一种钛管数控差温加热弯曲成形模具及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及管材数控加工成形领域，具体是一种用于钛管数控差温加热弯曲成形 方法及模具。
【背景技术】
[0002] 数控弯管工艺是传统弯管工艺结合数控技术而产生的一种先进管件弯曲成形技 术，可以满足弯管件对高精度、高效率和数字化加工的要求，在航空、航天等高科技领域占 据了重要地位并展示了广阔的应用前景。钛合金弯管件质量轻并能承受较高的工作压力， 应用于燃油、空调等管路系统，能够满足先进飞机研制对高性能、轻量化和高功效等方面的 迫切需求。然而，由于钛合金材料流动性差，塑性变形时常表现出强烈的各向异性和拉压不 对称性，使得管材室温数控弯曲过程中极易出现破裂、起皱、壁厚过度减薄、截面过度扁化 等问题，弯管件成品率低，只能进行大弯曲半径(弯曲半径R/管材直径D> 2)的弯曲成形，无 法满足飞机尽可能节省导管所占空间的要求，成为制约钛管弯曲成形质量/成形极限提高 的瓶颈。大部分钛合金管加热到一定温度区间内后具有良好的塑性和延伸率，且变形抗力 显著下降，因此数控加热弯曲是提高钛管弯曲成形质量/成形极限的一种有效途径。
[0003] 通过检索国内外文献及专利，发现：目前已经拥有了钛合金管数控加热弯曲成形 方法和成形模具的介绍。在授权公告号为CN 20 1 12797 1Y的实用新型和公开号为 CN101185949A的发明创造中提出了一种用于热弯的数控弯管机模具和一种利用数控弯管 机进行加热恒温弯管的方法，该模具在弯曲模高度方向开有通孔作为加热孔、在芯棒中心 长度方向开有一盲孔作为加热孔、压力模长度方向开有通孔作为加热孔、防皱模长度方向 上开有盲孔作为加热孔，用于进行加热恒温弯管;针对直径D<40mm的难成形管材或厚壁管 材(管材直径D/壁厚t <20)数控加热弯曲时，可取得较好的弯曲成形效果。但当管材直径D >40mm，由于模具体积大，加热弯曲模的能源消耗量大，且弯曲模与机床间的热传导易影响 机床的使用性能，降低机床的使用寿命;同时由于压力模长度较长，在压力模长度方向开设 通孔困难，且单孔加热时间较长。该发明创造中没有涉及钛管数控弯曲润滑、温度控制范 围，难以进行直径D>40mm钛管的数控加热弯曲成形。在授权公告号为CN 102527848B的发 明中提出了一种大直径薄壁纯钛管数控加热弯曲成形模具及成形方法，该模具在沿压力模 的长度方向均布有多个压力模加热孔、在芯棒的端面上沿圆周均布有多个芯棒加热孔，用 于加热弯管。针对大直径薄壁纯钛管数控热弯成形，可降低恒温加热管件带来的过多的能 源消耗，同时提高管件弯曲成品率。但该模具设计方法主要针对纯钛管，工作温度为200~ 300°C，难以进行更高温度下难成形钛合金管的数控加热弯曲成形。同时，由于弯曲模的"热 沉降"作用和芯棒对芯球部分的传热，芯棒前端的温度较低，使得管材弯曲区域温度分布和 热弯合理温度分布出现差异，不利于提高钛管弯曲成形质量/成形极限。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术进行钛管数控加热弯曲成形的不足，提高钛管数控弯曲成形质 量和成形极限，本发明提出了一种钛管数控差温加热弯曲成形模具及方法。
[0005] 所述钛管数控差温加热弯曲成形模具包括压力模、夹持模、镶块、弯曲模、防皱模、 芯模和隔热板。所述的芯模包括芯棒和芯球;所述的隔热板包括压力模隔热板、夹持模隔热 板、弯曲模隔热板和防皱模隔热板;在压力模、弯曲模、芯棒和防皱模上分别有加热孔和测 温孔，在夹持模和镶块上有测温孔。在所述压力模隔热板、夹持模隔热板、弯曲模隔热板和 防皱模隔热板上增加冷却孔。
[0006] 在弯曲模的上表面，从弯曲模与防皱模配合位置起，沿弯曲模圆周方向均布有多 个弯曲模加热孔和弯曲模测温孔，并且各弯曲模测温孔位于相邻的弯曲模加热孔之间；所 述弯曲模加热孔和弯曲模测温孔的数量通过下列公式确定： Chm /.Δ T
[0007] nbh -- --?nbt = nbh Wbtb
[0008] 式中:nbh为弯曲模加热孔的数量，nbt为弯曲模测温孔的数量，Cb为弯曲模材料的比 热容，mb为弯曲模的质量，ΛΤ为弯曲模升高的温度，W b为单个弯曲模加热棒的功率，tb为弯 曲模的加热时间；所述弯曲模加热孔的孔径与所使用加热棒的直径相匹配;所述弯曲模测 温孔的孔径与所使用热电偶的直径相匹配。
[0009] 在所述防皱模的上表面，沿该防皱模的长度方向均布有多个防皱模加热孔，在每 个防皱模加热孔前相当于两个相邻防皱模加热孔之间距离的一半处有防皱模测温孔;防皱 模加热孔和防皱樽测淵孔的数量枏据下列公式确定：
[0010]
[0011] 式中：nwh为防皱模加热孔的数量，nwt为防皱模测温孔的数量，Cw为防皱模材料的比 热容，m w为防皱模的质量，ΛΤ为升高的温度，Ww为单个防皱模加热棒的功率，tw为防皱模的 加热时间；
[0012] 所述夹持模的上表面，沿长度方向均布有多个夹持模测温孔;所述镶块的上表面， 沿长度方向均布有多个镶块测温孔;所述夹持模测温孔和镶块测温孔均为盲孔；
[0013] 压力模隔热板位于压力模与机床之间；夹持模隔热板位于夹持模与机床之间；弯 曲模隔热板位于弯曲模与机床之间并安装在弯曲模的中心轴上;防皱模隔热板位于防皱模 与机床之间；所述各隔热板与各模具接触的表面均为锯齿状，并且各隔热板与各模具之间 有间距，形成了空气夹层;所述空气夹层中有石棉垫;所述压力模、夹持模和防皱模与隔热 板接触的一面开有矩形槽，通过将压力模隔热板、夹持模隔热板、防皱模隔热板上的锯齿嵌 入矩形槽中达到定位和固定的目的；所述压力模的上表面、防皱模上表面、弯曲模上表面、 镶块上表面，以及夹持模的上表面均铺覆有石棉垫。
[0014] 所述压力模隔热板沿其高度方向分布有2个相通的冷却孔;夹持模隔热板沿其高 度方向分布有2个相通的冷却孔；防皱模隔热板沿其长度方向分布有2个相互独立的冷却 孔;弯曲模隔热板沿其长度方向分布有6个相互独立的冷却孔。
[0015] 本发明提出的利用所述模具成形钛管的具体过程是：
[0016] 第一步，模具与弯管机的隔热。在将模具与弯管机隔热时，在压力模的装配面与机 床连接面之间安放压力模隔热板，在防皱模与机床连接面之间安放防皱模隔热板，在弯曲 模装配面与机床连接面之间安放弯曲模隔热板，在夹持模的装配面与机床连接面之间安放 夹持模隔热板;在压力模的上表面，以及夹持模的上表面、镶块的上表面、弯曲模的上表面 和防皱模的上表面均铺覆有石棉。
[0017] 第二步，装配与调试模具。
[0018] 第三步，弯管机弯曲速度和弯曲时压力模助推速度的设定。
[0019] 设定弯管机的弯曲速度为0.05~5°/s;
[0020] 设定弯曲时压力模的助推速度:压力模的助推速度与管件弯曲时该管件轴线的线 速度相同，完成弯曲时压力模助推速度的设定。
[0021] 设定完成后关闭弯管机。
[0022] 第四步，管件弯曲角度的设定。根据管件成形要求，管件弯曲角度为0°~185°;
[0023] 第五步，模具与管件的润滑。在防皱模、芯棒及芯球上均匀喷涂一层耐高温固体润 滑霄。
[0024]第六步，加热及温控装置的安装。在压力模加热孔内放置压力模加热棒，在弯曲模 加热孔内放置弯曲模加热棒，在芯棒加热孔内放置芯棒加热棒，在防皱模加热孔内放置防 皱模加热棒，并且在所述各压力模测温孔、各弯曲模测温孔各芯棒测温孔、各夹持模测温 孔、各镶块测温孔和各防皱模测温孔内分别放置热电偶。将所述压力模加热棒的导线、芯棒 加热棒的导线、弯曲模加热棒的导线和防皱模加热棒的导线分别与温度控制器的控制端口 连接。将所述各热电偶的导线分别与温度控制器的测量端口连接。
[0025]第七步，设定加热温度;所述的加热温度包括压力模的加热温度Τι、芯棒的加热温 度Τ2、弯曲模的加热温度Τ4和防皱模的加热温度Τ3:
[0026]设定芯棒加热温度和压力模的加热温度均为200~450°C;防皱模加热温度为180 ~400°C，弯曲模的加热温度为180~300°C。
[0027]具体加热时?\ 2 T2 2 T3;当管件的弯曲半径R减小时，Ti - Ts的值应增大。
[0028]当设定的加热温度大于300°C时，将各隔热板中冷却孔通过水管与冷却水循环装 置相连，以对机床进行降温。
[0029] 第Λ步，管件弯曲。打开弯管机机床，将压力模、夹持模、镶块、弯曲模、防皱模、芯 模与管件装配;通过加热棒对压力模、芯棒、弯曲模和防皱模进行加热至设定的温度值并保 温30~90s。加热完成后操作弯管机，按照设定的弯曲速度3°/s对管件进行弯曲至180°，得 到弯曲成形后的管件。
[0030] 第九步，卸载。
[0031] 本发明提出的钛管数控差温加热弯曲成形模具，包括压力模、夹持模、镶块、弯曲 模、防皱模、芯模、压力模隔热板，夹持模隔热板，弯曲模隔热板和防皱模隔热板;所述芯模 和压力模与现有技术相同；弯曲模的侧面为凹弧形的弯曲模成形面，弯曲模中心是与弯管 机主轴配合的轴孔，弯曲模的底面是与弯曲模隔热板配合的装配面;防皱模的一侧表面为 凹弧形的防皱模成形面，一侧表面是与防皱模隔热板配合的装配面，另有一侧面是与弯曲 模配合的