一种航空钛合金3D自由弯曲温热成形装置及成形方法与流程

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域，特别涉及一种航空钛合金3D自由弯曲温热成形装置及方法。

背景技术：

钛合金管材因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于航空航天等重要工程领域。其主要用途包括：制作飞机发动机压气机部件、飞机的引气管路、液压管路、燃油管路、火箭和导弹的结构件、用于各类钛设备间物料流通的管道等。

钛合金管材弯曲成形是一项复杂的管材成形技术，管材成形质量受到管材本身性能、管壁厚、弯曲工艺、模具设计制造水平等诸多因素的影响。目前国内外钛合金管材弯曲成形工艺主要可以分为中高频感应加热推弯成形和添加加热装置的绕弯成形。但是这两种管材弯曲方式都需更换模具才能实现管材不同R值不同角度的弯曲成形，并且弯曲薄壁小弯曲半径管材时，容易产生内弧起皱和外弧拉裂、减薄等成形缺陷,管材成形质量与成形精度很难控制。

金属复杂构件3D自由成形装置使管材在轴向推力的作用下通过弯曲模，通过改变弯曲模与中心轴线之间的偏心距来改变管材的弯曲半径，最终实现管材不同弯曲半径的弯曲。但是现有的3D自由成形装置主要是针对金属管材的冷成形，并没有针对金属管材的局部热成形装置。在弯曲钛合金等变形抗力较大的管材时，极易产生管材内弧起皱和外弧拉裂等缺陷，造成管材成形质量较差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有的钛合金管材弯曲成形技术无法实现弯曲半径的连续变化、同时成形后管件容易出现拉裂及起皱等缺陷，无法满足航空航天对复杂高性能、高尺寸精度的航空管件要求的缺陷。提供一种航空钛合金3D自由弯曲温热成形装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种航空钛合金3D自由弯曲温热成形装置，包括球面轴承(2)、弯曲模(3)、导向机构(4)、感应加热线圈(5)、绝缘隔热层(6)、管材夹持机构(7)、推进机构(8)、红外线测温仪(11)，所述高频感应线圈(5)设置于管材夹持机构(7)前端；所述绝缘隔热层(6)同轴装配于感应加热线圈(5)内部；在成形时，红外线测温仪(11)实时测量管坯(1)的表面温度，并与所设定的成形温度进行对比；判断管坯(1)的表面温度与设定温度的偏差值，若偏差值小于2％，则不对管材Z轴送进速度进行调整；若偏差值大于2％，则控制推进机构(8)，以Z轴当前速度1％的变化幅度对其进行调整，同时红外测温仪实时测量管材表面的温度，直至红外测温仪测得的温度与设定温度一致为止。

所述的装置，所述弯曲模(3)和导向机构(4)所用的材料应选择具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能的高温合金。

所述的装置，所述导向机构(4)上设有油槽(9)和注油孔(10)。

根据所述装置进行航空钛合金3D自由弯曲温热成形的方法，包括以下步骤：

1)在成形空间弯管之前在加热炉中将航空钛合金管加热至成形温度；

2)利用所述装置对加热后的钛合金管进行自由弯曲试验，得到偏心距分别为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm时的弯曲半径R，并且绘制偏心距U与弯曲半径R的关系曲线；

3)针对所要弯曲的复杂空间弯管进行工艺解析，得到所要弯曲的弯曲半径R_n的对应偏心距U_n；

4)将U_n送入成形工艺解析模块中，得到针对所要弯曲的复杂空间弯管的成形工艺参数；

5)将成形工艺参数及感应加热温度输入3D自由弯曲控制模块中；

6)通过注油孔(10)向油槽(9)中注入高温润滑脂；

7)启动设备，管材在推进机构(8)的推动作用下，依次通过导向机构(4)和弯曲模(3)实现弯曲成形；在成形时，红外线测温仪(11)实时测量管坯(1)的表面温度，并与所设定的成形温度进行对比；判断管坯(1)的表面温度与设定温度的偏差值，若偏差值小于2％，则不对管材Z轴送进速度进行调整；若偏差值大于2％，则控制推进机构(8)，以Z轴当前速度1％的变化幅度对其进行调整，同时红外测温仪实时测量管材表面的温度，直至红外测温仪测得的温度与设定温度一致为止。

所述的方法，所述步骤1)中，加热温度控制在680-700℃，若温度太高管材局部由于轴向推力的作用容易出现镦粗，若温度太低则难以成形。

所述的方法，所述步骤6)中，所注入的润滑剂工作温度应大于钛合金管成形温度。

有益效果：

1、本发明有效地解决了现有弯管技术成形变弯曲半径航空钛合金管时需要不断更换模具，以及弯曲过程中容易出现拉裂、起皱及截面畸变等缺陷的问题，对于提高钛合金管成形性能及成形后的管件质量等具有重要指导意义；

2、本发明方法简单可行，生产效率高，在航空、航天等工程领域具有重要的工程应用价值和明显的经济效益。

附图说明

图1、航空钛合金3D自由弯曲温热成形装置原理示意图。

图2、航空钛合金3D自由弯曲温热成形部分关键参数示意图。

图中，1-成形后的弯管、2-球面轴承、3-弯曲模、4-导向机构、5-高频感应线圈、6-绝缘隔热层、7-夹持机构、8-送料机构、9-油槽、10-注油孔、11-红外线测温仪；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

第一步，将长250mm、直径20mm、壁厚1mm的TC4钛合金管在成形空间弯管之前在加热炉中加热至690℃；

第二步，对加热后的钛合金管进行自由弯曲试验，得到偏心距分别为1mm、2mm、3mm…时的弯曲半径R，并且绘制偏心距U与弯曲半径R的关系曲线；

第三步，针对所要弯曲的复杂空间弯管进行工艺解析，得到所要弯曲的弯曲半径R₁＝65mm时的偏心距U₁＝10mm以及R₂＝80mm时的偏心距U₂＝8mm；

第四步，将U₁＝10mm、U₂＝8mm代入成形工艺解析公式中，得到针对所要弯曲的复杂空间弯管的成形工艺参数；

第五步，将成形工艺参数及感应加热温度690℃输入3D自由弯曲专用控制软件中；

第六步，通过注油孔(10)向油槽(9)中注入高温润滑脂；

第七步，启动设备，管材在推进机构(8)的推动作用下，依次通过导向机构(4)和弯曲模(3)实现弯曲成形，成形过程中通过红外线测温仪对管材表面温度进行实时测量，并不断反馈调节管材Z向送进速度，保持成形过程中管材成形部位温度稳定性；

实施例2

第一步，将长150mm、直径15mm、壁厚1mm的TC4钛合金管在成形空间弯管之前在加热炉中加热至680℃；

第二步，对加热后的钛合金管进行自由弯曲试验，得到偏心距分别为1mm、2mm、3mm…时的弯曲半径R，并且绘制偏心距U与弯曲半径R的关系曲线；

第三步，针对所要弯曲的复杂空间弯管进行工艺解析，得到所要弯曲的弯曲半径R₁＝70mm时的对应偏心距U₁＝6mm、R₂＝80mm时的对应偏心距U₂＝5mm、R₃＝75mm时的偏心距U₃＝6.4mm；

第四步，将U₁＝6mm、U₂＝5mm、U₃＝6.4mm代入成形工艺解析公式中，得到针对所要弯曲的复杂空间弯管的成形工艺参数；

第五步，将成形工艺参数及感应加热温度680℃输入3D自由弯曲专用控制软件中；

第六步，通过注油孔(10)向油槽(9)中注入高温润滑脂；

第七步，启动设备，管材在推进机构(8)的推动作用下，依次通过导向机构(4)和弯曲模(3)实现弯曲成形，成形过程中通过红外线测温仪对管材表面温度进行实时测量，并不断反馈调节管材Z向送进速度，保持成形过程中管材成形部位温度稳定性；

实施例3

第一步，将长300mm、直径20mm、壁厚2mm的TC4钛合金管在成形空间弯管之前在加热炉中加热至700℃；

第二步，对加热后的钛合金管进行自由弯曲试验，得到偏心距分别为1mm、2mm、3mm…时的弯曲半径R，并且绘制偏心距U与弯曲半径R的关系曲线；

第三步，针对所要弯曲的复杂空间弯管进行工艺解析，得到所要弯曲的弯曲半径R₁＝80mm时的对应偏心距U₁＝8mm、R₂＝90mm时的对应偏心距U₂＝7mm、R₃＝90mm时的偏心距U₃＝6mm；

第四步，将U₁＝8mm、U₂＝7mm、U₃＝6mm代入成形工艺解析公式中，得到针对所要弯曲的复杂空间弯管的成形工艺参数；

第五步，将成形工艺参数及感应加热温度700℃输入3D自由弯曲专用控制软件中；

第六步，通过注油孔(10)向油槽(9)中注入高温润滑脂；

第七步，启动设备，管材在推进机构(8)的推动作用下，依次通过导向机构(4)和弯曲模(3)实现弯曲成形，成形过程中通过红外线测温仪对管材表面温度进行实时测量，并不断反馈调节管材Z向送进速度，保持成形过程中管材成形部位温度稳定性；

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。