱溫度690℃輸入3D自由彎曲專用控制軟件中；

第六步，通過注油孔(10)向油槽(9)中注入高溫潤滑脂；

第七步，啟動設備，管材在推進機構(8)的推動作用下，依次通過導向機構(4)和彎曲模(3)實現彎曲成形，成形過程中通過紅外線測溫儀對管材表面溫度進行實時測量，并不斷反饋調節管材Z向送進速度，保持成形過程中管材成形部位溫度穩定性；

實施例2

第一步，將長150mm、直徑15mm、壁厚1mm的TC4鈦合金管在成形空間彎管之前在加熱爐中加熱至680℃；

第二步，對加熱后的鈦合金管進行自由彎曲試驗，得到偏心距分別為1mm、2mm、3mm…時的彎曲半徑R，并且繪制偏心距U與彎曲半徑R的關系曲線；

第三步，針對所要彎曲的復雜空間彎管進行工藝解析，得到所要彎曲的彎曲半徑R₁＝70mm時的對應偏心距U₁＝6mm、R₂＝80mm時的對應偏心距U₂＝5mm、R₃＝75mm時的偏心距U₃＝6.4mm；

第四步，將U₁＝6mm、U₂＝5mm、U₃＝6.4mm代入成形工藝解析公式中，得到針對所要彎曲的復雜空間彎管的成形工藝參數；

第五步，將成形工藝參數及感應加熱溫度680℃輸入3D自由彎曲專用控制軟件中；

第六步，通過注油孔(10)向油槽(9)中注入高溫潤滑脂；

第七步，啟動設備，管材在推進機構(8)的推動作用下，依次通過導向機構(4)和彎曲模(3)實現彎曲成形，成形過程中通過紅外線測溫儀對管材表面溫度進行實時測量，并不斷反饋調節管材Z向送進速度，保持成形過程中管材成形部位溫度穩定性；

實施例3

第一步，將長300mm、直徑20mm、壁厚2mm的TC4鈦合金管在成形空間彎管之前在加熱爐中加熱至700℃；

第二步，對加熱后的鈦合金管進行自由彎曲試驗，得到偏心距分別為1mm、2mm、3mm…時的彎曲半徑R，并且繪制偏心距U與彎曲半徑R的關系曲線；

第三步，針對所要彎曲的復雜空間彎管進行工藝解析，得到所要彎曲的彎曲半徑R₁＝80mm時的對應偏心距U₁＝8mm、R₂＝90mm時的對應偏心距U₂＝7mm、R₃＝90mm時的偏心距U₃＝6mm；

第四步，將U₁＝8mm、U₂＝7mm、U₃＝6mm代入成形工藝解析公式中，得到針對所要彎曲的復雜空間彎管的成形工藝參數；

第五步，將成形工藝參數及感應加熱溫度700℃輸入3D自由彎曲專用控制軟件中；

第六步，通過注油孔(10)向油槽(9)中注入高溫潤滑脂；

第七步，啟動設備，管材在推進機構(8)的推動作用下，依次通過導向機構(4)和彎曲模(3)實現彎曲成形，成形過程中通過紅外線測溫儀對管材表面溫度進行實時測量，并不斷反饋調節管材Z向送進速度，保持成形過程中管材成形部位溫度穩定性；

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。