一种用难变形高强度合金板材制备圆管的装置及方法与流程

本发明属于金属材料加工技术领域，具体地是指一种用难变形高强度合金板材制备圆管的装置及方法。

背景技术：

随着我国航空工业的蓬勃发展以及国家大飞机项目的启动，并且随着环境保护以及能源节约意识的提高，在汽车行业，迫切需要通过使用高强度钢来替代汽车中传统的低碳钢零件来减轻汽车重量，从而减少石油消耗以及温室气体的排放。

飞机制造业中使用的较多的高强度材料有钛以及钛合金。钛及钛合金具有许多优良的特性，其主要体现在如下几个方面：1)有较高的比强度，钛合金抗拉强度为686-1176Mpa，而密度仅为钢的3/5，而为铜的一半；2)钛具有较高的抗腐蚀性能，在550℃一下的空气中材料表面会形成一层致密的氧化钛薄膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质中，其耐腐蚀性优于大多数的不锈钢；3)钛具有强烈的钝化倾向，由于钛对氧有很强的亲和力，当与氧介质接触时，会很快形成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化薄膜，从而在机械磨损时能够保护基体材料；4)钛合金材料无磁性，其不受电磁场和雷雨天气的影响。同时钛及钛合金也具有线膨胀系数小等优点，因此钛合金管材主要应用在航空航天和民用飞机中的液压以及燃油管路系统中，从而替代不锈钢航空导管，有利于减轻飞机的结构重量。这将很大程度上提高飞机的飞行性能，极大促进我国飞机制造业技术的进步。但是目前为止，我国一些主要的钛材加工单位，还很难生产出符合标准的航空管材，钛管材的加工过程主要存在以下问题：1)材料加工工艺没有固化，变形量达不到要求，材料的显微组织没有得到充分细化，2)在冷加工后需要对管材进行热处理，这导致热处理后的显微组织粗大。因此需要一种材料变形量大，而且不需要对成性管材进行热处理的圆管制备方法。

在汽车工业中，为了满足节能减排以及环境保护的要求，汽车结构的轻量化是汽车发展的主要趋势。在汽车轻量化的同时为提高其撞击安全性和行驶稳定性，采用先进高强度钢以及超纲强度钢来替换承力结构轴已是必然选择。先进高强度钢具有以下优良的机械性能1)具有很高的加工硬化速率；2)材料具有很高的抗拉强度，成形后构件具有很高的压溃抗力，抗撞击吸收能和高的疲劳强度；3)变形过程中相对来说具有较大的均匀伸长率以及总伸长率，因此，先进高强度钢以及超高强度钢是汽车管状承力结构件以及加强件的理想材料。但是由于高强度钢自身有较大的变形抗力，因此成形性不是很高，而且成形后零件的回弹量较传统金属材料而言稍大，因此用难变形高强度合金板材制备圆管时需要找到能够改善这两点的成形方法。

高强度钢管材的制造方法多种多样，主要包括：热挤压、热轧、冷变形和多种方法的组合等方法。

现有的技术中公开了一种钛合金圆管的加工方法，例如专利CN103316941A，该专利是采用挤压机将实心圆坯料或者空心圆坯料经过内外模具挤压成管的方法，该方法的优点是能够制造塑性低的钛合金，镍基合金等金属管材，缺点是由于挤压比的限制，只能制造管材的径厚比较大的薄壁管或者管坯。另外，为获得好的钛管表面质量，需要对钛合金管坯做铜包覆处理，但在高温时铜与钛会发生反应，生成金属间化合物，发生界面复合，因此铜层去除较为困难。

专利CN104745868A叙述了一种薄壁钛合金管料的加工工艺。该工艺的步骤为：首先将具有一定重量比的各金属材料投放到熔炼炉中在高温下铸造成直径为100-120mm的圆杆，然后对其进行多次的正火与回火处理，紧接着用挤压机将圆杆送入模腔中，经过模具的钻孔挤压成薄壁圆管，最后将钻孔挤压出模后的薄壁圆管进行淬火处理，冷却后得到薄壁钛合金管。此种工艺的优点为可以得到任何径壁比的管材，但是工艺中热处理工序较为繁琐，而且热处理过程中温度的控制较为严格，成形后的管材显微组织较大。

专利CN104498849A叙述了一种662钛合金管材的制备工艺。这种工艺是一种多种方法组合工艺，首先进行铸件的制备，接着进行棒坯的锻造，然后对得到的锻造棒坯进行外径的车削与内径的深镗加工，然后用清洗液对坯料进行清洗，并且用钢板对内径进行包套，用铜带对外径进行包套，随后进行热挤压、矫直、表面处理、成品热处理工序，最后对内孔进行精镗加工得到所需的内径圆管。此圆管加工工艺的缺点是加工工艺过于繁琐，并且对有包套的内径进行热挤压后，钢材很难从内径中取出，而且在薄壁圆管取出包套材料的过程中有可能会破坏圆管的形状。

因此，开发一种新的高强度圆管制备方法，解决现有圆管制备工艺中的变形量达不到要求问题、高强度管材成形过程中需加热所带来高昂的设备费用问题以及加热处理所带来成形后圆管材料的显微组织过大的问题，同时需要解决一些不能用加热方法来制备圆管的高强度双相钢材料等问题。同时需要改善圆管制备中存在过于繁琐的工艺问题。

国内外的一些研究发现，高速成形的方法能够在不对成形板料进行加热的条件下明显提高高强度钢的成形性以及减少变形后的回弹量，如卢文的硕士论文中的研究结论得出高速成形能够明显提高难成形的高强度金属DP590和B280VK的成形性;李奋强的博士论文中得出的结论是TC4钛合金板材在高速率成形条件下成形性也有明显提高。当处于平面应变状态时，其成形性能比准静态条件下提高了73.65%,而当板料处于双向拉伸条件下时，成形性比准静态条件下提高了24.37%；Sergey F. Golovashchenko对双相钢DP500、DP590、DP780、DP980在电液高速成形条件下的成形性作了研究，研究结果表明，材料的成形性能也有显著提高，在双向受拉的应力状态下，成形性比准静态条件下最大提高97.7%，处于平面应变状态下，成形性能最高提升了190.3%。詹艺红研究了Ti6554在不同应变速率下应力应变规律，其应力与应变关系如图1所示，图表显示随着应变速率的提高，钛合金最大应变量显著增加，也即钛合金成形性提高。上述数据以及图表说明高应变速率能够显著提高钛合金以及其他高强度钢的成形性。高能成形或者高速成形有爆炸成形、电磁成形以及电液成形，其中电液成形的成形速度大约300m/s。

综上所述，针对于现有技术中针对制备高强度圆管制备方法中存在的变形量达不到要求、工艺繁琐等问题，将电液效应运用于制备难变形高强度合金板材制备圆管的方法应运而生。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺陷，根据电液效应，利用与高压脉冲电源相连的电极放电，最终形成的冲击波和高速水流动压作用在难变形高强度合金板料，使板料发生弯曲变形而贴紧圆柱形的成形模。

本发明是这样实现的：一种用难变形高强度合金板材制备圆管的装置，包括电源系统，水箱，与水箱上端连接的水箱固定板，水箱与水箱固定板之间还连接有第二密封橡胶，起到密封的作用；

所述的水箱内部设置有一凸台，凸台上端设置有板料；所述的板料上端设置有成型模，所述的成形模内部设置有成形模扭转杆，通过成形模扭转杆以实现旋转方式在相同位放电的方式来进行成形；

所述的水箱侧部设置有抽真空装置以及加水装置；所述的水箱前后侧壁分别安装有电极紧固件；所述的电极紧固件内部安装有放电电极；将放电电极装置安装在水箱中的合适位置，使电极对末端有适当的距离；可通过旋转方式在相同位放电的方式来进行下次的成形，后通过多次放电，使得难变形高强度合金板料成形为所需的圆管状。

所述的放电电极一端位于水箱内部，另一端位于水箱外部，通过桥丝在水箱内部将两个放电电极的末端连接；所述的位于水箱外部的放电电极另外两末端通过电源系统连接。

进一步，所述的电源系统包括电源系统；所述的电源系统依次连接有整流器、电容器、安全保护系统、电子触发器以及充电开关；所述的电源系统为高压脉冲电源。

进一步，所述的放电电极与电极紧固件之间还设置有绝缘套筒，并通过绝缘材料固定件固定；所述的绝缘套筒以及电极紧固件在水箱的外围还套有电极压盖。

进一步，所述的桥丝为铜丝或铝丝。可用铜丝或者铝丝作为桥丝与电极相连，可以提高放电效率以及产生的冲击波和高速水流动压均匀的作用在板料上。

进一步，所述的板料固定板通过固定板紧固螺栓固定在垫板上；根据板料的厚度，调整垫板的高度来安装成形模。

进一步，所述的成形模安装在板料固定板下测，通过轴承固定，在固定螺栓的作用下将轴承以及垫板的固定在凸台上。

进一步，所述的成形模扭转杆与成形模之间通过连接键连接。

进一步，所述的水箱下部安装有楔形挡块，安装楔形挡块使得高速水流动压以及脉冲波能量的高效利用。

本发明还公开了一种用难变形高强度合金板材制备圆管的方法，具体步骤如下：

1）将板料、成形模固定在凸台的相应位置，根据难变形高强度合金板料的厚度，调整高度，根据板材长度在水箱底部安装合适的楔形挡块；

2）将放电电极装置安装在水箱中的合适位置，使电极对末端有适当的距离；

3）将水箱固定板与水箱连接，用加水装置向水箱内加水，并通过抽真空装置排空水箱上部空气；

4）电极对接入电源系统；

5）高压电源向电容器充电，充电后，电子触发器回路激活，电极发生放电，产生的冲击波和高速水流动压作用在难变形高强度合金板料，是板料发生弯曲变形而贴紧圆柱形成形模。

6）通过旋转方式在相同位放电的方式来进行初次的成形，后通过多次放电，使得难变形高强度合金板料成形为所需的圆管状；其中旋转方式是通过旋转成形模扭转杆改变板料位置，一处电极进行多次放电的形式来成形圆管。

本发明与现有技术的有益效果在于：1）本发明根据电液效应，利用与高压脉冲电源相连的电极对在末端放电或与电极对相连接的桥丝在放电过程中瞬间产生的等离子通道击穿液体形成超高电流的高温放电通道，放电通道周围液体汽化并迅速向外膨胀，在介质水中产生强大的冲击波和高速的水流动压，冲击波和高速水流动压作用在难变形高强度合金板料，使板料发生弯曲变形而贴紧圆柱形的成形模，通过旋转成形模的方式进行多次放电，使难变形高强度合金板料成形为圆管状，通过后续的切边以及焊接工艺使之成形为所需圆管；2）该方法成形过程中不需要对板件及设备进行加热，圆管变形量大，且不会出现加热处理所带来成形后圆管的显微组织粗大的现象；3)本发明不受板料强度以及径厚比的限制，可以成形任意厚度及内径的圆管；4）本发明可以非常容易地通过调节与电极相连的电容器的电压或者电容值来改变放电电能的大小，调节难变形高强度合金板料的弯曲变形量。改善圆管的成形效果；5）本发明可显著提高难变形高强度合金板料的成形性,减少弯曲成形后圆管的回弹量。

附图说明

图1 是本发明背景技术中Ti6554在不同应变速率下应力应变图；

图2是根据本发明中高强度钢板材制备圆管的电液成形装置的主视图；

图3是根据本发明中高强度钢板材制备圆管的电液成形装置的俯视图；

图4是根据本发明中板料固定板与板料配合的局部放大示意图；

图5是根据本发明中成形模与其配合零件的局部放大示意图；

图6是根据本发明中成形模的俯视图；

图7是根据本发明中首次放电之后的高强度钢板材制备圆管电液成形装置的主视图；

图8是根据本发明中第二次放电前的高强度钢板材制备圆管电液成形装置的主视图；

图9是根据本发明的最终所制得的高强度圆管示意图。

其中，1-充电开关，2-整流器，3-电容器，4-升压变压器，5-安全保护系统，6-电子触发器，7-放电电极，8-绝缘套筒，9-电极压盖，10-绝缘材料固定件，11-第一密封橡胶，12-电极紧固件，13-桥丝14-水，15-加水装置，16-楔形挡块，17-水箱固定板，18-第二密封橡胶，19-水箱，20-抽真空装置，21-脉冲波与高速水流动压，22-成形模，23-固定板紧固螺栓，24-轴承，25-固定螺栓，26-垫板，27-板料固定板，28-第三密封橡胶，29-成形模扭转杆，30-连接键，31-板料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、实施步骤以及本发明的优点更加具体明白，一下结合附图以及实施例作详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明中所涉及到的技术特征，只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1~图6所示，本发明的一种用难变形高强度合金板材制备圆管的装置包括水箱19，与水箱19上端连接的水箱固定板17，二者之间通过第二密封橡胶18密封；水箱19下部安装有楔形挡块16；水箱19内部设置有一凸台，凸台上端设置有板料31；所述的板料31上端设置有成型模22，所述的成形模22内部设置有成形模扭转杆29；

所述的水箱19设置有抽真空装置20以及加水装置15；所述的水箱19的前后侧壁分别安装有电极紧固件12；所述的放电电极7与电极紧固件12之间还设置有绝缘套筒8，并通过绝缘材料固定件10固定；所述的绝缘套筒8以及电极紧固件12在水箱15的外围还套有电极压盖9；所述的电极紧固件12内部安装有放电电极7；

所述的放电电极7一端位于水箱19内部，另一端位于水箱19外部，通过桥丝13在水箱内部将两个放电电极7的末端连接；桥丝13为铜丝或铝丝；所述的位于水箱19外部的放电电极7另外两末端通过电源系统连接。

如图4~6所示，所述的板料固定板27通过固定板紧固螺栓23固定在垫板26上；成形模22安装在板料固定板27下测，通过轴承24固定，在固定螺栓25的作用下将轴承24以及垫板26的固定在凸台上。成形模22内部设置有成形模扭转杆29；所述的成形模扭转杆29与成形模22之间通过连接键30连接；成形模扭转杆29与水箱19侧壁接触的部分使用第三密封橡胶28进行密封

具体的电液成形方法包括以下步骤：

1）将板料31通过其他传统的方式预成形如图5所示的形状，用与预成形板料有相同曲率的板料固定板27将预成形后的板料31固定在合适位置，同时用固定板紧固螺栓23将板料固定板27固定在水箱19中凸台的相应位置，然后根据难变形高强度合金板料的厚度，调整垫板26的高度，将成形模22通过轴承24安装合适位置，用固定螺栓25将轴承24以及垫板26固定在水箱中凸台的相应位置；并且根据板料长度将合适的楔形挡块16安装固定在水箱底部。

2）将第一密封橡胶11安装在电极紧固件12中，之后将电极紧固件12安装在水箱19侧壁的合适位置，保持电极紧固件12与水箱15侧壁孔有良好的密封性，将放电电极插入绝缘套筒8中用绝缘材料固定件10将其固定在电极紧固件12中，之后用带螺纹的电极压盖9将整个电极装置固定。然后用铝丝或者铜丝作为桥丝13将两个电极对末端连接起来，用此方法固定好两个电极对；

3）用连接螺栓将水箱固定板17与水箱19连接，而且在两者接触表面用第二密封橡胶18密封，通过加水装置15向水箱下部凹槽内通入液态水14，用抽真空装置20将水箱凹槽以及水箱19上部的空气抽空。

4）将放电电极接入电源系统；

5）闭合充电开关1，经升压变压器4升压后的高压交流电通过整流器2得到的高压直流电作用在电容器3两端，电容器开始充电，当电容器充电到一定数值时，电子触发器6激活，电容器3中储存的电能经安全保护系统5作用在两个电极上，电能沿着桥丝13释放，桥丝瞬间汽化，周围产生高温的等离子放电通道，等离子的放电通道周围的液体迅速汽化膨胀，在液体水14中产生强大的冲击波和高速水流动压21。冲击波和高速水流动压以圆柱状辐射的形式通过介质水作用在难变形高强度合金板料，使板料发生弯曲变形而贴紧圆柱成形模，在此过程中板料固定板27在板料成形过程中起到限位板料的作用；

6）初次放电结束后，难变形高强度合金板料成形为一定的形状,板料成形后的示意图如图7中所示，通过对成形模扭转杆29旋转一个角度后，使得成形后的板料底面与水平面平齐，其示意图如图8所示；重复步骤3）以及步骤5），通过多次放电使难变形高强度合金板料成形为所需的圆管状，如图9所示为多次放电成形后的高强度圆管，可通过各种方式切出圆管末端多余的板料，之后通过激光焊、搅拌摩擦焊等各种焊接方式将圆管接口处焊接在一起，获得机械生产中可使用的高强度圆管。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进，均应包括在本发明的保护范围之内。