CN110666040A - 一种热拉弯模具及钛合金型材的拉弯成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热拉弯模具及钛合金型材的拉弯成形方法。该热拉弯模具包括导电的自阻加热模具、耐高温的绝缘隔热座、上安装板和下安装板，所述自阻加热模具包括拉弯成形型面，所述绝缘隔热座的外沿端部设有安装凹槽，用于安装所述自阻加热模具，所述自阻加热模具的两端连接外部电源的两极，在所述自阻加热模具的拉弯成形型面上分隔有两条开口间隙，将其分成三部分，使所述自阻加热模具上的拉弯成形型面的电流走向形成“己”字形的回转形式，所述上安装板和所述下安装板分别设在所述绝缘隔热做的上表面和下表面，用于将其安装在拉弯工装的平台上。
Description
技术领域
本发明涉及金属成形技术领域，特别是涉及一种热拉弯模具及钛合金型材的拉弯成形方法。
背景技术
碳纤维增强复材机身结构在先进民用和军用飞机上的应用逐渐增多，钛合金材料由于具有与复合材料的电势相容性和耐冲击性，在先进飞机中应用越来越多。钛合金的锻造、机械加工和热处理质量控制困难及成本高昂，钛合金弯曲型材成为复材机身承力构件的主要结构，被用于机身承力框梁长桁、中央翼盒、主起落架齿轮机构支架、以及舱门框等，因而钛合金型材弯曲件的成形质量直接关系到飞机的装配精度和使用寿命，成为影响飞机研制及保证飞机整体服役性能的技术关键，也是影响飞机制造周期、成本和效益的主要因素之一。钛合金型材电热拉弯成形技术作为成形钛合金型材弯曲件的有效手段，该成形过程中热拉弯模具的温度是影响钛合金型材弯曲件最终成形精度的主要因素，因此，高效又经济的加热钛合金型材热拉弯模具的设计方法的研究具有重要意义。
现有的加热钛合金型材热拉弯模具设计技术有：
(1)与型材并联的电热带加热模具的方法：这种方法是利用与型材并联的电热带加热模具，采用并联的形式同时实现将型材和模具加热到预设温度较难实现，且该拉弯模具中的中空状结构复杂，模具制备工艺难度高，加热后的中空状拉弯模具在拉弯成形过程可靠性不足。
(2)带有加热装置的保温箱加热模具的方法：这种方法是采用型材自阻加热和加热箱相结合的混合式型材电热拉弯方法，是用加热棒对拉弯模具整体进行加热，升温时间较长，效率低，能耗高。此外，当弯曲零件的尺寸变化时，模具和保温箱都需要重新加工，成本过高。
因此，针对现有技术的不足，发明人提供了一种热拉弯模具及钛合金型材的拉弯成形方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种热拉弯模具及钛合金型材的拉弯成形方法，通过自阻加热模具的特殊结构，能够保持较小尺寸截面同时快速升温，模具具有较大的热容量，保温效果好，解决了型材拉弯成形中，升温时间长，效率低，能耗高，成形可靠性低的问题。
第一方面，本发明的实施例提出了一种热拉弯模具，包括导电的自阻加热模具、耐高温的绝缘隔热座、上安装板和下安装板，所述自阻加热模具包括拉弯成形型面，所述绝缘隔热座的外沿端部设有安装凹槽，用于安装所述自阻加热模具，所述自阻加热模具的两端连接外部电源的两极，在所述自阻加热模具的拉弯成形型面上分隔有两条开口间隙，将其分成三部分，使所述自阻加热模具上的拉弯成形型面的电流走向形成“己”字形的回转形式，所述上安装板和所述下安装板分别设在所述绝缘隔热做的上表面和下表面，用于将其安装在拉弯工装的平台上。
进一步地，所述自阻加热模具的拉弯成形部分为弧形结构，所述绝缘隔热座上的安装凹槽为与之相适配的弧形结构。
进一步地，所述自阻加热模具的弧形结构部分对应的角度大于目标型材弯曲件的角度。
进一步地，所述自阻加热模具上与电源两极连接的两端均加工成平面。
进一步地，所述自阻加热模具上的两条开口间隙将拉弯成形型面的截面三等分。
进一步地，所述绝缘隔热座采用耐高温石棉水泥板料或耐高温绝缘云母制备获得，所述上安装板和所述下安装板均采用金属钢板制备获得。
进一步地，所述上安装板、所述下安装板与所述绝缘隔热座上均在相应的安装部位开有多个安装孔。
第二方面，提供了一种钛合金型材的拉弯成形方法，采用第一方面的热拉弯模具，该方法包括：
基于自阻加热模具和钛合金型材的材质和形状，根据加热功率公式P＝I2R，
计算自阻加热模具上的拉弯成形型面和钛合金型材满足拉弯成形需加热的目标温度时，各自对应的理论电流和电压；
按照上述的理论电流和电压，利用两套加热电源分别对自阻加热模具和钛合金型材均进行加热；
采集自阻加热模具和钛合金型材的实际温度，与目标温度比较后，调整电源的电流和电压，直到将自阻加热模具和钛合金型材加热到动态平衡的目标温度；
保持自阻加热模具和钛合金型材在动态平衡的目标温度下，对钛合金型材加力，使其基于自阻加热模具的拉弯成形型面进行拉弯成形。
进一步地，在拉弯成形中，在自阻加热模具和钛合金型材的拉弯成形型面之间，采用陶瓷绝缘纸或在自阻加热模具表面预先喷涂陶瓷涂层进行绝缘处理。
综上，本发明的一种热拉弯模具及钛合金型材的拉弯成形方法，根据自阻加热的特点：加热效率与材料截面大小成反比，本发明专用的自阻加热模具结构具有较小尺寸截面，能够快速升温的同时，又能保证热拉弯成形过程中自阻加热模具具有较大的热容量，温度不易降低，且拉弯成形中，模具在径向受压的方向上具有足够的刚度。此外，在对模具通电时，耐高温的绝缘隔热座保证了自身的绝缘性能，同时达到了对模具的保温目的，而上、下两个安装板能将各部分装夹固定在拉弯工装的平台上，保证了整体性。本发明的技术尤其适用于钛合金型材电热拉弯成形，缩短了成形生产周期，节约了成本，为钛合金型材框架类零件提供了可靠、高效、经济的生产方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种热拉弯模具的组成和装配结构示意图。
图2是本发明实施例的自阻加热模具结构和电加热原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例的一种热拉弯模具的组成和装配结构示意图，如图1所示，该热拉弯模具至少包括了导电的自阻加热模具、耐高温的绝缘隔热座、上安装板和下安装板，所述自阻加热模具包括拉弯成形型面(图1中为面外纸外的侧表面)，自阻加热模具一般采用钢材能够满足导电要求，所述绝缘隔热座的外沿端部设有安装凹槽，用于安装所述自阻加热模具。参见图2所示，所述自阻加热模具的两端连接外部电源的两极，在所述自阻加热模具的拉弯成形型面上分隔有两条开口间隙，使所述自阻加热模具上的拉弯成形型面的电流走向路径形成“己”字形的回转形式(也可以描述为S形回转形式)，所述上安装板和所述下安装板分别设在所述绝缘隔热做的上表面和下表面，用于将安装有自阻加热模具的绝缘隔热座整体安装在拉弯工装的平台上。
参见图2所示，根据自阻加热的特点：加热效率与材料截面大小成反比，由于在自阻加热模具的拉弯成形型面上分隔有两条开口间隙，能将自阻加热模具的拉弯成形型面部分分割为三部分，使拉弯成形型面上的电流走向形成“己”字形的回转形式，通电加热时电流流经的每部分路径的截面积变小，同时使得电流路径总长度变大，根据：
P＝I2R，式中，R为电阻，ρ为电阻率，L为电流路径总长度，S为电流流经的截面积，P为功率，I为电流。可见，自阻加热模具上的两条开口间隙，使得拉弯成形型面部位的电阻增大，相比不分割的结构，本发明设计的自阻加热模具结构，在通入相同电流情况下，功率更大，加热升温更快，效率更高，因此，能够利用较小电流量程的电源即可实现对大热容量的模具进行加热。此外，为了更好的安装自阻加热模具，绝缘隔热座具有一定的厚度，将自阻加热模具安装在绝缘隔热座的安装座内，然后在组合结构的上下表面分别安装上安装板和下安装板，使得整体结构在径向受压的方向上具有足够的刚度。本发明的技术能够应用于钛合金型材电热拉弯成形，缩短了成形生产周期，节约了成本，为钛合金型材框架类零件提供了可靠、高效、经济的生产方式。
具体地，为适应目标型材的拉弯结构，本发明的自阻加热模具的拉弯成形部分为弧形结构，所述绝缘隔热座上的安装凹槽为与之相适配的弧形结构。
作为一种优选实施例，所述自阻加热模具的弧形结构部分对应的角度大于目标型材弯曲件的角度。以便在两端头留出区域，分别与加热电源的两极连接，假如零件为30度的圆弧，则模具需加工成大于30度，以便两端留出连接电极的位置。并且端头连接电源两极的弧面加工成平面，实现与电极良好的连接。
作为另一种优选实施例，为了使加热效率更好，所述自阻加热模具上的两条开口间隙将拉弯成形型面的截面三等分，也就是说分成的三部分的厚截面积相同，根据前述电阻R、功率P的分析，可知分割后的自阻加热模具结构的电阻是不进行分割时的9倍，将自阻加热模具升温到一定温度所需的功率P＝I2R不变时，相比于不分割的结构，分割后的模具的加热电流降至1/3，利用较小电流量程的电源即可实现对大热容量的模具进行加热。同时，三部分的加热功率相同，使得加热升温更均匀，有助于提高型材拉弯成形的加工质量。
作为其他优选实施例，所述绝缘隔热座采用耐高温石棉水泥板料或耐高温绝缘云母制备获得，所述上安装板和所述下安装板均采用金属钢板制备获得。并且，在上安装板、所述下安装板与所述绝缘隔热座上均在相应的安装部位开有多个安装孔。耐高温水泥板料的绝缘隔热座保证了电加热模具时的绝缘，也达到了对模具的保温的目的，实现升温迅速的同时还具有较高的热容量，在热拉弯成形的过程中温度容易保持。图1中，绝缘隔热座、上面板和下面板均为较大的径向的尺寸，保证了型材贴模成形时模具型面的尺寸基本不变。
需要说明的是，对于不同尺寸的型材弯曲零件，本发明的模具工装的制造成本更低，工程实践中，还可与柔性多点模具配合使用，在变更型材弯曲零件时，进一步降低了模具制备的成本和制造周期。
第二方面，本发明还提供了一种钛合金型材的拉弯成形方法，该方法采用第一方面的热拉弯模具，钛合金型材的拉弯成形方法至少括以下步骤S110～步骤S140：
步骤S110，基于自阻加热模具和钛合金型材的材质和形状，根据加热功率公式P＝I2R，
计算自阻加热模具上的拉弯成形型面和钛合金型材满足拉弯成形需加热的目标温度时，各自对应的理论电流和电压。
步骤S120，按照上述的理论电流和电压，利用两套加热电源分别对自阻加热模具和钛合金型材均进行加热。
步骤S130，采集自阻加热模具和钛合金型材的实际温度，与目标温度比较后，调整电源的电流和电压，直到将自阻加热模具和钛合金型材加热到动态平衡的目标温度。
步骤S140，保持自阻加热模具和钛合金型材在动态平衡的目标温度下，对钛合金型材加力，使其基于自阻加热模具的拉弯成形型面进行拉弯成形。拉弯成形中，在自阻加热模具和钛合金型材的拉弯成形型面之间，采用陶瓷绝缘纸或在自阻加热模具表面预先喷涂陶瓷涂层进行绝缘处理。由于自阻加热模具具有较高的热容量且在隔热环境中，拉弯成形过程可以在只有型材保持通电的状态下进行，也可以在模具与型材均通电加热状态下进行。
下面以用于的拉弯成形模具和拉弯成形方法模拟实验为例说明本发明的可行性：
1，根据钛合金U型材的自阻加热模具的截面尺寸加工出简化的电加热模具试验件；
2，根据电加热模具试验件和自阻加热模具的尺寸在abaqus中建模；计算将自阻加热模具加热到500℃的动态平衡状态所需的电流值，即加热功率P＝I2R＝P1+P2，其中辐射换热
其中ε为发射率，0＜ε＜1，σ为黑体的辐射常数(Stefan-Boltzman常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·K4))，A为模具外表面辐射对流放热面积，Tw为目标加热温度，Tsur为环境温度；对流换热P2＝hA(Tw-Tsur)，其中h为对流换热系数；
3，根据理论计算结果在有限元软件中输入加载电流并设置热损耗条件，包括对流换热、热辐射和接触导热。利用有限元软件模拟自阻加热模具的通电加热，具体实现方法为，参考实际电加热物理过程，在有限元软件中分别设置电流加载和热损耗。模拟通电加热上述两种模具(电加热模具试验件和自阻加热拉弯模具)时的电势、电流和温度分布结果。
4，简化的电加热模具试验件的加热模拟结果和加热试验结果示出，电势分布和电流流向与预想的一致，沿着分割出的路径进行分布。模拟结果中在2000A的电流输入下，大部分区域最终的动态平衡温度在500℃以上，温度分布不均匀，而加热试验中在2000A的电流输入下，测温点的温度略低于500℃，存在一定的误差。
5，基于钛合金U型材的自阻加热模具的模拟结果，由于与耐高温水泥板料存在接触导热，将电流输入增大到2200A，根据模拟结果可知，电势分布和电流流向与试验件相同，温度分布更为均匀，模具型面的动态平衡温度基本均已达到500℃，此电流输出可作为实际自阻加热模具时的有效参考依据。最终，根据试验件的模拟结果、试验结果和自阻加热模具的模拟结果可知，本专利提出的新方法有效可行。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种热拉弯模具，其特征在于，包括导电的自阻加热模具、耐高温的绝缘隔热座、上安装板和下安装板，所述自阻加热模具包括拉弯成形型面，所述绝缘隔热座的外沿端部设有安装凹槽，用于安装所述自阻加热模具，所述自阻加热模具的两端连接外部电源的两极，在所述自阻加热模具的拉弯成形型面上分隔有两条开口间隙，将其分成三部分，使所述自阻加热模具上的拉弯成形型面的电流走向形成“己”字形的回转形式，所述上安装板和所述下安装板分别设在所述绝缘隔热做的上表面和下表面，用于将其安装在拉弯工装的平台上。
2.根据权利要求1所述的热拉弯模具，其特征在于，所述自阻加热模具的拉弯成形部分为弧形结构，所述绝缘隔热座上的安装凹槽为与之相适配的弧形结构。
3.根据权利要求1所述的热拉弯模具，其特征在于，所述自阻加热模具的弧形结构部分对应的角度大于目标型材弯曲件的角度。
4.根据权利要求1所述的热拉弯模具，其特征在于，所述自阻加热模具上与电源两极连接的两端均加工成平面。
5.根据权利要求1所述的热拉弯模具，其特征在于，所述自阻加热模具上的两条开口间隙将拉弯成形型面的截面三等分。
6.根据权利要求1所述的热拉弯模具，其特征在于，所述绝缘隔热座采用耐高温石棉水泥板料或耐高温绝缘云母制备获得，所述上安装板和所述下安装板均采用金属钢板制备获得。
7.根据权利要求1所述的热拉弯模具，其特征在于，所述上安装板、所述下安装板与所述绝缘隔热座上均在相应的安装部位开有多个安装孔。
8.一种钛合金型材的拉弯成形方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的热拉弯模具，所述方法包括：
基于自阻加热模具和钛合金型材的材质和形状，根据加热功率公式P＝I2R，计算自阻加热模具上的拉弯成形型面和钛合金型材满足拉弯成形需加热的目标温度时，各自对应的理论电流和电压，式中，R为电阻，ρ为电阻率，L为电流路径总长度，S为电流流经的截面积，P为功率，I为电流；
按照上述的理论电流和电压，利用两套加热电源分别对自阻加热模具和钛合金型材均进行加热；
采集自阻加热模具和钛合金型材的实际温度，与目标温度比较后，调整电源的电流和电压，直到将自阻加热模具和钛合金型材加热到动态平衡的目标温度；
保持自阻加热模具和钛合金型材在动态平衡的目标温度下，对钛合金型材加力，使其基于自阻加热模具的拉弯成形型面进行拉弯成形。
9.根据权利要求8所述的钛合金型材的拉弯成形方法，其特征在于，拉弯成形中，在自阻加热模具和钛合金型材的拉弯成形型面之间，采用陶瓷绝缘纸或在自阻加热模具表面预先喷涂陶瓷涂层进行绝缘处理。
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