(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 201710940164.6
(22)申请日 2017.10.11
(71)申请人 南京工程学院
地址 211167 江苏省南京市江宁科学园弘
景大道1号
申请人 南京航空航天大学
(72)发明人 李华冠 郭训忠 王章忠 费炜杰
巴志新 张保森
(74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限
公司 32224
代理人 董建林 刘妍妍
(51)Int.Cl.
B21D 7/08(2006.01)
B21D 7/12(2006.01)
B21D 7/16(2006.01)
B21D 43/02(2006.01)B21D 37/18(2006.01)C21D 1/18(2006.01)C21D 7/06(2006.01)B24C 1/08(2006.01)
(54)发明名称一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法(57)摘要本发明公开了一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，属先进制造及塑性成形技术领域。首先，基于管材的成型性能相关参数，反复迭代计算获得材料对应修正系数，对初始模型进行修正；试验校准各部件使用情况后，通过三段式感应加热装置，配合各个传感器实现精准控温加热；通过弯曲模的三维空间转动对管材前端挤压使其产生空间复杂的弯曲形状；淬火过程则通过与环状水冷喷头，使淬火过程快速、均匀。本发明解决了马氏体钢3D自由弯曲成形技术难题，实现其三维空间下的高温自由弯曲成形，并借助快速淬火系统，已获得1400MPa以上的强度，实现了超高强度钢3D自由弯曲构件的形性协调控制，在航空航天、轨道交通、汽车及核电领域具有重要工 程应用价值。权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 107755490 A 2018.03.06
C N 107755490
A
1.一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)装夹：将管材套入推进装置中，使用夹持装置确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材推入感应加热装置中；
2)奥氏体化：将马氏体钢管材通过感应加热方式加热，分三段加热至完全奥氏体化，其中初段加热温度为320℃～350℃，中段加热温度为620℃～650℃，终段加热温度为920℃～950℃，每段加热设备间用带有红外测温设备的密封环进行密封，红外测温设备对每段加热的具体温度实时检测，并将误差反馈给推进设备做出实时的修正调整，加热期间，保持滚轮与管材外壁接触良好，并向管材内部通入保护气氛防止氧化；
3)3D自由弯曲成形：通过导向装置与弯曲模的作用，使得管材前段部分发生三维弯曲；
4)冷却淬火：通过环状水嘴对已经弯曲完成的部分进行淬火，使淬火冷却速率为60℃/ s～100℃/s；
5)喷丸处理：使用丸粒对弯管表面进行冲击，去除表面应力层，获得成品件。
2.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(1)中夹持装置与管材的接触方式为线接触。
3.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中保护气氛为氮气，且加热段分段温度误差应不大于±10℃，如误差大于该数值，则逐级调整推进设备推进速度，每级调整量为上级速度的1％。
4.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(3)过程中使用润滑油作为润滑，且润滑油的温度与终端加热后对应红外测温装置获得的温度数据相等。
5.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所属步骤(4)中的环状水嘴与弯曲模前端刚性固定，环形平面与弯曲模顶部平面相平行，能够实现与弯曲模的等角度运动；环状水嘴前端带有红外测温装置，能够与环状水嘴实现联动反馈调节，环状水嘴喷水量为2000m3/h～2500m3/h；环状水嘴还带有3D扫描仪，能够识别管材发生回弹的比例，经过计算分析后反馈至弯曲程序中进行修正补足。
6.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(5)中的丸粒为玻璃丸，丸粒直径为0.5～20mm，丸粒运动速度为45m/s～55m/s。
7.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：对于具有镀层的马氏体钢管材，步骤(4)后可无需进行步骤(5)。
8.根据权利要求1所述的一种马氏体钢3D自由弯曲成形方法，其特征在于：所述步骤(1)～(4)中推进管材所用装置能够实现恒力推进与恒速推进两种模式，恒力大小为1kN，恒速大小为10mm/s。
9.一种超高强度钢3D自由弯管的修正模型，其特征在于，包含以下步骤：
1)将复杂弯管三维几何模型按照直、曲线分段，填入过渡段并建立几何模型；
2)以弯曲模中心点与导向机构前端距离A为变量，根据实际情况引入弯曲修正系数k以及回弹修正系数k’；
3)将设定系数值迭代回原有弯管加工参数，通过有限元手段进行模拟比较，反复修改系数直至误差小于1％；
4)将完成的修正系数存入数据库，以便下次管径与材料均相同时调用。
10.根据权利要求9所述的一种超高强度钢3D自由弯管的修正模型，其特征在于：假设第一过渡段与弯曲段总路程为半径为R的半圆弧，并等效管材的Z轴运动为匀速运动，引入直段到弯曲段过度曲线为第一过渡段，引入弯曲段到下一直线段为第二过渡段，则球面轴承运动模型的公式为：
1)直段：无需弯曲故轴承不运动，时间为
2)第一过渡段：运动速度为运动时间为
3)弯曲段：弯曲半径无变化故不运动，时间为
4)第二过渡段：运动速度为运动时间为
式中，L为直段长度；R为弯曲半径；θ为弯曲角度；u为球面轴承在X-Y平面的运动速度投影；v为管材在Z轴的推进速度；t为运动时间；A为弯曲模中心至导向机构前端距离；在进行修正时，采用迭代算法进行模型运算，终止条件为建立模型与迭代算法获得数值模型误差不超过1％；此外，修正参数主要修
正变量为A，即修正公式中，对于原有运动模型，A被等效替换为其中k为材料修正系数、k’为回弹修正系数。
一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于金属复杂结构件先进制造技术领域，特别涉及马氏体钢复杂管件的3D 自由弯曲成形。
背景技术
[0002]在航天航空、轨道交通、汽车工业中，由于提速要求的提出，轻量化材料被用于各种关键部位的制造。马氏体钢拥有极高的抗拉强度，对于同一零件的制造，在保证相应抗拉强度的同时可以减少大量材料的使用；并且其相对于碳纤维，造价更为低廉，因此被广泛应用于航天航空，轨道交通等行业相关设备的关键结构制造中；现有阶段的超高强度钢生产工艺中，仅有热冲压工艺能够完全实现马氏体钢的快速精确成形，其通过对板材加热至奥氏体化后冷却淬火的过程获得高强马氏体组织，配合保压过程可以实现精准成型避免其产生回弹效应。但现阶段该种技术仅适用于钣金冲压件的生产；此外，管型件的成型方式一般为绕弯或热弯成型，但二者均不能实现管件在三维空间内的弯折。现有技术手段中，马氏体钢的管型件成型并没有成熟的解决方案。
[0003]本专利提出的3D自由弯管技术，通过球状轴承与弯曲模对弯管前端进行三维空间的自由弯折，配合推进系统，能够实现管材在空间内的任意弯折。但其目前仍有如下缺点：(1)3D自由弯管仅能实现冷成型过程，对于热成型过程产生的尺寸变化差异并没有很好的解决方案；(2)3D自由弯管过程中，管坯在推进时会与夹具产生剧烈的摩擦，易造成表面涂镀层的损伤甚至剥落；(3)3D自由弯管技术目前仅能成型无淬火冷却过程的金属。[0004]在现有专利中，仅CN201410159236.X(一种超高强度钢管及其连续生产方法)、CN201010263433.8(一种高强度和超高强度钢管的加工方法)涉及关于超高强度钢管材的制备方法，但其均停留于直管件的制备，并不涉及折弯部分的制造。另外CN201010263433.8中加工的超高强度钢管材中无夹持设备，不存在矫直操作，也无保护气氛，而超高强度钢在淬火操作中易出现氧化、变形现象，弯折后其弯曲半径精度也较低。此外，就弯管技术而言，现阶段弯管方式一般为推弯成形与绕弯成形，无法实现3D下的自由弯曲。
发明内容：
[0005]针对上述技术问题，本发明提出了一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，采用弯曲模与球状轴承三维曲面运动对管材挤出端面进行弯曲操作，配合三段式感应加热装置提高其成形性能，并在挤出段设置淬火冷却喷头进行快速淬火以保证成品件较高的强度等级，实现了马氏体钢3D自由弯曲构件的形性协调控制。
[0006]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007]一种马氏体钢3D自由弯曲成形装置及方法，包含以下步骤：
[0008]拟定工艺参数，编写加工程序，以测量获得对应材料的修正系数k以及回弹修正系数k’；
[0009]1)装夹：将管材套入推进装置中，使用夹持装置确定其X向、Y向以及Z向的稳定性，
进行试推操作验证导轮是否工作正常；打开推进机构，将管材推入感应加热装置中；[0010]2)奥氏体化：将马氏体钢管材通过感应加热方式加热，分三段加热至完全奥氏体化，其中初段加热温度为320℃～350℃，中段加热温度为620℃～650℃，终段加热温度为920℃～950℃，每段加热设备间用带有红外测温设备的密封环进行密封，红外测温设备对每段加热的具体温度实时检测，并将误差反馈给推进设备做出实时的修正调整。加热期间，保持滚轮与管材外壁接触良好，并向管材内部通入保护气氛防止氧化；
[0011]3)3D自由弯曲成形：通过导向装置与弯曲模的作用，使得管材前段部分发生三维弯曲；
[0012]4)冷却淬火：使用环状水嘴对已经弯曲完成的部分进行淬火，使淬火冷却速率为60℃/s～100℃/s；
[0013]5)喷丸处理：使用丸粒对弯管表面进行冲击，去除表面应力层，获得成品件。[0014]作为优选，所述步骤(1)中夹持装置与管材的接触方式为线接触；
[0015]作为优选，所述步骤(2)中保护气氛为氮气；且加热段分段温度误差应不大于±10℃，如误差大于该数值，则逐级调整推进设备推进速度，每级调整量为上级速度的1％；[0016]作为优选，所述步骤(3)过程中使用润滑油作为润滑，且润滑油的温度与终端加热后对应红外测温装置获得的温度数据相等；
[0017]作为优选，所属步骤(4)中的环状水嘴与弯曲模前端刚性固定，且环形平面与弯曲模顶部平面相平行，能够实现与弯曲模的等角度运动；环状水嘴前端带有红外测温装置，能够与环状水嘴实现联动反馈调节，环状水嘴喷水量为2000m3/h～2500m3/h；环状水嘴还带有3D扫描仪，能够识别管材发生回弹的比例，经过计算分析后反馈至弯曲程序中进行修正补足；
[0018]作为优选，所述步骤(5)中的丸粒为玻璃丸，丸粒直径为0.5mm～20mm，丸粒运动速度为45m/s～55m/s；
[0019]作为优选，对于具有镀层的马氏体钢管材，步骤(4)后可无需进行步骤(5)；[0020]作为优选，所述步骤(1)～(4)中推进管材所用装置应能够实现恒力推进与恒速推进两种模式，恒力大小为1kN，恒速大小为10mm/s。
[0021]此外，本发明还针对超高强度钢3D自由弯管提出了一种修正模型，主要包括：[0022]1)将复杂弯管三维几何模型按照直、曲线分段，填入过渡段并建立几何模型；[0023]2)以弯曲模中心点与导向机构前端距离A为变量，根据实际情况引入弯曲修正系数k以及回弹修正系数k’；
[0024]3)将设定系数值迭代回原有弯管加工参数，通过有限元手段进行模拟比较，反复修改系数直至误差小于1％；
[0025]4)将完成的修正系数存入数据库，以便下次管径与材料均相同时调用。
[0026]球面轴承运动模型具体的公式为：
[0027]假设第一过渡段与弯曲段总路程为半径为R的半圆弧，并等效管材的Z轴运动为匀速运动，引入直段到弯曲段过度曲线为第一过渡段，引入弯曲段到下一直线段为第二过渡段，则有：
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