一种板材分段加热旋压成形方法与流程

本发明属于加热旋压成形技术领域，尤其涉及一种板材分段加热旋压成形方法。

背景技术：

薄壁回转体类零件是航空发动机上重要的承力部件，随着零件的工作温度不断提高，对零件材料的耐高温性能要求越来越高，通常采用高温合金和更轻质的金属间化合物等材料。火焰加热和电磁感应加热是热旋常见的方法，电磁感应加热旋压成形方法简单易行，能源采集方便，无环境污染问题，设备操作维修方便，但是加热装置成本较高，且只适合管件和筒形件的热旋，不适合异形件。火焰加热是最常见的热旋方式。

文献“femcoupledthermalsimulationofwarmshearspinningofconeworkpieceoftitaniumalloy,yuchen,dachangkangandxiaooujin:materialsscienceandtechnology,2006,14(1):18-21.”建立了热强旋三维热力耦合有限元模型，该文认为采用面热源模拟热源边界条件是合理的，但是由于面热源中热流密度随着材料和温度场的变化而变化，难以确定其分布曲线的参数，因此本文采用确定工件外侧环境温度和对流换热系数的方法完成热源边界条件的施加。

文献“coupledthermal-mechanicalfemanalysisofpowerspinningoftitaniumalloythin-walledshell,huli,meizhan,heyang,gangchenandlianghuang:chinesejournalofmechanicalengineering,2008,44(6):187-193.”采用abaqus软件的explicit模块对钛合金薄壁壳体加热强力旋压进行了模拟分析，模型中定义了间隙热传导考虑了坯料和芯模的热扩散，通过定义环状体热源的移动来模拟火焰加热，考虑了摩擦生热和金属塑性变形生热，动态加载通过旋轮的轴向进给运动和芯轴的旋转来实现的，更贴近实际，采用剪切摩擦模型描述旋轮和工件间的接触。

文献“researchonmicrostructureevolutionofni-basedsuperalloycylindricalpartsduringhotpowerspinning,qinxiangxia,ningyuanzhu,xiuquanchengandgangfengxiao:advancesinmanufacturing,(2019)pp52-63.”建立了热强旋过程的变形-传热-组织演变耦合有限元数值模拟模型，采用了高效节能的电磁感应对坯料进行在线加热，模拟中采用恒温加热环，以代表电磁感应加热器(热源)，其与坯料之间为nearcontact的非接触式传热。预热温度为800℃，并考虑材料成形过程中的摩擦生热以及变形潜热，较好地模拟了晶粒尺寸。

近年来，我国所采用火焰加热旋压成形的方法，制造发动机机匣类零件。旋压作为近代塑性加工中的一种新工艺，(如附图1所示)，在生产薄壁高精度回转体零件方面具有明显优势：

(1)强力旋压后材料的强度和硬度比母材提高了约10～25％，因此强力旋压能有效地减小零件的设计壁厚、减轻重量，其疲劳性能也能显著提高。

(2)强力旋压属于整体成形技术，成形的零件没有母线焊缝，因此零件整体性能提高，尤其是疲劳寿命能显著提高。

(3)由于减薄率较大，强力旋压能有效改善或消除母材中细小冶金缺陷，或暴露出母材中严重缺陷。

目前旋压成形火焰加热使用乙炔、天然气等作为加热源，(如附图2)，这种方法的加热方便，加热成本较低，应用广泛，但存在以下缺点：

(1)火焰加热采用手工操作，温度均匀性难于保证；

(2)火焰加热辐射大，劳动强度大；

(3)火焰加热效率低，加热到900℃需要十分钟，加热到1000℃所需时间更长。

(4)对旋压设备主轴箱和旋轮的热辐射大，长时间加热，降低设备的使用寿命。

针对耐高温、难变形材料机匣类零件的旋压，设计制造感应加热系统。通过输入有交流电的感应器，产生交变磁场使靠近的工件中产生同频率的感应电流，这种电流在工件表面强，利用这种集肤效应可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度升到800℃～1000℃。感应加热广泛应用于棒材和管材的加热，感应加热过程和加热器如附图3所示。

开始旋压阶段，采用常规的感应加热器能够对坯料进行加热(如附图4)。板材旋压成形过程中，坯料的形状在旋轮的作用下发生改变，坯料旋压过程中通常呈喇叭口等形状(如附图5)，此时感应器与坯料的距离无法保持恒定，距离较远的部位无法感应加热，坯料温度不均匀，引起成形过程出现开裂等问题，导致产品报废。

技术实现要素：

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种板材分段加热旋压成形方法，包括以下步骤：

(101)旋轮进给轨迹设计：根据要加工零件结构设计旋轮的进给轨迹，且旋压过程采用多道次旋压成形方式；

(102)选择感应器数量：根据要加工零件结构选择合适的感应加热器数量，并满足感应加热器的总长不小于零件母线长度，实现坯料的分段加热；

(103)设计感应加热器运动轨迹：感应加热器应随坯料的形状改变而相应实时调整角度和位置，保证感应加热器始终靠近处于动态旋压变形的坯料；

(104)工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热；

(105)旋压成形：旋压成形开始前，使感应加热器靠近坯料，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终靠近坯料，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。

由于旋轮轨迹决定了坯料形状的变化，因此能够根据旋轮轨迹确定感应加热器移动距离和旋转的角度；

具体的，步骤103中感应加热器运动轨迹设计方法包括如下步骤：

(201)每一道次旋压开始前，感应加热器的轨迹均为上一道次旋轮轨迹向外平移4-6mm，即感应加热器与坯料距离约为4-6mm，其中，对于第一道次旋轮轨迹，将板材坯料外轮廓作为其上一道次旋轮轨迹；

(202)旋压过程中，坯料在旋轮的作用下发生较大的变化，为始终对坯料进行加热，多段感应加热器应随坯料的形状改变而相应调整角度和位置，当旋轮运动距离大于第一个感应加热器长度时，调第一个整感应加热器使其达到本道次旋轮轨迹向外平移4-6mm，即感应加热器与坯料距离为4-6mm；后续的感应加热器相应调整，最终使多个感应加热器都与坯料相距4-6mm。

优选的，旋压过程中，在进行多个感应加热器位置和角度调整时，为了避免感应器之间加热效果受到互相干扰，应始终保证多个感应加热器运动时不会发生干涉。

旋压结束后，旋轮开始回撤，旋压件口部材料受力逐步减小会发生弹性回弹(直径扩大)，此时坯料与感应加热器会直接接触，旋转的坯料和不旋转的感应加热器摩擦导致损坏；

为此，优选的，每道次旋压结束时，先将最后一个感应加热器与坯料之间的距离调大至10mm，再根据旋压件口部回弹量实际情况继续调整旋轮与模具间隙至4-6mm。

优选的，所述分段感应加热器能够根据坯料不同位置温度的反馈，调整输出功率，实现感应加热器加热温度的实时调整；例如利用红外测温仪监测坯料不同位置温度的温度，并反馈给感应加热器的控制系统，控制系统根据反馈信号值实时调整相应的输出功率即可；

由于坯料直径越大的位置需要的加热功率越高，通过感应加热输出功率的调整能够实现坯料的均匀加热，提高材料的变形均匀性，进而提高材料的壁厚和直径精度。

由于最终成型零件结构不同，因此需采用不同道次的旋压过程，板材坯料多道次旋压成形过程一般通过选择合适的减薄率，优选采用3-10道次不等的成形道次。

优选的，为了适应旋压过程中坯料的复杂形状，每一个感应加热器的长度均大于50mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)提出板材料分段感应加热的方法，能够实现加热过程中对板材坯料形状的实时跟随，确保旋压成形全过程的连续加热。

(2)分段感应加热，还能够根据坯料直径的差异，分别调整感应加热输出功率，保证了旋压零件组织的均匀性和稳定性。

(3)本发明通过在旋压结束后首先外调感应加热器的方式，能够有效避免在旋轮开始回撤时，旋压件口部材料发生弹性回弹，造成坯料与感应加热器直接接触的摩擦损坏问题。

(4)本发明的旋压过程中，为了避免感应器之间加热效果受到互相干扰，在进行多个感应加热器位置和角度调整时，使多个感应加热器运动时不会发生干涉。

附图说明

附图说明

附图1是旋压成形工艺示意图；

附图2是现场火焰加热旋压成形；

附图3是棒材的感应加热过程；

附图4是感应加热器结构示意图；

附图5是开始旋压阶段的示意图；

附图6是旋压过程中的示意图；

附图7是板材分段感应加热示意图。

附图标记说明

图中：1-感应加热器；2-旋压坯料；3-旋压模具；4-旋轮；5-尾顶；6-红外测温仪；7-数控系统。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例一

步骤1：旋轮进给轨迹设计：根据零件结构设计旋轮的进给轨迹，板状坯料一般采用多道次旋压成形的方法，通过调整合适的减薄率，本试验进行5道次旋压成形；

步骤2：选择感应加热器数量：为了适应旋压过程中坯料的复杂形状，每一个感应加热器的长度一般大于50mm，每一段感应加热器由数控设备的机械手臂控制其位移和转动角度，且根据要加工零件结构选择合适的分段感应加热器数量，满足感应加热器的总长不小于零件母线长度的需求。

步骤3：设计感应加热器运动轨迹：

①旋压开始前，感应加热器的轨迹为上一道次旋轮轨迹向外平移4mm，即感应加热器与坯料距离为4mm；其中，对于第一道次旋轮轨迹，将板材坯料外轮廓作为其上一道次旋轮轨迹；

②旋压过程中，坯料在旋轮的作用下发生较大的变化，为始终对坯料进行加热，感应加热器应随坯料的形状改变而相应调整角度和位置，旋轮运动距离大于第一个感应加热器长度时，调第一个感应加热器使其达到本道次旋轮轨迹向外平移约4mm，即感应加热器与坯料距离为4mm，后续的感应加热器相应调整，最终使多个感应加热器都与坯料相距约4mm；

③旋压结束后，旋轮开始回撤，旋压件口部材料受力逐步减小而发生弹性回弹(直径扩大)，此时坯料与感应加热器会直接接触，旋转的坯料和不旋转的感应加热器摩擦导致损坏，为此，每道次旋压结束时，先将最后一个感应加热器与坯料之间的距离调大至10mm，再根据旋压件口部回弹量实际情况继续调整旋轮与模具间隙至4mm左右。

步骤4：工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹等工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热。

步骤5：旋压成形：旋压成形开始阶段，感应加热器与坯料相距4mm左右，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终距离坯料4mm左右，且应避免多个感应加热器运动时发生干涉，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。

实施例二

步骤1：旋轮进给轨迹设计：根据零件结构设计旋轮的进给轨迹，板状坯料一般采用多道次旋压成形的方法，通过调整合适的减薄率，本试验进行9道次旋压成形；

步骤2：选择感应加热器数量：为了适应旋压过程中坯料的复杂形状，每一个感应加热器的长度一般大于50mm，每一段感应加热器由数控设备的机械手臂控制其位移和转动角度，且根据要加工零件结构选择合适的分段感应加热器数量，满足感应加热器的总长不小于零件母线长度的需求。

步骤3：设计感应加热器运动轨迹：

①旋压开始前，感应加热器的轨迹为上一道次旋轮轨迹向外平移5mm，即感应加热器与坯料距离为5mm；其中，对于第一道次旋轮轨迹，将板材坯料外轮廓作为其上一道次旋轮轨迹；

②旋压过程中，坯料在旋轮的作用下发生较大的变化，为始终对坯料进行加热，感应加热器应随坯料的形状改变而相应调整角度和位置，旋轮运动距离大于第一个感应加热器长度时，调第一个感应加热器使其达到本道次旋轮轨迹向外平移约5mm，即感应加热器与坯料距离为5mm，后续的感应加热器相应调整，最终使多个感应加热器都与坯料相距约5mm；

③旋压结束后，旋轮开始回撤，旋压件口部材料受力逐步减小而发生弹性回弹(直径扩大)，此时坯料与感应加热器会直接接触，旋转的坯料和不旋转的感应加热器摩擦导致损坏，为此，每道次旋压结束时，先将最后一个感应加热器与坯料之间的距离调大至10mm，再根据旋压件口部回弹量实际情况继续调整旋轮与模具间隙至5mm左右。

步骤4：工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹等工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热。

步骤5：旋压成形：旋压成形开始阶段，感应加热器与坯料相距5mm左右，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终距离坯料5mm左右，且应避免多个感应加热器运动时发生干涉，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。

实施例三

步骤1：旋轮进给轨迹设计：根据零件结构设计旋轮的进给轨迹，板状坯料一般采用多道次旋压成形的方法，通过调整合适的减薄率，本试验进行7道次旋压成形；

步骤2：选择感应加热器数量：为了适应旋压过程中坯料的复杂形状，每一个感应加热器的长度一般大于50mm，每一段感应加热器由数控设备的机械手臂控制其位移和转动角度，且根据要加工零件结构选择合适的分段感应加热器数量，满足感应加热器的总长不小于零件母线长度的需求。

步骤3：设计感应加热器运动轨迹：

①旋压开始前，感应加热器的轨迹为上一道次旋轮轨迹向外平移6mm，即感应加热器与坯料距离为6mm；其中，对于第一道次旋轮轨迹，将板材坯料外轮廓作为其上一道次旋轮轨迹；

②旋压过程中，坯料在旋轮的作用下发生较大的变化，为始终对坯料进行加热，感应加热器应随坯料的形状改变而相应调整角度和位置，旋轮运动距离大于第一个感应加热器长度时，调第一个感应加热器使其达到本道次旋轮轨迹向外平移约6mm，即感应加热器与坯料距离为6mm，后续的感应加热器相应调整，最终使多个感应加热器都与坯料相距约6mm；

③旋压结束后，旋轮开始回撤，旋压件口部材料受力逐步减小而发生弹性回弹(直径扩大)，此时坯料与感应加热器会直接接触，旋转的坯料和不旋转的感应加热器摩擦导致损坏，为此，每道次旋压结束时，先将最后一个感应加热器与坯料之间的距离调大至10mm，再根据旋压件口部回弹量实际情况继续调整旋轮与模具间隙至6mm左右。

步骤4：工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹等工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热。

步骤5：旋压成形：旋压成形开始阶段，感应加热器与坯料相距6mm左右，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终距离坯料6mm左右，且应避免多个感应加热器运动时发生干涉，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范。