(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010279018.5
(22)申请日 2020.04.10
(71)申请人 哈尔滨工业大学
地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西
大直街92号
(72)发明人 王小松 刘钢 苑世剑 王克环
(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569
代理人 张德才
(51)Int.Cl.
手机报in语
B21D 26/041(2011.01)
B21D 26/045(2011.01)
B21D 26/047(2011.01)
(54)发明名称封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法(57)摘要本发明公开了一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法，属于材料塑性成形领域，包括模具、封头以及加热装置；封头包括上封头和下封头，上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于模具上端开口的内壁上，下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于模具下端开口的内壁上；加热装置设置 于模具的外壁上；封头上设置有热气通道、冷气通道以及气体回收通道，热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，气体回收通道用于排出管坯内气体。本发明保证了变形发生在预设温度，避免大量冷气进入，降低管坯变形温度；同时避免了管件自然冷却收缩，被收缩量更
大的模具抱死。权利要求书2页 说明书6页 附图2页CN 111438254 A 2020.07.24
C N 111438254
A
1.一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：包括模具、封头以及加热装置；所述封头包括上封头和下封头，所述上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于所述模具上端开口的内壁上，所述下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于所述模具下端开口的内壁上；所述加热装置设置于所述模具的外壁上，用于加热模具以及管坯；所述封头上设置有热气通道、冷气通道以及气体回收通道，所述热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，所述气体回收通道用于排出管坯内气体。
2.根据权利要求1所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述上封头与管坯内壁的接触面环向设置有第一凹槽，所述第一凹槽内设置有第一密封圈，所述下封头与管坯内壁的接触面环向设置有第二凹槽，所述第二凹槽内设置有第二密封圈。
3.根据权利要求1所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述上封头中心位置设置有向所述管坯内部延伸的延伸部，所述延伸部下端与所述下封头接触；所述下封头与所述延伸部接触的一端设置有固定槽，所述延伸部下端嵌入到所述固定槽内部，所述固定槽外壁将管坯下端挤压固定于所述模具下端的内壁上。
4.根据权利要求3所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述延伸部与所述固定槽内壁的接触面环向设置有第三凹槽，所述第三凹槽内设置有第三密封圈。
5.根据权利要求1所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：还设置有高压气源、气体回收装置、冷气管道、热气管道和气体回收管道，所述冷气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述冷气通道与管坯内部空间相连通；所述热气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述热气通道与管坯内部空间相连通；气体回收管道一端与所述气体回收装置相连通，另一端穿过所述气体回收通道与管坯内部空间相连通。
6.根据权利要求5所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：还设置有控制系统，所述冷气管道上设置有冷气进气控制阀和冷气传感器；所述热气通道上设置有热气进气控制阀、气体加热装置和热气传感器；所述气体回收管道上设置有气体回收控制阀；所述冷气进气控制阀、热气进气控制阀、气体回收控制阀、冷气传感器以及热气传感器均与所述控制系统电连接。
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7.根据权利要求5所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述冷气管道外壁与所述冷气通道内壁之间、所述热气管道外壁与所述热气通道内壁之间、以及所述气体回收管道外壁与所述气体回收通道之间均设置有密封填充物。
8.根据权利要求7所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述密封填充物为紫铜填充物。小学生创新作文
9.根据权利要求6所述的封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，其特征在于：所述加热装置为缠绕在所述模具外部的感应线圈，所述感应线圈与电源连接，所述模具的上部、中部和下部分别设置有模具上部热电偶、模具中部热电偶和模具下部热电偶，所述管坯的上部、中部和下部分别设置有管材上部热电偶、管材中部热电偶和管材下部热电偶；所述模具上部热电偶、所述模具中部热电偶、所述模具下部热电偶、所述管材上部热电偶、所述管材中部热电偶和所述管材下部热电偶均与所述控制系统电连接。
10.一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：将待加工管件放入模具，安装所述上封头和所述下封头，分别将管坯的上、下端挤压固定于所述模具上、下端的内壁上，形成管坯内部的封闭空间；
第二步：开启所述加热装置对管坯进行加热至预设温度；
第二步：从所述热气通道向管坯内部通入热气进行气胀至管坯完全紧贴所述模具内壁；
第三步：从所述气体回收通道排出热气；
第四步：从所述冷气通道通入冷气使管坯发生冷却；
第五步：管坯冷却收缩，与所述模具分离，脱模，继续自然降温，获得合格管件。
封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法
技术领域
[0001]本发明涉及材料塑性成形领域，特别是涉及一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法。
背景技术
阿替普酶[0002]钛合金、钛铝合金等材料在高温下具有较好的变形抗力，耐高温性能好，多用于航空航天飞行器耐热结构件制造。随着航空航天飞行器等运载工具的发展，对结构轻量化和可靠性要求越来越高，因此钛合金和钛铝合金薄壁构件(工业中常称为钣金构件)向薄壁化、整体化、高精度方向发展。典型
构件的最小壁厚达0.5-1.0mm，厚径比(壁厚与直径的比值)往往低于1％，甚至达到1‰；为提高可靠性要求尽量消除焊缝，导致构件形状更加复杂、尤其出现大量封闭异形截面构件，如进气道、排气道、排气管、喷管等管状或筒状构件；并且构件直径精度、曲面轮廓精度等往往要求高达0.2mm。由于现有刚性模具成形技术难以实现上述要求，此类构件的制造成为相关行业的技术难题。
[0003]由于这些材料室温塑性差、弹性模量低，难以室温成形，一般在在700℃以上进行塑性成形。对于封闭异形截面整体零件，由于刚性模具无法成形，一般需要采用热气胀成形方法，即首先将管坯加热至一定温度，向其内部通以高压气体，使管材发生变形贴靠模具，获得所需形状管件。
[0004]关于封闭截面管材热气胀成形方法，现有发明专利主要集中在管件加热方法与方法控制方面，均未涉及热气胀后管件的主动冷却方法与装置。
[0005]例如，专利CN201711130541.6，公开了一种基于汽油燃烧的合金管材加热气胀成形模具及成形方法，将管坯密封后向管坯内喷射混合的汽油和空气并点火燃烧，使得加工合金管坯内的气压急剧增加，并通过燃烧使得管坯管壁受热升温后成形性能得以提升，进而促使管坯气胀成形得到成形空心工件。该方法采用汽油燃烧加热气体进行管件胀形，但未考虑到管材主动降温冷却相关内容。
[0006]专利CN201810824962.7，公开了一种异种材料复杂截面管件的电辅助加热成形装置及方法，将异种材料管材焊接成的管坯同内置于管坯内的内覆管置于气胀成形模具内，对管坯两端进行密封后
利用推杆的进退调整柔性铜块位置实现局部区域加热，向内覆管内充入高压气体使管坯快速贴模，同时推动推头进行补料使管件成形，未涉及热气胀后主动控制管件冷却以便取件的方法与装置。
[0007]专利CN201910998662.5，公开了一种大尺寸薄壁管件成形模具的加热装置及分区控温方法，通过设置若干个加热块组合出不同的加热区域，每个加热块上绕设有感应线圈，根据导热板上各分区域的热输入量，设计并加工出各加热块、感应线圈的形状和尺寸，通过使用分体式的加热块在导热板上进行组合，能对各分区域的温度进行快速、不同梯度、分区域的调控，但未涉及高温气胀后管件冷却控制方面内容。
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[0008]专利CN201811552653.5，公开了一种大尺寸钛合金曲母线双层锥筒构件的同步高压气胀成形方法，该方法采用双层锥形筒坯在特定的成形温度下进行高压热气胀成形，确
保了内层和外层锥形筒之间曲面形状一致，配合间隙小，不需要后续校形工序。虽然提出通过保温热处理完成组织性能调控，避免了成形后热处理影响尺寸精度，但并未给出保温热处理的具体方法与装置，也未给出具体冷却控制方式来使管件脱模及控制尺寸精度。[0009]综上所述，现有多种管件热气胀方法的关注点均为封闭截面管件热气胀时管件与气体加热方法、加热元件布置与模具结构，均未涉及管件热气胀成形后通过主动冷却方法控制管件成形精度方面相关内容。
[0010]实际上，以钛合金为代表的耐热材料管件热气胀成形后，如未经冷却直接出模，管件存在冷却
收缩问题，冷却过程中外侧没有模具定型，无法保证较高的尺寸精度。如在模内随模具降温，降温速度慢，易产生晶粒长大，难以控制性能，生产效率低。当模具的热膨胀系数大于管坯的热膨胀系数时，模具冷却后收缩量将大于管件的收缩量，所成形管件将被冷却收缩更大的模具抱紧，无法从模具中取出。
[0011]因此，基于上述现有技术中存在的缺陷，亟需一种能保证钛合金、钛铝合金等材料管件成形精度的装置。
发明内容
[0012]本发明的目的是提供一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置及成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管件成形尺寸精度高、材料性能好。
[0013]为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0014]本发明提供一种封闭截面整体管件热气胀-主动气冷成形装置，包括模具、封头以及加热装置；所述封头包括上封头和下封头，所述上封头用来密封管坯上端开口并将管坯挤压固定于所述模具上端开口的内壁上，所述下封头用来密封管坯下端开口并将管坯挤压固定于所述模具下端开口的内壁上；所述加热装置设置于所述模具的外壁上，用于加热模具以及管坯；所述封头上设置有热气通道、冷气
通道以及气体回收通道，所述热气通道、冷气通道分别用于向管坯内部通入热气和冷气，所述气体回收通道用于排出管坯内气体。[0015]可选的，所述上封头与管坯内壁的接触面环向设置有第一凹槽，所述第一凹槽内设置有第一密封圈，所述下封头与管坯内壁的接触面环向设置有第二凹槽，所述第二凹槽内设置有第二密封圈。
[0016]可选的，所述上封头中心位置设置有向所述管坯内部延伸的延伸部，所述延伸部下端与所述下封头接触；所述下封头与所述延伸部接触的一端设置有固定槽，所述延伸部下端嵌入到所述固定槽内部，所述固定槽外壁将管坯下端挤压固定于所述模具下端的内壁上。
吕文彦[0017]可选的，所述延伸部与所述固定槽内壁的接触面环向设置有第三凹槽，所述第三凹槽内设置有第三密封圈。
[0018]可选的，还设置有高压气源、气体回收装置、冷气管道、热气管道和气体回收管道，所述冷气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述冷气通道与管坯内部空间相连通；所述热气管道一端与所述高压气源相连通，另一端穿过所述热气通道与管坯内部空间相连通；气体回收管道一端与所述气体回收装置相连通，另一端穿过所述气体回收通道与管坯内部空间相连通。
[0019]可选的，还设置有控制系统，所述冷气管道上设置有冷气进气控制阀和冷气传感
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