一种金属管材的增量式温差胀形装置及胀形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属管材的热胀形技术领域，具体是一种金属管材的电磁感应加热增 量式温差胀形装置及方法
【背景技术】
[0002] 各种尺寸和形状的金属管材被广泛的应用在航空航天、汽车、石油化工以及电力 系统等领域。在航空航天等领域，管材的材质除了常用的钢、铜、铝等金属材料外，还大量采 用钛合金、铝合金、高温合金等金属材料，这些金属材料在室温下的塑性差，成形所需要的 压力大，同时材料的回弹大，精度不易控制，而适当提高成形温度则能够克服这些问题。电 磁感应加热就是采用向电磁感应线圈中通入高频交流电流的方式，使得电磁感应加热线圈 周围产生磁场，磁场内的磁力线通过金属管材且在金属管材表面产生涡流，从而使管材本 身发热，进而温度升高。
[0003] 金属管材的增量式温差胀形采用电磁感应加热的方式对管材进行加热，在管坯成 形前，调整线圈的位置，使其位于模具过渡区域的起始位置。开通电源后，由于线圈只覆盖 这部分的管坯，则只在这部分的管坯表面产生温升，而其他部分管坯的温度基本保持不变。 由于高温下材料的塑性较常温下的塑性好，同时材料变形抗力低，因此此时向管坯中充入 气体，管坯在气体压力的作用下发生塑性变形，并逐渐贴靠模具，同时，管坯两端的冲头推 动管坯向型腔中补料，由于管坯温差的原因，管坯的变形只发生在加热的这一部分，并且在 轴向冲头进给的配合下，能够保持在胀形中管材的厚度基本不变。在完成这一部分管坯的 加热以及胀形后，将线圈移动一个长度到达下一位置后停止，此时在线圈的覆盖位置管坯 的温度升高，保持管坯中气体的压力，同时管坯两端的冲头推动管坯向型腔中配合补料，直 到这一部分的管坯胀形完成。继续移动线圈，对其所加罩部位的管坯进行加热以及带轴向 进给的充气胀形，如此移动线圈并胀形，按照这种增量式温差胀形的方式，逐渐完成管材的 胀形，直到整个管材都贴靠模具，最终获得符合精度要求的管材零件。
[0004] 在管材的热胀形研宄中，中国专利CN 1751819A(轻合金管材热态内高压成形方 法）介绍了轻合金管材空心变截面部件热态内高压成形的方法，其装置包括：冲头、模具、 热态液体、加热装置和管路，该发明采用热电阻方式将模具加热到适当温度，再将管坯放 入模具中密封，通过向管坯中注入热态液体介质的方式实现对管坯的加热，同时控制冲头 的轴向进给量，最终成形出轻合金管材零件，解决了轻合金在常温下加工困难的问题。但 是，由于液体介质的加热温度有限，这使得管材的加热和成形温度受到限制，并且在成形的 过程中对模具加热，这降低了模具的整体强度。同时，这种整体式的加热保温方法对能源的 消耗量大，并且成形中管材厚度的均匀性不易保证。
[0005] 因此，需要设计一种金属管材的电磁感应加热增量式温差胀形装置，实现只加热 管坯而不加热模具，并且只对管材的局部进行加热和胀形，采用增量式的方法逐渐成形出 管材零件，解决在轴向进给与气体压力相结合胀形时管材的失稳和起皱问题，同时这种增 量式的温差胀形方法能够保证成形后管材壁厚分布的均匀性。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术中存在的胀形时管材的失稳和起皱不足，能够保证成形后管材壁 厚分布的均匀性，本发明提出了一种金属管材的增量式温差胀形装置及胀形方法。
[0007] 本发明包括胀形模具、电磁感应加热机构以及线圈进给机构。所述胀形模具中的 上半模和下半模对合形成了胀形模具。所述带孔冲头和无孔冲头分别位于所述胀形模具的 两端，并使带孔冲头、无孔冲头和胀形模具三者的中心线重合。线圈进给机构位于所述胀形 模具外一侧，使电磁感应加热机构中的电磁感应线圈套装在所述胀形模具的外圆周上，并 与之同轴；电磁感应线圈与胀形模具之间有一定间隙，不发生接触。
[0008] 所述上半模为半圆环形柱，该上半模长度方向的中部的内腔形成了模具的型槽， 该型槽的两端为管坯的定位段，该定位段的直径与管坯的外径相同。在该型槽的中部为胀 形段，胀形段的两端通过过渡段分别与两侧的定位段连接。所述下半模的结构与所述上半 模相同。所述带孔冲头的中心有气体通孔。
[0009] 所述线圈进给机构中的丝杠安装在滑动支架的上表面，滑块套装在该丝杠上。连 接杆的一端与支撑块固连在一起，另一端与滑块的小端连接。所述滑块的小端位于滑动支 架的滑槽内，滑块的大端与丝杠连接，将丝杠的旋转运动转化为滑块的直线运动。所述连接 杆、滑动支架以及丝杠均与管坯的轴向方向平行。
[0010] 本发明提出的利用所述金属管材的增量式温差胀形装置胀形的具体的步骤如 下：
[0011] 第一步，工装准备；
[0012] 第二步，胀形参数的确定：所述的胀形参数包括气体压力P、上半模与下半模之 间的合模力F、线圈每次的移动量a和每个冲头第i次的轴向进给量Λ比。
[0013] 确定气体压力p :
[0014] 根据公式（1)确定管材胀形中通入气体的压力，根据材料的高温力学性能以及成 形管件的最小圆角半径，通过公式（1)确定充气胀形中的成形压力：
[0015] P = - σ, (U r
[0016] 其中，t是管件的壁厚，r是成形管件的最小圆角半径，〇 3是材料在成形温度下的 屈服强度。
[0017] 确定上半模与下半模之间的合模力F :
[0018] 根据公式（2)确定两个模具之间的合模力：
[0019] F = ρ · s (2)
[0020] 其中，P是管材胀形时的最大气体压力，s是模具型腔的投影面积。
[0021] 确定线圈每次的移动量a :
[0022] 根据管材零件的具体结构特征，将胀形模具的过渡段和胀形段沿着轴向方向分解 成为η段长度相等的加热段，每段的长度均为a，通过式（3)确定将胀形模具加热段的数量