热成形长形金属棒材的方法和设备的制作方法

专利名称：热成形长形金属棒材的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属部件、尤其是长形金属棒材的热拉伸巻绕成形
(hot stretch-wrap forming )。更具体地说，本发明涉及通常难以拉伸 巻绕成形的钛、钛合金及类似金属的热拉伸巻绕成形。尤其是，本发 明涉及利用具有热绝缘和电绝缘工作表面的模具来对金属型材(metal form )进行热拉伸巻绕成形。
2.
背景技术：
本发明涉及在高温下成形的长形金属部件的热拉伸巻绕成形，所 述金属部件尤其是通过挤压、锻造、轧制、机加工或这些方法的组合 而制造的由钛合金制成的部件。钛合金由于它们极好的机械和耐腐蚀 性能并且重量较轻而作为航空航天材料广泛使用。然而，众所周知， 钛合金一般难以成形，且需要加热到很高温度以便合适地成形这些部 件。钬合金供在航空器的成型结构件(contoured structural members) 中使用十分理想，但由于缺少合适和经济上可行的用以成形这些成型 结构件的方法，这些结构件的成形很受限制。随着对重量轻而强度高 的结构部件如先进飞机中的翼弦(chords)的需要的增加，对这些部
件的需求增加。
目前可用于成形长形钛部件的一种方法通称为"沖击成形法 (bump forming )"。这种方法包括将长形部件放在炉子中加热到预定 温度，在达到预定温度时将部件从炉子中取出并放在压型机的成形机 组上。压型机施加弯曲力以造成部件的局部变形。在成形期间部件的 温度快速下降，因而成形的阻力显著增加。因此，沖击成形法要求重 复的加热周期，以便完成成形过程，这样耗费时间和资金。此外，由 冲击成形所产生的弯曲力矩引起在中性轴线之上的这段部件产生拉伸
5应力并且在自然轴线之下产生压缩应力，上述拉伸应力和压缩应力分 别导致在部件中产生裂紋和折皱。在部件内的相当大的应力梯度使得 难以控制所成形的部件的几何形状。此外，由部件的复合应力状态所 引起的局部变形促进了其中大量残余应力的生成，而这要求用价格高 的夹具进行离线应力消除处理。冲击成形法还受到缺乏能够不依靠试 错法而得到所希望的外形的导向工具这一缺点的制约。它还难以保持 例如沿着凸缘及类似物之间的角度的横断面的结构整体性。已经提出
后热定径(post hot sizing )来改善成形部件的尺寸整体性。最后，沖 击成形法不适合于计算机模拟。
尽管热拉伸巻绕成形的总体构想业已问世一段时间，但已知的现 有技术方法不适合于经济地成形用难以成形的钛合金或其它材料制成 的部件。授予Maloney的美国专利2，952，767公开了 一种用于拉伸巻 绕成形长形棒材的设备，所述长形棒材通过电阻加热进行加热，并围 绕金属模具巻绕，上述金属模具通过模具组件内的常规加热元件进行 加热。用这种配置的主要问题是当加热的模具和金属部件相互接触时， 在它们之间产生电分流效应(electrical shunting effect),该效应导致 部件的局部过热和缩颈。
授予Morries等人的美国专利4,011,429注意到上述分流效应，并
设法通过并联地电连接模具和金属部件，用电阻加热模具和长形的金 属部件二者并用相同电压加热它们来克服这个问题。遗憾的是，这种
配置不实用，因为模具和部件的并联加热要求复杂而价格过高的模具 配置。此外，这种方法要求将部件预热到一定温度，该温度显著低于 部件的成形温度，而同时将模具加热到成形温度，因此，只有部件在 与模具接触时的接触部分能升高到成形温度，这样导致在部件的接触 部分和不接触部分之间产生不均匀的屈服强度。由于变形过程不均匀， 所以要保持所成形的部件的结构整体性并减少残留应力的生成是极其 困难的。
本发明解决这些和另一些问题，如通过下述说明而将显现的那样。 发明概述本发明提供一种设备，包括模具，所述模具具有一工作表面， 该工作表面由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成；其中工 作表面适于在金属型材的热拉伸巻绕成形期间围绕该工作表面巻绕金 属型材； 一组第一和第二间隔开的夹头，所述夹头适于夹紧金属型材； 其中各夹头可移动而彼此离开，从而夹头适于向金属型材施加拉伸力； 并且其中夹头组和模具中的至少一个可相对于夹头组和模具中的另一 个在巻绕前形态和巻绕后形态之间移动，因而夹头组和模具之间的相 对运动适于围绕模具的工作表面巻绕金属型材。
本发明还提供一种方法，包括以下步骤加热金属型材；向金属 型材施加拉伸力；和围绕工作表面巻绕金属型材，上述工作表面用热 绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一 形成。 附图简介


图1是本发明的热拉伸巻绕成形设备的示意顶部平面图，其中示 出在围绕模具巻绕之前模腔内的热绝缘和电绝缘材料及金属棒材。
图2是沿着图1的线2-2所取的剖视图，其中示出模腔内两层绝 缘材料。
图3是类似于图2的剖视图，其中示出金属棒材插入具有将模具
和金属棒材分开的绝缘材料的模腔内。
图4类似于图1,其中示出夹头已从图1的开始位置移动到图4
的完成位置以便围绕模具的工作表面巻绕长形的棒材。 图5是本发明的夹头的其中之一的示意侧视图。 图6类似于图3，其中示出单层绝缘层而不是双层绝缘层。 图7类似于图6，其中示出具有不同的配置的金属型材(metal
form)和模腔。
在各附图中，同样的标号指代同样的部件。
发明详细说明
本发明的热拉伸巻绕成形设备在图1中总体地用标号10表示。设 备10包括模具12和一对间隔开的夹头14，所述夹头14设置用于夹 紧一金属型材，示出的所述金属型材为长形的金属棒材16,上述夹头14邻近才奉材16的相应端部夹紧，以-使当加热时拉伸所述金属棒材16 并围绕模具12巻绕棒材16。设备10对用钛合金制成的棒材的热拉伸 巻绕成形尤其有用。夹头14附接到相应的摆臂上，所述摆臂未示出， 但在该技术领域中是公知的。每个夹头14都通过导线或电线20与电 源18连通，以便形成以电阻方式加热金属棒材16的电路。设备10 的示例性实施例示出模具12通过电线22与电源18电连通，以便形成 电路，如果需要的话，模具12可以通过该电路以电阻方式被加热。此 外，可以任选地将多个加热元件24插入模具12中，用于将所述模具 加热。模具12包括主体，所述主体具有模具表面或模腔边界表面26， 所述模腔边界表面26限定T形模腔28 (图2 )。表面26和模腔28具 有拱形构造，所述拱形构造从模具12的第一端30延伸到模具12的第 二端32。
第一或内绝缘层34和第二或外绝缘层36用作模具表面覆盖层， 所述模具表面覆盖层在热拉伸巻绕成形过程期间可设置在模具表面 26和金属棒材16之间。示出的第一和第二层34和36设置在模腔28 内，同时第一层34以基本上连续的方式从模具12的第一端30到第二 端32贴着模具12的表面26。第二层36同样以基本上连续的方式从 第一端30到第二端32贴着第一层34。第一和第二层34和36顺应才莫 具12的表面26,并因此形成一 T形构造。第二层36限定一工作表面 38，所述工作表面38在巻绕过程期间贴着金属棒材16。
如图2所示，金属棒材16具有一 T形横断面，所述T形横断面 具有与T形模腔28和工作表面38匹配的构造。工作表面38限定一 T 形工作空间40,棒材16在拉伸巻绕过程期间设置在上述工作空间40 中。
更具体地说，第一和第二层34和36之中的每一层优选采用热绝 缘和电绝缘的材料形成。可供选择地，如果希望的话，第一和第二层 34和36的其中之一可以用热绝》彖材料制成，而另一层可以用电绝多彖 材料制成。尽管优选的是在模具12和棒材16之间提供热绝缘和电绝 缘层，但可以设想，视环境而定，可以只用一层热绝缘层或只用一层电绝缘层。
参照图5说明每个夹块14的配置。夹块14包括第一和第二间 隔开的臂42和44;第一和第二绝缘件46和48，它们分别连接到上述 臂42和44上，并设置在臂42和44之间；及第一和第二夹紧件50 和52,所述第一和第二夹紧件50和52分别连接到绝缘件46和48上， 并设置在它们之间。因此，第一绝缘件46防止第一臂42和第一夹紧 件50之间的电连通，而第二绝缘件48同样防止第二臂44和第二夹紧 件52之间电连通。当夹紧棒材16时，第一夹紧件50与电线20以及 金属棒材16电连通，因此第一夹紧件50是上述用于提供金属棒材16 的电阻式加热的电路的一部分。图5中所示的电气连接方案是用于举 例说明的目的，并不排除电线20与第二夹紧件52或与两个夹紧件50 和52的连接。
在示例性的实施例中，第一和第二层34和36用挠性耐火材料形 成。这使第一和第二层34和36能很容易地顺应模腔的形状。此外， 使用这种挠性层可提供在巻绕过程之前设置各层的通用性。例如，在 金属棒材插入模腔之前，可以将各层设置在模腔内(如图5所示)，巻 绕一部分或全部金属棒材，或者简单地悬置在模腔和金属棒材之间， 以便把金属棒材插入到模腔中将绝缘材料压成所希望的形状。第 一和 笫二层34和36通常是耐火陶瓷表面层(blanket )。 一种这样的合适 陶瓷表面层采用商品名称Kaowool销售。这种陶瓷表面层通常提供如 上所述的热绝缘和电绝缘性能，并用编织的陶瓷织物或纤维制成。这 些挠性表面层当退化变质到一定程度以致对本发明的目的不再有用 时，也很容易从模腔中或金属棒材上取出。
尽管这种陶资表面层是理想的绝缘材料的一种形式，但也可以利 用其它合适的材料，所述合适的材料提供本发明所需的热和/或电绝缘 性能，并能承受在巻绕过程期间所用的热和压力。
设备10的操作参照图l-4加以说明。参见图1,操纵电源18，以 便使电流流过金属棒材16,将金属棒材16以电阻方式加热到预定的 温度。 一旦达到这个温度，夹头14就施加一如箭头A所示的向外拉伸的力，也就是说纵向拉力或张力。其间，视环境而定，模具12可以 加热或者可以不加热。如果模具12需要加热，则可以操纵电源18， 以^更通过电线22以电阻方式加热才莫具12和/或可以将加热元件24加 热来加热模具12。无论模具12是否加热，然后将夹头14朝模具12 方向移动，以便将金属棒材16移动到工作空间40中，如图3和4中 箭头B处所示。可供选择地或者作为组合，可以移动模具12以便有 助于模具12和夹头14之间的相对运动。然后如图4中箭头C所示移 动夹头14，以便迫使金属棒材16顶着层36的工作表面38，使金属棒 材16围绕模具12巻绕，以便形成如图4所示的成形部分的拱形构造。 在金属棒材16围绕模具12巻绕期间持续施加纵向拉伸力到金属棒材 16上。因此，夹头14从图1所示的设备10的巻绕前形态移动到图4 所示的巻绕后形态。
层34和/或36的电绝缘性能防止金属棒材16和模具12之间的电 分流，所述电分流已在本发明的背景部分中说明。此外，层34和/或 36的热绝缘性能尽量减少或消除金属棒材16的过热点，所述过热点 可能在没有层34和/或36的热绝缘性能的情况下由模具12在它被加 热时和尤其是如果不均匀加热时引起。热绝缘性能也可允许不加热模 具12或者在比已知现有技术构造显著降低的水平下加热模具12来使 用模具12。
因此，设备10提供一种构造，所述构造用于电阻式加热金属棒材 16，而不会在巻绕操作期间产生分流问题或者过热点。这是十分有利 的，因为金属棒材16的电阻式加热提供用于在整个金属棒材上均匀加 热。优选的是，金属棒材16加热到一特定温度范围，在较低的应变速 率下拉伸，并且在整个过程中都保持在该温度范围内，且在巻绕过程 后保温一段时间，以便使金属棒材以它的最终形式而成形，同时在所 成形的部件内基本上没有回弹或者基本上没有不希望有的拉伸应力或 压缩应力。如果希望的话，在保温期间可以继续纵向拉伸。优选的是， 即使模具12不单独加热或者加热到显著低于棒材16成形温度的温度， 在整个拉伸和巻绕过程中以及任何保温期间都保持棒材16的均匀温
10度。绝缘层34和/或36十分有助于保持这个均勻温度的能力，因为相 应地减少了棒材16的热损失并防止了上述过热点。在题为"在长形金 属棒材中蠕变成形和消除应力的方法和设备，，的共同待批专利申请中 更详细说明了本发明的一些优选方面的设备和方法，上述申请与本申 请同时递交并包括在本文中作为参考。
图6示出可供选择的实施例，其中只用一层绝缘层34，这样消除 了一层36。如上所述，层34可以视具体环境而定具有热和/或电绝缘 性能，不过通常希望热和电绝缘性能二者兼备。
图7示出可供选择的模具54，所述模具54限定U形模腔供与大 体U形金属棒材56 —起使用。第一和第二层58和60用与层34和36 类似的方式使用，并顺应模具54的模腔的U形构造。因此图7表示 该方法可以用于具有各种不同横断面形状的金属棒材。其它形状可以 具有面向外的凹槽，如相对于棒材56颠倒的U形构造。这些凹槽填 充以长形的挠性构件，以便在热拉伸成形期间保持合适的构造，例如 用于防止倒U形棒材的支脚朝向彼此而变形。
在上述说明中，为了简便、清楚、和便于理解起见，使用了一些 术语。这些术语并非意味着加一些超出现有技术要求的范围的不必要 的限制。因为这些术语是用于说明的目的，并且应作广义解释。
另外，本发明的说明和图示是例示性的，本发明不限于所示出或 说明的一些具体细节。
权利要求
1. 一种设备，包括模具，所述模具具有一工作表面，该工作表面由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成；其中工作表面适于在金属型材的热拉伸卷绕成形期间围绕该工作表面卷绕金属型材；一组第一和第二间隔开的夹头，所述夹头适于夹紧金属型材；其中各夹头可移动而彼此离开，从而夹头适于向金属型材施加拉伸力；并且其中夹头组和模具中的至少一个可相对于夹头组和模具中的另一个在卷绕前形态和卷绕后形态之间移动，因而夹头组和模具之间的相对运动适于围绕模具的工作表面卷绕金属型材。
2. 如权利要求l所述的设备，其中工作表面由热绝缘和电绝缘材 料形成。
3. 如权利要求l所述的设备，其中绝缘材料包括陶瓷材料。
4. 如权利要求l所述的设备，其中绝缘材料包括纤维状耐火材料 的挠性表面层。
5. 如权利要求l所述的设备，其中模具包括主体，所述主体具有 模具表面和覆盖层，所述覆盖层包括所述工作表面；并且其中覆盖层 能邻近模具表面设置，从而覆盖层适于设置在模具表面和金属型材之 间。
6. 如权利要求l所述的设备，其中模具具有金属外表面和热绝缘 材料的第一层，所述热绝缘材料的第一层能与金属外表面贴紧或邻近 金属外表面设置，从而第一层适于在金属型材的热拉伸巻绕成形期间 减少金属型材和模具的金属外表面之间的传热。
7. 如权利要求6所述的设备，其中形成笫一层的材料是电绝缘材 料，从而第一层适于在金属型材的热拉伸巻绕成形期间防止金属型材 和模具的金属外表面之间电连通。
8. 如权利要求6所述的设备，其中模具包括电绝缘材料的笫二层，所述电绝缘材料的第二层能设置在第一位置和第二位置的其中之一 处，上述第一位置在金属外表面和第一层之间，而在上述第二位置中 第一层设置在金属外表面和第二层之间，从而第二层适于在金属型材 的热拉伸巻绕成形期间防止金属型材和模具的金属外表面之间电连 通。
9. 如权利要求l所述的设备，还包括加热源，所述加热源适于将 金属型材加热到成形温度。
10. 如权利要求9所述的设备，其中加热源包括电源和一对与电 源电连通的电导体；电导体适于与金属型材电连通，用于以电阻方式 加热金属型材。
11. 一种方法，包括以下步骤 加热金属型材；向经过加热的金属型材施加拉伸力；和围绕工作表面巻绕经过加热的金属型材，上述工作表面是由热绝 缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成的。
12. 如权利要求11所述的方法，其中巻绕步骤包括围绕具有一层 材料的金属模具的表面巻绕经过加热的金属型材的步骤，上述一层材 料将金属模具的表面与经过加热的金属型材隔开，其中上述一层材料 由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成。
13. 如权利要求11所述的方法，其中巻绕步骤包括围绕具有一层 电绝缘材料的金属模具的外表面巻绕经过加热的金属型材的步骤，所 述一层电绝缘材料层将金属模具的外表面与经过加热的金属型材隔 开，以防止金属型材和金属模具之间电连通。
14. 如权利要求11所述的方法，其中巻绕步骤包括围绕工作表面 巻绕经过加热的金属型材的步骤，该工作表面由既热绝缘又电绝缘的 材料形成。
15. 如权利要求11所述的方法，其中巻绕步骤包括围绕工作表面 巻绕经过加热的金属型材的步骤，该上述工作表面至少部分地由陶瓷 材料形成。
16. 如权利要求11所述的方法，其中巻绕步骤包括围绕工作表面巻绕经过加热的金属型材的步骤，该工作表面至少部分地由纤维状耐火材料的表面层形成。
17. 如权利要求11所述的方法，其中加热步骤包括使电流通过金属型材以便以电阻方式加热金属型材的步骤。
18. 如权利要求11所述的方法，还包括设置覆盖层的步骤，所述覆盖层包括位于金属型材和模具主体的模具表面之间的工作表面；并且其中巻绕步骤包括围绕覆盖层和模具表面巻绕经过加热的金属型材的步骤。
19. 如权利要求11所述的方法，还包括将金属型材插入模腔以将挠性层压靠到将模腔定边界的模腔边界表面上以便使挠性层顺应模腔边界表面并顺应金属型材的匹配外表面的步骤，其中挠性层由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一 形成。
20. 如权利要求11所述的方法，其中加热步骤包括将金属型材加热到一定温度的步骤，该温度在整个金属型材上是基本上均匀的；并且还包括在整个巻绕步骤中保持该基本上均勻的温度的步骤。
全文摘要
热拉伸卷绕成形设备，包括模具和一组间隔开的夹头，上述模具具有由热和/或电绝缘材料形成的工作表面，而上述一组间隔开的夹头用于围绕工作表面拉伸卷绕金属型材。优选的绝缘材料是编织的陶瓷材料表面层。利用加热源来在拉伸卷绕之前加热金属型材。金属型材优选采用电阻式加热，以保持整个金属型材的均匀温度。模具通常主要是用金属形成，并因此绝缘材料将金属型材与模具的金属热隔离开以便防止在它们之间产生过热点。另外绝缘材料还将金属型材与模具的金属电绝缘开以便防止它们之间分流。
文档编号B21D37/16GK101505888SQ200780016841
公开日2009年8月12日 申请日期2007年5月8日 优先权日2006年5月11日
发明者A·R·凯斯卡, A·巴伯, 皆川邦典 申请人:Rti国际金属公司