一种电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置及方法

1.本发明涉及管材缩口增厚领域，特别是涉及一种电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置及方法。


背景技术：

2.管材缩口增厚技术是一种将管坯一端的直径缩小、壁厚增厚的塑性成形技术，属于管材塑性加工技术，广泛应用于航空航天、车辆等领域，特别是在航空制造领域，有效地提高了飞机轻量化水平。其制造原理是提高管材塑性，将其一端挤入模具实现缩口增厚，并利用变形区和非变形区的高温度梯度增加增厚厚度。成品管材的增厚部位在日后的使用中需攻螺纹并与其他部件螺纹连接，因此缩口增厚管材成品的增厚厚度越大，螺纹连接可靠性越好，零件质量越高。传统的缩口增厚技术利用模具加热来提高管材热塑性，变形区的模具加热与非变形区的液冷实现高的温度梯度，但是增厚厚度受限，而且制造设备涵盖液压机、缩口模具、加热棒、液冷设备等，存在设备成本高、工期长等不足。为进一步增加管材增厚厚度、制造设备轻量化，发明此专利。本发明采用增加管材电致塑性方法，发明了电脉冲辅助管材缩口增厚的成形方法及装置，其原理是电致塑性效应，管材通电后，高密度脉冲电流提高了管材内部金属原子的运动能量，加快位错运动速度，其次金属电阻使管材温度升高、软化，提升了管材的塑性成形能力，温度梯度由变形区的通电管材自阻加热和非变形区的气冷实现，使用液压实验机挤压管材至缩口模具中实现缩口和增厚，制造出比传统热塑性工艺增厚厚度更高的管材，并且制造设备成本更少，制造工期更短。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置及方法，增加管材增厚厚度，减少设备体积及重量，降低设备成本。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置，所述装置包括：
6.连接件，与成形装置本体顶部的下表面连接；
7.推头，与所述连接件连接；
8.第一绝缘垫片，位于所述推头的下表面，管坯位于第一绝缘垫片下方；
9.电极板，设置在所述第一绝缘垫片的下方，中间设置开孔，管坯穿入所述开孔；
10.电极弹片，设置在电极板的开孔中，且与管坯接触；
11.陶瓷模具，设置在电极板的下方，管坯的底部插入陶瓷模具内；
12.第二绝缘垫片，设置在所述陶瓷模具的下方；
13.支撑架，设置在所述第二绝缘垫片的下方，所述电极板、所述陶瓷模具、所述第二绝缘垫片通过连接杆固定在所述支撑架上；
14.空冷设备，设置在所述支撑架上；
15.缩口电极棒，设置在陶瓷模具的型腔内，并穿过陶瓷模具和支撑架的顶部；
16.铜鼻子，设置在所述缩口电极棒的下方并与所述缩口电极棒接触；
17.千斤顶，设置在所述铜鼻子的下方；
18.电源，正极与所述电极板连接，负极与所述铜鼻子连接。
19.可选的，所述缩口电极棒包括：缩口电极头、插销、第一增厚电极套以及第二增厚电极套；所述插销用于连接所述缩口电极头和缩口电极棒本体；所述第一增厚电极套和所述第二增厚电机套套设在所述缩口电极棒本体上。
20.可选的，所述成形装置还包括：
21.模具定位块，设置在所述陶瓷模具的下方，所述第二绝缘垫片设置在所述模具定位块的下方。
22.可选的，所述空冷设备为冷风枪，且位于所述管坯的正后方。
23.可选的，所述冷风枪包括多个喷嘴，用于喷射冷风。
24.可选的，所述电极板的四个角分别开设有阶梯孔。
25.可选的，所述成形装置还包括绝缘块，所述绝缘块设置在所述阶梯孔内。
26.可选的，连接杆的数量为4个。
27.可选的，所述电源为高频脉冲直流电源。
28.本发明另外提供一种电脉冲辅助管材缩口增厚的成形方法，所述成形方法包括：
29.管坯下料，并对管坯校正；
30.将管坯顶部放置在第一绝缘垫片下，下降成形装置的推头，当下降至所述第一绝缘垫片的表面时停止；
31.拧紧千斤顶的回油阀，顶升千斤顶使铜鼻子托着缩口电极棒上升，直到缩口电极头与管坯下部紧密接触；
32.打开高频脉冲直流电源14，设置到管坯材料电致塑性成形电流值为管坯4进行预热；
33.打开冷风枪为管坯的非变形区降温；
34.待管坯通电预热至成形温度，拧松千斤的回油阀，保证缩口电极棒可随管坯一同下降，控制推头轴向挤压，开始缩口成形；
35.关闭高频脉冲直流电源，撤出千斤顶，将缩口电极头完全收入第一增厚电极套中，再把缩口电极棒伸出第一增厚电极套的部分塞入第二增厚电极套b23中，使缩口电极棒完全收在第一增厚电极套和第二增厚电极套内；
36.放回千斤顶，拧紧回油阀，顶升第二增厚电极套直至其接触到管端，电路恢复通路；
37.再次打开高频脉冲直流电源，通电加热；
38.预热至成形温度，继续推头的进给，缩口直段开始成形；
39.管坯到达陶瓷模具底部时，缩口直段成形结束，开始增厚成形，保持推头进给，直至增厚成形结束，关闭高频脉冲直流电源，实验结束。
40.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
41.本发明中缩口电极头、插销、缩口电极棒、第一增厚电极套、第二增厚电极套独特的可移动，可开合的电极设计，使电极在管子成形的过程中，随管端口地缩小而闭合，始终保持与管端紧密接触的状态，实现管坯在成形过程中被持续通电；
42.缩口电极和增厚电极套分开设计，使可自由开合，但强度较弱的缩口电极负责载荷较小的缩口变形；使强度较高的增厚电极套负责增厚成形，承受较大的载荷，从而避免缩口电极模具的损坏；
43.千斤顶支撑和移动电极组合设计，既可以在成形中托住移动电极，使其不掉落，一直与管端紧密接触，避免电路断开；还可以在成形结束后，将移动电极当作顶杆使用，方便成形后产品从模具中取出；
44.创新性使用脉冲电流对金属产生的电致塑性进一步增加管坯的塑性，使成品可以在更低的成形温度和载荷下成形出比传统热塑性的增厚效果更好的产品；
45.使用万能试验机作为液压装置，相比于传统液压机，可精确得到制造过程中的载荷
‑
进给量的曲线数据，便于制造人员判断制造进度，为各类分析提供精准数据；
46.采用气冷方法来降低管坯非塑性成形端的温度，避免了液冷的冷却液泄露等问题，进一步保障制造过程中的安全可靠。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本发明实施例电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置结构示意图；
49.图2为本发明实施例电极板结构示意图；
50.图3为本发明实施例缩口电极棒结构示意图；
51.图4为本发明实施例电极弹片与管坯接触俯视图；
52.图5为本发明实施例成形前通电示意图；
53.图6为本发明实施例缩口成形完成示意图；
54.图7为本发明实施例缩口直段成形接电示意图；
55.图8为本发明实施例缩口后直段成形示意图；
56.图9为本发明实施例增厚成形示意图。
57.符号说明：
58.1万能实验机、2推头、3第一绝缘垫片、4管坯、5冷风枪、6电极板、7陶瓷模具、8螺杆、9模具定位块、10第二绝缘垫片、11铜鼻子、12支撑架、13千斤顶、14高频脉冲直流电源、15螺纹孔、16电极弹片、17阶梯孔、18绝缘块、19缩口电极头、20插销、21缩口电极棒、22第一增厚电极套、23第二增厚电极套、24连接件。
具体实施方式
59.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.本发明的目的是提供一种电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置及方法，增加管材
增厚厚度，减少设备体积及重量，降低设备成本。
61.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
62.图1为本发明实施例电脉冲辅助管材缩口增厚的成形装置结构示意图，如图1所示，装置包括：推头2、第一绝缘垫片3、管坯4、冷风枪5、电极板6、陶瓷模具7、螺杆8、模具定位块9、第二绝缘垫片10、铜鼻子11、支撑架12、千斤顶13、高频脉冲直流电源14、螺纹孔15、电极弹片16、阶梯孔17、绝缘块18、缩口电极头19、插销20、缩口电极棒21、第一增厚电极套22、第二增厚电极套23、连接件24。
63.所述连接件24与成形装置本体，即万能试验机1顶部的下表面连接；
64.所述推头2与所述连接件24连接；
65.第一绝缘垫片3，位于所述推头2的下表面，管坯4位于第一绝缘垫片3下方；
66.电极板6设置在所述第一绝缘垫片3的下方，中间设置开孔，管坯穿入所述开孔；
67.电极弹片16设置在电极板6的开孔中，且与管坯4接触；
68.陶瓷模具7设置在电极板6的下方，管坯4的底部插入陶瓷模具内；
69.模具定位块9设置在所述陶瓷模具7的下方；
70.第二绝缘垫片10设置在所述模具定位块9的下方；
71.支撑架12设置在所述第二绝缘垫片10的下方，所述电极板6、所述陶瓷模具7、模具定位块9、所述第二绝缘垫片10通过连接杆固定在所述支撑架12上；所述连接杆为螺杆8；
72.空冷设备设置在所述支撑架12上；所述空冷设备为冷风枪5，且位于所述管坯4的正后方；所述冷风枪5包括多个喷嘴，用于喷射冷风。
73.缩口电极棒21设置在陶瓷模具7的型腔内，并穿过陶瓷模具7、模具定位块9和支撑架12的顶部；
74.铜鼻子11设置在所述缩口电极棒21的下方并与所述缩口电极棒接触；
75.千斤顶13设置在所述铜鼻子的下方；
76.电源的正极与所述电极板连接，负极与所述铜鼻子连接，所述电源为高频脉冲直流电源14。
77.具体的，所述缩口电极棒包括：缩口电极头19、插销20、第一增厚电极套22以及第二增厚电极套23；所述插销20用于连接所述缩口电极头19和缩口电极棒21本体；所述第一增厚电极套22和所述第二增厚电机套23套设在所述缩口电极棒21本体上。
78.所述电极板6的四个角分别开设有阶梯孔17，所述阶梯孔17内设置有绝缘块18。
79.具体而言，万能实验机1作为主要动力源，产生推动推头2使管坯4成形的挤压力。推头2与万能实验机1通过螺纹连接。第一绝缘垫片3平放于管坯4和推头2之间，用于保障管坯4与万能实验机1之间断路。冷风枪5通过底部的磁吸座吸附在支撑架12上，冷风枪5的吹气孔对准管坯4与电极弹片16接触部位进行气冷散热，避免管坯该区域温度过高，发生屈曲起皱的现象。电极弹片16被螺钉穿过其自身的定位孔固定在电极板6上的螺纹孔15，再将绝缘块21放入电极板6的阶梯孔17内，避免电极板6与螺杆8接触，导致万能实验机1通电损坏。之后依次将绝缘垫片10放置在支撑架12上，模具定位块9放置在绝缘垫片10上，陶瓷模具7放置在模具定位块9，放好后通过螺杆8将电极板6、陶瓷模具7、模具定位块9以及绝缘垫片10固定在支撑架12上。再通过插销20穿过缩口电极棒21和缩口电极头19的定位孔，将三者
固定在一起，组成可移动、开合的缩口电极，缩口电极被套进第一增厚电极套22内，然后将整个电极套放入模具内，电极套穿过陶瓷模具7、模具定位块9、绝缘垫块10以及支撑架12与下方的铜鼻子11接触，铜鼻子11套在千斤顶13杆上，千斤顶13杆由于自带弹簧装置，所以在泄压后不会自主下降，须有一个不大的压力向下压，才能使它下降，它顶着电极套始终和管坯4接触。管坯4穿过电极板6放置于陶瓷模具7内，陶瓷模具7内管坯4的端面与缩口电极头19接触，缩口电极的底部与铜鼻子11接触，铜鼻子11与高频脉冲直流电源14的负极相连，管坯4的另一端与电极弹片16接触，电极弹片16与电极板6相连，电极板6与高频脉冲直流电源14的正极相连，从而形成一个回路，给两电极间的管坯通电加热。
80.本发明中的一种利用电致塑性实现管材缩口增厚的成形方法，包括如下步骤：
81.1、管坯下料与校正
82.将缩口电极(由缩口电极棒21、缩口电极头19和插销20组装而成)由陶瓷模具7顶部放入，下端接触铜鼻子11。为防止成形过程中管坯4弯曲，选取管坯4要求端口表面平整无毛刺且与管轴垂直，外表面无杂质，在管坯4外表面抹上均匀的碳粉或其他类型润滑剂，调整管坯4、电极板6、陶瓷模具7、模具定位块9的轴心对正。将管坯4沿电极板6中心孔放入陶瓷模具7中，确保电极板6上的电极弹片16接触管坯(如图4所示)。
83.2、装置固定与通电
84.在管坯4顶部放置绝缘片3，下降万能实验机1的推头2至绝缘垫片3上表面时停止。拧紧千斤顶13的回油阀，顶升千斤顶13使铜鼻子11托着缩口电极棒上升，直到缩口电极头19与管坯4下紧密部接触，如图5所示。此时，电流从高频直流脉冲电源14的正极出发经过电极板6、电极弹片16、模具内的管坯4、缩口电极头19、缩口电极棒21、铜鼻子11回到高频直流脉冲电源14的负极形成回路。打开高频脉冲直流电源14，设置到管坯材料电致塑性成形电流值为管坯4进行预热。同时打开冷风枪5为管坯4的非变形区降温，防止成形过程中非变形区因温度过高而起皱。
85.3、缩口成形
86.待管坯通电预热至成形温度，拧松千斤13的回油阀，以保证缩口电极可随管坯4一同下降，控制推头2轴向挤压，开始缩口成形。观察计算机给出的推头2进给量判断缩口是否完成，缩口成形完成时管坯4位置应如图6所示。
87.缩口成形完成后，关闭高频脉冲直流电源14，撤出千斤顶13，将缩口电极头19完全收入第一增厚电极套22中，再把缩口电极棒21伸出第一增厚电极套22的部分塞入第二增厚电极套23中，使缩口电极完全收在增厚电极套内。放回千斤顶13，拧紧回油阀，顶升第二增厚电极套23直至其接触到管端，电路恢复通路，再次打开高频脉冲直流电源14，通电加热，如图7所示预热至成形温度，继续推头2的进给，缩口直段开始成形，如图8所示。
88.管坯4到达陶瓷模具7底部时，缩口直段成形结束，开始增厚成形，保持推头进给，直至增厚成形结束，关闭高频脉冲直流电源14，实验结束，如图9所示。
89.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
90.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理
解为对本发明的限制。