一种复杂形状金属管件热成形方法

本发明属于复杂形状金属管件加工，具体涉及一种复杂形状金属管件热成形方法，该方法通过热膨胀石墨作为传力介质，利用其加热膨胀的性能对复杂形状金属管件进行热成形。

背景技术：

1、变径管件、枝杈管件、局部有凸起管件等复杂形状金属管件是航空、航天、汽车等领域常见的结构件。传统的制造主要采用管材径向加载增大直径的胀形方法，如刚模胀形、聚氨酯胀形、流体胀形等。如果管件形状比较复杂，容易出现减薄、破裂等质量问题，还需要轴向加载并与径向载荷配合作用，使管坯直径增大的同时，依靠非变形区向变形区补充的方法，如流体内高压成形方法、聚氨酯成形等。

2、除此之外，如果管件形状过于复杂，不仅需要非变形区材料向变形区补充，还需要在一定温度条件下借助材料高温软化效应，才能实现此类零件的成形，如热介质内高压成形。然而，无论是内高压成形还是热介质内高压成形过程，都需要轴向和径向载荷的匹配，操作和控制过程相对比较复杂。

3、热膨胀石墨是由天然石墨鳞片经人工合成的方法，将其他分子或原子、离子插入其层间形成的材料。高温环境下热膨胀石墨内部插层物会迅速吸热汽化，对石墨片层结构产生推力，从而使体积发生较大膨胀。可用于轻合金钣金件的热成形，也可用于复杂管件热弯曲过程中的填充物。

技术实现思路

1、为了简化过程、方便操作，本发明提出一种复杂形状金属管件热成形方法。一定温度环境条件下，只进行管坯的轴向加载，径向载荷依靠热膨胀石墨高温膨胀提供。具体为：把热膨胀石墨放入管坯，将管坯中热膨胀石墨进一步压实，然后把装有膨胀石墨管坯的两端部密封，防止加热过程膨胀石墨溢出。之后加热并达到一定温度后，由于受到温度的影响，热膨胀石墨开始膨胀，作用于管坯径向使管坯直径增大。同时，通过轴向压缩管坯，使管坯轴向非变形区材料向变形区流入，抑制由于管坯在热膨胀石墨膨胀力作用下直径增大而导致的壁厚减薄，成形出形状复杂的金属管件。

2、相比较其它成形方法，热膨胀石墨耐热性好，膨胀温度范围广，可用于铝合金、镁合金、钛合金等难变形金属管件热成形。同时，热膨胀石墨高温可膨胀量较大，可满足变径管件、枝杈管件、局部有凸起管件变形的需要。因此，加热到金属成形初始温度时，采用热膨胀石墨并在轴向力作用下可以成形出形状复杂金属管件。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种复杂形状金属管件热成形方法，包括如下步骤：

5、步骤1：根据金属管件形状和尺寸特点，选用对应的金属管材或板材制成所需管坯；

6、步骤2：将热膨胀石墨放入管坯中，之后把管坯中热膨胀石墨压实，得到填充热膨胀石墨的管坯；

7、步骤3：将管坯放入下模，然后将上模闭合；

8、步骤4：通过加热装置对填充热膨胀石墨的管坯整体或局部区域加热至起始膨胀温度，得到加热后管坯；

9、步骤5：控制冲头进行轴向压缩管坯，使管坯轴向非变形区材料向变形区流入；

10、步骤6：继续加载到成形温度，管坯继续保持轴向压缩和径向直径增大，直至与刚性模具的型腔完全贴合，冲头停止移动；

11、步骤7：停止加热，冷却至室温；

12、步骤8：移开冲头，开模，取出热膨胀石墨，得到形状复杂的金属管件。

13、所述的步骤1中，制坯采用管材切割或板材卷制中的一种。

14、所述的步骤2中，热膨胀石墨的用量根据成形零件尺寸确定，计算中空零件内部容积，从而确定所需热膨胀石墨的体积。

15、所述热膨胀石墨包括天然石墨鳞片由酸性物质经酸洗制得的石墨或者由强氧化物质氧化插层制得的石墨。

16、所述的步骤4中，管件热成形起始温度为管件封闭高温状态下热膨胀石墨使其变形的最低温度，但不超过管件热成形温度。测量方式具体为：将热膨胀石墨放入管坯并封闭两端，加热管坯和热膨胀石墨，测量管坯直径变化量达到2％时的温度作为管件热成形起始温度。

17、所述的热膨胀石墨的起始膨胀温度从200℃至900℃。复杂金属管件热成形中，选取的热膨胀石墨的起始膨胀温度应小于管坯的热成形温度，并保证在热膨胀石墨产生的膨胀力大于管坯直径增大所需的力。

18、所述的步骤4中，成形温度通过温度控制装置进行设置，并通过测温传感器测定温度，测温传感器将测定的温度传送到温度控制系统，当测定的温度没有达到设置的成形温度时，温度控制系统控制加热装置进行加热；当测定的温度达到设置的成形温度时，温度控制系统控制加热装置处于保温状态。温度控制装置包括测温传感器、温度控制系统，测温传感器用于测定成形温度，测温传感器和温度控制系统连接，温度控制系统和加热装置连接。

19、所述的步骤5中，轴向压缩管坯，压缩量一般为5-20％。

20、所述的冲头和驱动机构连接。

21、所述的加热装置选用加热元件或加热炉，加热元件设置在刚性模具内部，加热元件配合设有石棉所制成的保温层，保温层包裹在刚性模具外表面上。

22、当采用所述的加热炉加热时，将刚性模具设置在加热炉炉膛中。

23、所述的测温传感器采用热电偶，热电偶用于测定成形温度，安装在刚性模具中，或安装在加热炉内部。

24、本发明的技术效果为：

25、本发明采用热膨胀石墨作为成形介质的复杂形状金属管件热成形方法，在成形过程中对管坯与热膨胀石墨同时加热。在温热条件下，金属管材塑性增加、变形抗力减低，易于材料的变形。热膨胀石墨具有良好的耐热和导热性能，加热温度达到热膨胀石墨的起始膨胀温度时会产生膨胀，并提供管坯直径增大所需径向载荷。用热膨胀石墨作为成形介质的热成形方法不仅适用于变径管件、枝杈管件、局部有凸起的管件等复杂形状金属管件，并且对于需要加热成形的金属型材也适用。热膨胀石墨作为成形介质的复杂形状金属管件热成形方法，相对于热介质内高压成形方法简化了操作和过程，提高了此类零件成形的质量与效率。

技术特征：

1.一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述的步骤1中，制坯采用管材切割或板材卷制中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述的步骤2中，热膨胀石墨的用量根据成形零件尺寸确定，计算中空零件内部容积，从而确定所需热膨胀石墨的体积。

4.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述热膨胀石墨包括天然石墨鳞片由酸性物质经酸洗制得的石墨或者由强氧化物质氧化插层制得的石墨。

5.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述的步骤4中，管件热成形起始温度为管件封闭高温状态下热膨胀石墨使其变形的最低温度，但不超过管件热成形温度；测量方式具体为：将热膨胀石墨放入管坯并封闭两端，加热管坯和热膨胀石墨，测量管坯直径变化量达到2％时的温度作为管件热成形起始温度。

6.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述的热膨胀石墨的起始膨胀温度从200℃至900℃；复杂金属管件热成形中，选取的热膨胀石墨的起始膨胀温度应小于管坯的热成形温度，并保证在热膨胀石墨产生的膨胀力大于管坯直径增大所需的力。

7.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述的步骤4中，成形温度通过温度控制装置进行设置，并通过测温传感器测定温度，测温传感器将测定的温度传送到温度控制系统，当测定的温度没有达到设置的成形温度时，温度控制系统控制加热装置进行加热；当测定的温度达到设置的成形温度时，温度控制系统控制加热装置处于保温状态；温度控制装置包括测温传感器、温度控制系统，测温传感器用于测定成形温度，测温传感器和温度控制系统连接，温度控制系统和加热装置连接。

8.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：步骤4所述的加热装置选用加热元件或加热炉，加热元件设置在刚性模具内部，刚性模具外表面上包裹有保温层；当采用所述加热炉加热时，将刚性模具设置在加热炉炉膛中。

9.根据权利要求1所述的一种复杂形状金属管件热成形方法，其特征在于：所述的步骤5中，轴向压缩管坯，压缩量一般为5-20％。

技术总结
一种复杂形状金属管件热成形方法，包括如下步骤：步骤1：根据金属管件形状和尺寸特点，选用对应的金属管材或板材制成所需管坯；步骤2：将热膨胀石墨放入管坯中并压实，得到填充热膨胀石墨的管坯；步骤3：将管坯放入下模，然后将上模闭合；步骤4：对填充热膨胀石墨的管坯整体或局部区域加热至起始膨胀温度，得到加热后管坯；步骤5：轴向压缩管坯，使管坯轴向非变形区材料向变形区流入；步骤6：继续加载到成形温度，管坯继续保持轴向压缩和径向直径增大，直至与刚性模具的型腔完全贴合，停止轴向压缩；步骤7：停止加热，冷却至室温；步骤8：取出热膨胀石墨，得到形状复杂的金属管件。本发明成形方法提高了此类零件的成形质量与效率。

技术研发人员：高铁军,赵艳,刘凌云,宋卓豪,于胜超
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15