金属导体管件的电磁感应加热胀形装置及成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管件胀形装置及方法，具体是一种金属导体管件的电磁感应加热 胀形装置及方法
【背景技术】
[0002] 各种形状和尺寸的金属导体管件在航空航天、汽车、石油化工，以及电力系统等领 域有着非常广泛的应用。金属导体管件可以在通入交流电流的电磁感应线圈内产生感应电 流，在电流的作用下导体金属的管壁会产生热量，这就使得管件的温度不断升高。
[0003] 除了常用的钢、铜、铝等金属材料作为管坯外，在航空航天等领域还大量采用钛合 金、铝合金、高温合金等金属材料。而这些金属导体管件在很多时候，都具有复杂、不规则的 表面形状，同一零件的不同部位具有不同的横截面形状，而要通过直接的机械加工很难获 得这些复杂形状的管件，并且加工精度和质量也很难满足应用的要求。为了将简单形状的 管坯制成最终符合精度及质量要求的复杂管件，在这里，采用向管坯内部通入高压气体，保 持密封的方式，使原始管坯在气体压力的作用下发生胀形并逐渐贴靠管坯外侧模具的方法 成形出所需要形状的管件。对于一些变形能力较好的材料，可在常温下即可进行胀形，并获 得精度满足要求的零件，但是对于一些在室温下强度高、塑性差、应变硬化现象严重的金属 管材，采用冷成形的方法很难成形，导致产品的合格率也比较低。并且在冷成形时，材料的 回弹量较大，尺寸精度不易控制，成形所需要的压力很大，这对成形设备的要求也就越高。 而热成形时材料的变形抗力较小并且回弹量也减小，因此需要适当提高成形温度进而提高 这些金属材料的成形性能。
[0004] 随着科技的发展，在应用上相继出现了各种材料热成形的加热方法，如热辐射加 热、氧乙炔焰加热、电阻加热和电磁感应加热等。其中，电磁感应加热技术自投入应用以来， 具有效率高、能源消耗小、加热速度快、加热区域易控制、纯净无污染、易于实现自动化等一 系列优点，在近年来得到了快速发展。中国专利CN102641936A(-种采用内部加热加压的 管材胀形装置及方法）介绍了一种采用内部加热加压的管材胀形装置系统，它包括增压缸 和加压管，密封座、加热单元、左模块、右模块、上密封座和支撑块，该发明实现了对管坯的 持续加热，避免因管坯温度降低而影响其变形，同时，成形过程中模具处于较低温度下，整 体强度较高，从而能够采用较高的成形气压以提高管材的成形质量，但是，这种成形方法难 以在结构较小的金属导体管件中实现，同时对于能源的利用率较低。
[0005] 因此，需要设计一种适合于无论尺寸大小的金属导体管件的电磁感应加热胀形装 置，解决金属导体管件成形的实现问题，并且进一步提高能源的利用率。
[0006] 发明目的
[0007] 为克服现有技术装存在的成形精度难以控制，或者不适于结构较小的金属导体管 件，并且能源的利用率较低的不足，本发明提出了一种金属导体管件的电磁感应加热胀形 装置及成形方法。
[0008] 所述金属导体管件的电磁感应加热胀形装置包括胀形模具、电磁感应加热单元、 充气加压单元。胀形模具位于电磁感应加热单元的电磁感应线圈内；充气加压单元与胀形 模具中的上密封塞连通；所述电磁感应加热单元包括由电源、电磁感应线圈、导磁套，光纤 探头、光纤温度传感器以及连接导线，并且导磁套套装在电磁感应线圈的外圆周表面，三个 光纤探头分别放置在位于胀形模具上的各光纤探头安放孔内，并使该光纤探头与管坯之间 无接触。所述各光纤探头均通过导线串连并与光纤温度传感器的输入端连接。电磁感应线 圈、导磁套与胀形模具三者同轴。
[0009] 所述胀形模具包括第一半模、第二半模、上密封塞和下密封塞；所述第一半模和第 二半模对合后形成胀形模具，分别位于第一半模和第二半模平面中心的型槽对合后形成了 管坯胀形的型腔。所述型腔的两端为管坯的定位段，型腔的中心部位为管坯的胀形段，所述 胀形段与两端的定位段之间为过渡段；在所述胀形段内表面和两个过渡段的内表面分别有 光纤探头安放孔；在所述两个过渡段的内表面分别有排气孔；所述的各光纤探头安放孔与 各排气孔的中心线均垂直于该第一半模的中心线。
[0010] 所述电磁感应加热单元的电磁感应线圈与导磁套的位置与胀形模具的胀形段和 过渡段的位置相对应。
[0011] 所述利用金属导体管件的电磁感应加热胀形装置的成形过程是：
[0012] 第一步，工装准备：将上密封塞与加压管的一端密封连接；将上密封塞与下密封 塞分别装入待成形管坯两端；所述加压管的另一端与氩气瓶相连；将光纤探头装入位于胀 形模具中的光纤探头安放孔内，并将各光纤探头之间均通过导线串连后与光纤温度传感 器的输入端连接；将第一半模和第二半模组合成为胀形模具；将胀形模具置于电磁感应线 圈内，并使该电磁感应线圈与所述胀形模具的胀形段和过渡段对应；电磁感应线圈的两端 分别与电源的正负极连接；将各光纤探头串连后与光纤温度传感器的输入端连接；光纤传 感器的输出端与电源连接；
[0013] 第二步，通电加热：打开电源，设置电源的输出频率为IKHZ~20KHZ。光纤探头和 光纤温度传感器实时测量变形管坯的温度，并且光纤温度传感器根据光纤探头测得的温度 调节电源的输出频率，使管坯的温度以30°C /s的速率升至设定的胀形温度400°C ;在通电 的同时，打开水源阀门，向电磁感应线圈内通入冷却水；
[0014] 第三步，充气胀形：当管坯的温度达到设定的胀形温度400°C并稳定后，以0. 25L/ s的流量向管还中充入氩气，待充入气体的压力达到4. 5MPa后保持3Min，使管还贴模。保 压结束后关闭电源，停止加热，以4L/s的流量排出管坯内的高压气体。
[0015] 第四步，取出管件：将电磁感应线圈与导磁套移除，打开所述胀形模具，取出胀形 后的管件，完成管坯的胀形过程。
[0016] 本发明针对上述通过内部加热加压的管材胀形技术中的不足，为在成形中只加热 管坯而不加热模具，保持在高温成形中模具的强度，提高能源的利用率，实现金属导体管件 在高温状态下的气压胀形，改善材料的成形性能，减小管坯成形过程中的回弹、起皱，提高 成形精度，从而获得成形精度与质量满足要求的零件。
[0017] 有益效果
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下效果：
[0019] 本发明很好的解决了常温下难成形管件在传统胀形中遇到的起皱、破裂以及回弹 量大等问题。将管件加热到一定温度后，材料的变形抗力明显降低，并且成形后零件的回弹 量小。
[0020] 本发明采用电磁感应加热的方式，很好的解决了无论尺寸大小的金属导体管件加 热胀形问题，适用于金属导体管件的加热胀形，在加热的过程中，能够使热量集中在管件局 部并获得较大的热流密度，这种加热方式具有效率高、加热速度快，加热区域易控制等特 点。
[0021] 本发明中模具采用陶瓷材料，由于管件为导体金属，而模具为绝缘体，因此在电磁 感应线圈的磁场内产生管件产生感应电流而模具不产生，这就导致在电磁感应的情况下， 管件温度升高而模具的温度基本保持不变，从而模具的整体强度保持不变，能够进一步提 高管件的胀形温度和成形压力，进而提高零件的成形质量。
[0022] 本发明中电磁感应线圈只加罩在管坯的胀形变形区域和变形过渡区域，感应线圈 产生的电磁场主要集中在其加罩的部位，在这个部位产生的感应电流较大，即主要加热管 坯的变形过渡区域和胀形区域，而密封塞与管材两端密封处因磁场较弱，产生的感应电流 较小而始终