一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法及装置与流程

本发明涉及钛合金薄壁构件塑性成形制造
技术领域：
，特别是涉及一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法及装置。
背景技术：
：随着飞机、火箭、汽车、舰船等运载工具向轻量化和高可靠性发展，迫切需要采用钛合金制造各种空心薄壁件，例如飞机燃油系统、飞机和火箭发动机进气和排气系统、汽车排气系统、舰船发动机热端部件等采用的导油管、进气道、排气道、排气管等。其中有一类典型构件是大截面差钛合金管件，如图1所示。与传统钢铁材料相比，钛合金构件具有减轻重量、耐腐蚀、耐高温等优势，但是由于钛合金室温塑性差、变形回弹大、高温组织演变复杂，存在成形困难、尺寸精度和组织性能控制困难等难题。钛合金大截面差管件常用成形方法是整体加热气压成形，其基本原理是：将两端封闭的管坯和模具一起放入加热炉中，加热到成形温度，以tc4钛合金为例，需加热至700-900℃，然后向管坯内部通入压缩气体，在管坯内部加压，使管坯变形贴靠外部的模具，成形为大截面差管件。大截面差管件的整体加热气压成形方法存在如下问题：管坯完全被加热至同一个温度，在内压增大的过程中，由于周长较大的部位承压能力低、周长较小的部位承压能力高，易造成变形不同步，周长较大部位优先发生剧烈变形，导致构件壁厚不均或无法成形。技术实现要素：本发明的目的是提供一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高变形均匀性和成形效率，降低能耗。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法，通过模具分区加热调控变形均匀性，包括以下步骤，s1：在模具的不同区域布置不同的加热元件，分别进行温度测量与控制，实现模具大端温度较低、模具小端温度较高的差温温度场；s2：根据管坯大端与管坯小端的温度、直径、壁厚和材料性能，通过计算设计气压加载曲线，采用该气压加载曲线，向管坯内部注入压缩气体，使管坯大端与小端同步变形，并获得基本相同的最大应变速率。优选地，步骤二中所述气压加载曲线的计算公式为其中，p(t)为在温度为t的条件下所需成形压力，t为管坯壁厚，r为管坯内侧半径，σs(t)为在温度t的条件下管坯的屈服强度。优选地，步骤一中所述管坯两端截面形状不同，所述管坯为一端大一端小的锥形管坯，所述管坯的截面呈圆形或椭圆形或多边形。优选地，步骤一中所述管坯的厚度为1mm-6mm，所述管坯的外径或横截面的外轮廓最大尺寸为20mm-3000mm，所述管坯的长度为100mm-2000mm。优选地，步骤一中所述的管坯材料为钛合金，所述钛合金包括近α型和α+β型钛合金。优选地，步骤一中所述管坯小端的温度为650℃-850℃，所述管坯小端的温度低于管坯材料的相变温度。优选地，步骤二中所述压缩气体为空气的压缩气体或氩气的压缩气体或氮气的压缩气体或氦气的压缩气体。优选地，步骤二中得到的空心变截面件的截面呈圆形或椭圆形或多边形或异形，步骤二中得到的大截面差件的轴线形状为直线或平面内曲线或空间曲线。本发明还提供了一种用于实施所述大截面差钛合金管件差温气压成形方法的大截面差钛合金管件差温气压成形装置，包括大端冲头、小端冲头以及自上至下依次设置的上模水冷板、上模隔热板、上模块、下模块、下模隔热板和下模水冷板，所述上模块的中部设有上模分区隔热板，所述下模块的中部设有下模分区隔热板，所述上模板和所述下模板上均设有加热元件和热电偶，所述上模块上设有上腔体，所述下模块上设有下腔体，所述上腔体和所述下腔体共同构成形腔，所述大端冲头与所述形腔的大端相匹配，所述小端冲头与所述形腔的小端相匹配，所述大端冲头的外侧套设有大端冲头加热圈，所述大端冲头的一端设有大端冲头隔热板，大端冲头的中心设有与所述形腔连通的进气孔，所述小端冲头的外侧套设有小端冲头加热圈，所述小端冲头的一端设有小端冲头隔热板。优选地，所述上模板通过所述上模分区隔热板分为大端上模块和小端上模块，所述下模板通过所述下模板分区隔热板分为大端下模块和小端下模块，所述大端上模块与所述大端下模块相匹配，所述小端上模块和所述小端下模块相匹配，所述加热元件包括大端加热元件和小端加热元件，所述大端加热元件分别设置于所述大端上模块和所述大端下模块上，所述小端加热元件分别设置于所述小端上模块和所述小端下模块上，所述热电偶包括大端热电偶和小端热电偶，所述大端热电偶设置于所述大端下模块上，所述小端热电偶设置于所述小端下模块上。本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：1、通过调控模具不同区域的温度分布，可控制管坯不同变形区的成形温度，解决了整体加热气压成形时由于管坯截面差异导致的不同变形区成形不同步的问题；2、通过对不同区域温度的合理选择及对差温条件下的气压加载曲线的设计，可利用温度与气压的结合，使管件在同样的气压作用下，实现不同位置的近均匀应变速率成形，可提高壁厚分布的均匀性；3、差温成形时，根据管件成形需要进行局部加热和控温，避免了对管坯大端的过度加热，或者对管坯大端施加过高的气压，从而提高成形效率、降低能耗。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为大截面差钛合金管件的结构示意图；图2为大截面差钛合金管坯的结构示意图；图3为本发明大截面差钛合金管件差温气压成形装置的结构示意图；图4为本发明大截面差钛合金管件差温气压成形的原理示意图；图5为本发明大截面差钛合金管件成形后与下模块的结构示意图；其中：1-管件，2-管坯，3-上模水冷板，4-上模隔热板，5-大端上模块，6-大端冲头加热圈，7-大端冲头，8-大端冲头隔热板，9-进气孔，10-大端下模块，11-大端热电偶，12-大端加热元件，13-下模水冷板，14-下模隔热板，15-小端加热元件，16-下模分区隔热板，17-小端热电偶，18-小端下模块，19-小端冲头隔热板，20-小端冲头，21-小端冲头加热圈，22-小端上模块，23-上模分区隔热板，24-形腔。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”和“右”指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。本发明的目的是提供一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法及装置，以解决现有技术存在的问题，提高变形均匀性和成形效率，降低能耗。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1-图5所示：本实施例提供了一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法，通过模具分区加热调控变形均匀性，包括以下步骤，s1：在模具的不同区域布置不同的加热元件，分别进行温度测量与控制，实现模具大端温度较低、模具小端温度较高的差温温度场；s2：根据管坯2大端与管坯2小端的温度、直径、壁厚和材料性能，通过计算设计气压加载曲线，采用该气压加载曲线，向管坯2内部注入压缩气体，使管坯2大端与管坯2小端同步变形，并获得基本相同的最大应变速率。具体地，步骤一中管坯2两端截面形状不同，管坯2为一端大一端小的锥形管坯，管坯2的截面优选为呈圆形或椭圆形或多边形。步骤一中管坯2的厚度优选为1mm-6mm，管坯2的外径或横截面的外轮廓最大尺寸优选为20mm-3000mm，管坯2的长度优选为100mm-2000mm。步骤一中的管坯2材料优选为钛合金，钛合金包括近α型和α+β型钛合金，主要包含并不限于以下牌号：ta15，ta18，tc2，tc4，tc11，tc21，tc31，ti55。步骤一中管坯2小端的温度优选为650℃-850℃，管坯2小端的温度低于管坯2材料的相变温度，保证在成形后大端和小端的组织均匀性。模具不同区域的加热温度和气压成形所采用的气压加载曲线，可根据管件1材料不同温度的力学性能、壁厚及不同部位的直径等参数，采用力学理论计算获得，也可以通过有限元模拟进一步优化，使管坯2在这样温度场和气压加载条件下成形时，其大端和小端基本同步变形，且在变形过程中最大应变速率基本相同。管坯2不同温度和不同直径部位所需成形气压，步骤二中的气压加载曲线的计算公式为其中，p(t)为在温度为t的条件下所需成形压力，t为管坯2壁厚，r为管坯内侧半径，σs(t)为在温度t的条件下管坯2的屈服强度。该公式未考虑随变形过程的进展，管坯2直径和壁厚的动态变化所导致的应变速率变化。如需控制变形全过程的应变速率，需要进行有限元仿真，并依据一定的实验进行修正。步骤二中压缩气体优选为空气的压缩气体或氩气的压缩气体或氮气的压缩气体或氦气的压缩气体。步骤二中得到的空心变截面件的截面优选为呈圆形或椭圆形或多边形或异形，步骤二中得到的大截面差件的轴线形状优选为直线或平面内曲线或空间曲线。本实施例还提供了一种用于实施大截面差钛合金管件差温气压成形方法的大截面差钛合金管件差温气压成形装置，包括大端冲头7、小端冲头8以及自上至下依次设置的上模水冷板3、上模隔热板4、上模块、下模块、下模隔热板14和下模水冷板13，上模块的中部设有上模分区隔热板23，下模块的中部设有下模分区隔热板16，上模板和下模板上均设有加热元件和热电偶，上模块上设有上腔体，下模块上设有下腔体，上腔体和下腔体共同构成形腔24，大端冲头7与形腔24的大端相匹配，小端冲头20与形腔24的小端相匹配，大端冲头7的外侧套设有大端冲头加热圈6，大端冲头7的一端设有大端冲头隔热板8，大端冲头7的中心设有与形腔24连通的进气孔9，小端冲头20的外侧套设有小端冲头加热圈21，小端冲头20的一端设有小端冲头隔热板19。具体地，上模板通过上模分区隔热板23分为大端上模块5和小端上模块22，下模板通过下模板分区隔热板16分为大端下模块10和小端下模块18，大端上模块5与大端下模块10相匹配，小端上模块22和小端下模块18相匹配，加热元件包括大端加热元件12和小端加热元件15，大端上模块5和大端下模块10上均设有大端加热元件12，小端上模块22和小端下模块18上均设有小端加热元件15，热电偶包括大端热电偶11和小端热电偶17，大端热电偶11设置于大端下模块10上，小端热电偶17设置于小端下模块18上。对于轴线是直线的钛合金大截面差管件，其差温气压成形方法具体是按以下步骤完成的：(1)模具分区加热与轴向温度梯度控制。为了实现分区加热，成形模具被分为四个主要部分：大端上模块5、大端下模块10与小端下模块18、小端上模块22。为了减少模具热量损失，在模具上下分别安装上模隔热板4和下模隔热板14，同时为了阻止热量对压力机的影响，在上模隔热板4和下模隔热板1的外层分别安装上模水冷板3和下模水冷板13。在模具不同区域布置不同的加热元件，具体地，在小端上模块22和小端下模块18上安装小端加热元件15，在大端上模块5和大端下模块10上安装大端加热元件12，在模具的大端上模块5和下端上模块22之间加设上模分区隔热板23，在大端下模块10与小端下模块18之间加设下模分区隔热板16，减少两端热量传递；然后分别在大端下模块10上设置大端热电偶11，在小端下模块18上安装小端热电偶17，分别进行大端上模块5和大端下模块10和小端上模块22和小端下模块18的温度测量与控制，就可将模具不同区域加热至不同温度，即将管坯大端的温度加热至t1，将管坯小端的温度加热至t2，且t2>t1，从而获得大端温度较低、小端温度较高的温度场，具体如图4所示。同时为了保证大端冲头7和小端冲头20的温度，分别在大端冲头7和小端冲头20的外侧分别套设大端冲头加热圈6和小端冲头加热圈21，大端冲头7和小端冲头20的一端分别安装大端冲头隔热板8和小端冲头隔热板19，以减少大端冲头7和小端冲头20的热量损失。(2)气压成形。在模具不同区域获得设定温度场后，先利用大端冲头7和小端冲头20将管坯2的两端密封，再将压缩气体按照设计的气压加载曲线由进气孔9快速注入管坯2内部，使管坯在气压p的作用下膨胀变形，贴靠模具，获得大截面差管件，具体如图5所示。以tc4钛合金管坯为例，在应变速率0.01s-1条件下，其不同温度的峰值流动应力如表1所示。表1tc4钛合金峰值流动应力(应变速率0.01s-1)变形温度/℃峰值流动应力/mpa700354800171对于tc4钛合金管坯，当管坯2壁厚为2mm，管坯2大端半径为200mm，管坯2小端半径为100mm时，如果管坯2大端温度为700℃，(峰值流动应力354mpa)，根据气压加载曲线的计算公式估算，其成形所需气压为3.54mpa。在该气压下，如果使管坯2小端能够与管坯2大端同步变形，仍根据气压加载曲线的计算公式估算，管坯2小端的峰值流动应力应低于177mpa，根据表1所示，tc4钛合金不同温度的峰值流动应力数据，此时如将管坯2小端加热至800℃，则可以使管坯2小端峰值流动应力降至171mpa，从而满足管坯2小端变形条件。在管坯2大端的温度为700℃，管坯2小端温度为800℃的的差温条件下，采用3.54mpa气压，则可以实现该大截面差管件的大端与小端同步变形。本实施例通过调控模具不同区域的温度分布，可控制管坯2不同变形区的成形温度，解决了整体加热气压成形时由于管坯2截面差异导致的不同变形区成形不同步的问题；通过对不同区域温度的合理选择及对差温条件下的气压加载曲线的设计，可利用温度与气压的结合，使管件1在同样的气压作用下，实现不同位置的近均匀应变速率成形，可提高壁厚分布的均匀性；差温成形时，根据管件1成形需要进行局部加热和控温，避免了对管坯2大端的过度加热，或者对管坯2大端施加过高的气压，从而提高成形效率、降低能耗。本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。当前第1页12