一種鈦管數(shù)控差溫加熱彎曲成形模具及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及管材數(shù)控加工成形領(lǐng)域，具體是一種用于鈦管數(shù)控差溫加熱彎曲成形 方法及模具。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控彎管工藝是傳統(tǒng)彎管工藝結(jié)合數(shù)控技術(shù)而產(chǎn)生的一種先進(jìn)管件彎曲成形技 術(shù)，可以滿足彎管件對(duì)高精度、高效率和數(shù)字化加工的要求，在航空、航天等高科技領(lǐng)域占 據(jù)了重要地位并展示了廣闊的應(yīng)用前景。鈦合金彎管件質(zhì)量輕并能承受較高的工作壓力， 應(yīng)用于燃油、空調(diào)等管路系統(tǒng)，能夠滿足先進(jìn)飛機(jī)研制對(duì)高性能、輕量化和高功效等方面的 迫切需求。然而，由于鈦合金材料流動(dòng)性差，塑性變形時(shí)常表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性和拉壓不 對(duì)稱性，使得管材室溫?cái)?shù)控彎曲過程中極易出現(xiàn)破裂、起皺、壁厚過度減薄、截面過度扁化 等問題，彎管件成品率低，只能進(jìn)行大彎曲半徑(彎曲半徑R/管材直徑D> 2)的彎曲成形，無 法滿足飛機(jī)盡可能節(jié)省導(dǎo)管所占空間的要求，成為制約鈦管彎曲成形質(zhì)量/成形極限提高 的瓶頸。大部分鈦合金管加熱到一定溫度區(qū)間內(nèi)后具有良好的塑性和延伸率，且變形抗力 顯著下降，因此數(shù)控加熱彎曲是提高鈦管彎曲成形質(zhì)量/成形極限的一種有效途徑。
[0003] 通過檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)及專利，發(fā)現(xiàn)：目前已經(jīng)擁有了鈦合金管數(shù)控加熱彎曲成形 方法和成形模具的介紹。在授權(quán)公告號(hào)為CN 20 1 12797 1Y的實(shí)用新型和公開號(hào)為 CN101185949A的發(fā)明創(chuàng)造中提出了一種用于熱彎的數(shù)控彎管機(jī)模具和一種利用數(shù)控彎管 機(jī)進(jìn)行加熱恒溫彎管的方法，該模具在彎曲模高度方向開有通孔作為加熱孔、在芯棒中心 長度方向開有一盲孔作為加熱孔、壓力模長度方向開有通孔作為加熱孔、防皺模長度方向 上開有盲孔作為加熱孔，用于進(jìn)行加熱恒溫彎管;針對(duì)直徑D<40mm的難成形管材或厚壁管 材(管材直徑D/壁厚t <20)數(shù)控加熱彎曲時(shí)，可取得較好的彎曲成形效果。但當(dāng)管材直徑D >40mm，由于模具體積大，加熱彎曲模的能源消耗量大，且彎曲模與機(jī)床間的熱傳導(dǎo)易影響 機(jī)床的使用性能，降低機(jī)床的使用壽命;同時(shí)由于壓力模長度較長，在壓力模長度方向開設(shè) 通孔困難，且單孔加熱時(shí)間較長。該發(fā)明創(chuàng)造中沒有涉及鈦管數(shù)控彎曲潤滑、溫度控制范 圍，難以進(jìn)行直徑D>40mm鈦管的數(shù)控加熱彎曲成形。在授權(quán)公告號(hào)為CN 102527848B的發(fā) 明中提出了一種大直徑薄壁純鈦管數(shù)控加熱彎曲成形模具及成形方法，該模具在沿壓力模 的長度方向均布有多個(gè)壓力模加熱孔、在芯棒的端面上沿圓周均布有多個(gè)芯棒加熱孔，用 于加熱彎管。針對(duì)大直徑薄壁純鈦管數(shù)控?zé)釓澇尚?，可降低恒溫加熱管件帶來的過多的能 源消耗，同時(shí)提高管件彎曲成品率。但該模具設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)純鈦管，工作溫度為200~ 300°C，難以進(jìn)行更高溫度下難成形鈦合金管的數(shù)控加熱彎曲成形。同時(shí)，由于彎曲模的"熱 沉降"作用和芯棒對(duì)芯球部分的傳熱，芯棒前端的溫度較低，使得管材彎曲區(qū)域溫度分布和 熱彎合理溫度分布出現(xiàn)差異，不利于提高鈦管彎曲成形質(zhì)量/成形極限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行鈦管數(shù)控加熱彎曲成形的不足，提高鈦管數(shù)控彎曲成形質(zhì) 量和成形極限，本發(fā)明提出了一種鈦管數(shù)控差溫加熱彎曲成形模具及方法。
[0005] 所述鈦管數(shù)控差溫加熱彎曲成形模具包括壓力模、夾持模、鑲塊、彎曲模、防皺模、 芯模和隔熱板。所述的芯模包括芯棒和芯球;所述的隔熱板包括壓力模隔熱板、夾持模隔熱 板、彎曲模隔熱板和防皺模隔熱板;在壓力模、彎曲模、芯棒和防皺模上分別有加熱孔和測(cè) 溫孔，在夾持模和鑲塊上有測(cè)溫孔。在所述壓力模隔熱板、夾持模隔熱板、彎曲模隔熱板和 防皺模隔熱板上增加冷卻孔。
[0006] 在彎曲模的上表面，從彎曲模與防皺模配合位置起，沿彎曲模圓周方向均布有多 個(gè)彎曲模加熱孔和彎曲模測(cè)溫孔，并且各彎曲模測(cè)溫孔位于相鄰的彎曲模加熱孔之間；所 述彎曲模加熱孔和彎曲模測(cè)溫孔的數(shù)量通過下列公式確定： Chm /.Δ T
[0007] nbh -- --?nbt = nbh Wbtb
[0008] 式中:nbh為彎曲模加熱孔的數(shù)量，nbt為彎曲模測(cè)溫孔的數(shù)量，Cb為彎曲模材料的比 熱容，mb為彎曲模的質(zhì)量，ΛΤ為彎曲模升高的溫度，W b為單個(gè)彎曲模加熱棒的功率，tb為彎 曲模的加熱時(shí)間；所述彎曲模加熱孔的孔徑與所使用加熱棒的直徑相匹配;所述彎曲模測(cè) 溫孔的孔徑與所使用熱電偶的直徑相匹配。
[0009] 在所述防皺模的上表面，沿該防皺模的長度方向均布有多個(gè)防皺模加熱孔，在每 個(gè)防皺模加熱孔前相當(dāng)于兩個(gè)相鄰防皺模加熱孔之間距離的一半處有防皺模測(cè)溫孔;防皺 模加熱孔和防皺樽測(cè)淵孔的數(shù)量枏據(jù)下列公式確定：
[0010]
[0011] 式中：nwh為防皺模加熱孔的數(shù)量，nwt為防皺模測(cè)溫孔的數(shù)量，Cw為防皺模材料的比 熱容，m w為防皺模的質(zhì)量，ΛΤ為升高的溫度，Ww為單個(gè)防皺模加熱棒的功率，tw為防皺模的 加熱時(shí)間；
[0012] 所述夾持模的上表面，沿長度方向均布有多個(gè)夾持模測(cè)溫孔;所述鑲塊的上表面， 沿長度方向均布有多個(gè)鑲塊測(cè)溫孔;所述夾持模測(cè)溫孔和鑲塊測(cè)溫孔均為盲孔；
[0013] 壓力模隔熱板位于壓力模與機(jī)床之間；夾持模隔熱板位于夾持模與機(jī)床之間；彎 曲模隔熱板位于彎曲模與機(jī)床之間并安裝在彎曲模的中心軸上;防皺模隔熱板位于防皺模 與機(jī)床之間；所述各隔熱板與各模具接觸的表面均為鋸齒狀，并且各隔熱板與各模具之間 有間距，形成了空氣夾層;所述空氣夾層中有石棉墊;所述壓力模、夾持模和防皺模與隔熱 板接觸的一面開有矩形槽，通過將壓力模隔熱板、夾持模隔熱板、防皺模隔熱板上的鋸齒嵌 入矩形槽中達(dá)到定位和固定的目的；所述壓力模的上表面、防皺模上表面、彎曲模上表面、 鑲塊上表面，以及夾持模的上表面均鋪覆有石棉墊。
[0014] 所述壓力模隔熱板沿其高度方向分布有2個(gè)相通的冷卻孔;夾持模隔熱板沿其高 度方向分布有2個(gè)相通的冷卻孔；防皺模隔熱板沿其長度方向分布有2個(gè)相互獨(dú)立的冷卻 孔;彎曲模隔熱板沿其長度方向分布有6個(gè)相互獨(dú)立的冷卻孔。
[0015] 本發(fā)明提出的利用所述模具成形鈦管的具體過程是：
[0016] 第一步，模具與彎管機(jī)的隔熱。在將模具與彎管機(jī)隔熱時(shí)，在壓力模的裝配面與機(jī) 床連接面之間安放壓力模隔熱板，在防皺模與機(jī)床連接面之間安放防皺模隔熱板，在彎曲 模裝配面與機(jī)床連接面之間安放彎曲模隔熱板，在夾持模的裝配面與機(jī)床連接面之間安放 夾持模隔熱板;在壓力模的上表面，以及夾持模的上表面、鑲塊的上表面、彎曲模的上表面 和防皺模的上表面均鋪覆有石棉。
[0017] 第二步，裝配與調(diào)試模具。
[0018] 第三步，彎管機(jī)彎曲速度和彎曲時(shí)壓力模助推速度的設(shè)定。
[0019] 設(shè)定彎管機(jī)的彎曲速度為0.05~5°/s;
[0020] 設(shè)定彎曲時(shí)壓力模的助推速度:壓力模的助推速度與管件彎曲時(shí)該管件軸線的線 速度相同，完成彎曲時(shí)壓力模助推速度的設(shè)定。
[0021] 設(shè)定完成后關(guān)閉彎管機(jī)。
[0022] 第四步，管件彎曲角度的設(shè)定。根據(jù)管件成形要求，管件彎曲角度為0°~185°;
[0023] 第五步，模具與管件的潤滑。在防皺模、芯棒及芯球上均勻噴涂一層耐高溫固體潤 滑霄。
[0024]第六步，加熱及溫控裝置的安裝。在壓力模加熱孔內(nèi)放置壓力模加熱棒，在彎曲模 加熱孔內(nèi)放置彎曲模加熱棒，在芯棒加熱孔內(nèi)放置芯棒加熱棒，在防皺模加熱孔內(nèi)放置防 皺模加熱棒，并且在所述各壓力模測(cè)溫孔、各彎曲模測(cè)溫孔各芯棒測(cè)溫孔、各夾持模測(cè)溫 孔、各鑲塊測(cè)溫孔和各防皺模測(cè)溫孔內(nèi)分別放置熱電偶。將所述壓力模加熱棒的導(dǎo)線、芯棒 加熱棒的導(dǎo)線、彎曲模加熱棒的導(dǎo)線和防皺模加熱棒的導(dǎo)線分別與溫度控制器的控制端口 連接。將所述各熱電偶的導(dǎo)線分別與溫度控制器的測(cè)量端口連接。
[0025]第七步，設(shè)定加熱溫度;所述的加熱溫度包括壓力模的加熱溫度Τι、芯棒的加熱溫 度Τ2、彎曲模的加熱溫度Τ4和防皺模的加熱溫度Τ3:
[0026]設(shè)定芯棒加熱溫度和壓力模的加熱溫度均為200~450°C;防皺模加熱溫度為180 ~400°C，彎曲模的加熱溫度為180~300°C。
[0027]具體加熱時(shí)?\ 2 T2 2 T3;當(dāng)管件的彎曲半徑R減小時(shí)，Ti - Ts的值應(yīng)增大。
[0028]當(dāng)設(shè)定的加熱溫度大于300°C時(shí)，將各隔熱板中冷卻孔通過水管與冷卻水循環(huán)裝 置相連，以對(duì)機(jī)床進(jìn)行降溫。
[0029] 第Λ步，管件彎曲。打開彎管機(jī)機(jī)床，將壓力模、夾持模、鑲塊、彎曲模、防皺模、芯 模與管件裝配;通過加熱棒對(duì)壓力模、芯棒、彎曲模和防皺模進(jìn)行加熱至設(shè)定的溫度值并保 溫30~90s。加熱完成后操作彎管機(jī)，按照設(shè)定的彎曲速度3°/s對(duì)管件進(jìn)行彎曲至180°，得 到彎曲成形后的管件。
[0030] 第九步，卸載。
[0031] 本發(fā)明提出的鈦管數(shù)控差溫加熱彎曲成形模具，包括壓力模、夾持模、鑲塊、彎曲 模、防皺模、芯模、壓力模隔熱板，夾持模隔熱板，彎曲模隔熱板和防皺模隔熱板;所述芯模 和壓力模與現(xiàn)有技術(shù)相同；彎曲模的側(cè)面為凹弧形的彎曲模成形面，彎曲模中心是與彎管 機(jī)主軸配合的軸孔，彎曲模的底面是與彎曲模隔熱板配合的裝配面;防皺模的一側(cè)表面為 凹弧形的防皺模成形面，一側(cè)表面是與防皺模隔熱板配合的裝配面，另有一側(cè)面是與彎曲 模配合的