一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装及加工方法.pdf

一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，由加热设备、拉伸设备、模具及坯料和温度控制系统组成；模具放置在拉伸设备的中央工作台上，坯料由拉伸设备的夹钳夹住，加热设备悬挂在模具正上方，对于形状简单的坯料，进行拉伸—包覆—拉伸，然后根据坯料形状调整加热设备位置及形状以贴近坯料，开通电源，依靠温度控制系统测量、控制坯料温度，直至坯料达到预定温度实现蠕变成形；对于形状复杂的坯料，则预先调整加热设备位置及形状进行加热，然后边加热边对坯料进行拉伸—包覆—拉伸，加热设备的形状会随着坯料的形状改变，保证在拉形过程中一直贴近坯料；其加工方法有八大步骤。本发明加热过程非常迅速，坯料温度也很均匀，显著提高了加热效率。

1.  一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，其特征在于：它由加热设备、拉伸设备、模具及坯料和温度控制系统四个部分组成；将模具放置在拉伸设备的中央工作台上，所用坯料由拉伸设备的夹钳夹住，加热设备悬挂在模具正上方，对于形状简单的坯料，对其进行拉伸—包覆—拉伸，然后根据坯料形状调整加热设备位置及形状以贴近坯料，开通电源，依靠温度控制系统测量、控制坯料温度，直至坯料达到预定温度实现蠕变成形；对于形状复杂的坯料，则预先调整加热设备位置及形状进行加热，然后一边加热一边对坯料进行拉伸—包覆—拉伸，加热设备的形状会随着坯料的形状改变，以保证在拉形过程中一直贴近坯料；
所述加热设备，包括支撑台、加热单元、控制系统；复数个加热单元装配在支撑台上，控制系统安装在加热单元的底端，每个加热单元由石英灯管、石英灯套筒以及一对调形单元组成，每个调形单元包括电机、联轴器、丝杠、深沟球轴承、钉杆和支撑板，石英灯管及石英灯套筒安装在两个钉杆末端上，控制系统控制电机转动，通过联轴器带动丝杠转动，实现钉杆上下移动，从而实现石英灯管的上下移动以及倾斜角度的调整；在调整石英灯管倾斜角度时，石英灯套筒与石英灯管之间像拉伸缸一样伸缩；根据蒙皮的面积，确定所用加热单元的数量，然后装配到支撑台上；控制系统由电机驱动器和控制电路组成，以实现石英灯管位置的自动控制；
所述拉伸设备，分为拉形机、拉弯机，该拉伸设备为拉形机，图中只画出夹钳；
所述模具及坯料，成形所用的坯料是钛合金蒙皮零件，坯料两端在拉形机夹钳夹紧下，在被中央工作台顶升的拉形的模具顶力作用下，使坯料与拉形的模具贴合；
所述温度控制系统，包括：热电偶测量坯料温度，根据温度反馈信号，采用PLC单片机闭环控制电源电流，进而控制坯料温度，在整个成型周期内温度控制系统是自动可编程控制的。

2.  一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装的加工方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
对于形状简单的坯料：
步骤一、将模具装置放置于拉伸设备的中央工作台上；
步骤二、拉伸设备的夹钳夹紧坯料，以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围；
步骤三、预拉伸到预应变后，拉伸设备的中央工作台带动模具装置上移，以预定速度对 坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具；
步骤四、坯料贴合模具后，以预定速度对坯料进行补拉，直至预定终应变范围；
步骤五、按预定的程序调整加热设备位置以及各个石英灯管的姿态使其贴近坯料至预定位置；
步骤六、打开加热电源，通过热电偶实时测量坯料温度，使坯料加热到预定温度；
步骤七、坯料在贴模、保持目标温度、终应变的条件下，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；
步骤八、切断加热电源，移开加热设备，待冷却后取下坯料，加工结束；
对于形状复杂的坯料：
步骤一、将模具装置放置于拉伸成形设备的中央工作台上；
步骤二、拉伸设备的夹钳夹紧坯料，并按预定的程序调整加热设备位置以及各个石英灯管的姿态使其贴近坯料至预定位置；
步骤三、打开加热电源，通过热电偶实时测量坯料温度，使坯料加热到预定温度；
步骤四、以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围；
步骤五、预拉伸到预应变后，拉伸设备的中央工作台带动模具装置上移，以预定速度对坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具；与此同时，加热设备也按照既定程序改变位置及姿态，始终保持贴近坯料进行加热；
步骤六、坯料贴合模具后，以预定速度对坯料进行补拉，直至预定终应变范围；
步骤七、坯料在贴模、保持目标温度、终应变的条件下，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；
步骤八、切断加热电源，移开加热设备，待冷却后取下坯料，加工结束。

3.  根据权利要求1所述的一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，其特征在于：所述模具的材料为熔凝硅或石陶瓷模。

4.  根据权利要求1所述的一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，其特征在于：所述温度控制系统控制坯料的温度为600℃～800℃。

5.  根据权利要求1所述的一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，其特征在于：所述加热设备的石英灯管数量按坯料的面积增减。

6.  根据权利要求1所述的一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，其特征在于：对坯料边缘较易散热的区域，要增加石英灯管密度或利用反射装置来补偿。

一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装及加工方法
技术领域
本发明涉及一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装及加工方法，用于钛合金、镁合金等常温难成形材料的热成形，尤其适用于大尺寸钛合金蒙皮的热成形，属于热加工技术领域。
技术背景
钛合金具有高比强度、高极限强度、抗腐蚀性好、耐高温等一系列突出的优点，因此钛合金在军用和民用飞机上得到了越来越广泛的应用。飞机蒙皮是飞机结构零件的主要组成部分之一，蒙皮零件的尺寸和几何精度要求都较高。由于钛合金在性能上具有无与伦比的突出优点，所以广泛应用于飞机的蒙皮零件。但钛合金在常温下强度较高，屈服强度比大，弹性模量小，因而其塑性变形范围很窄，所需成形力大，易开裂，回弹严重，成形困难，所以钛合金冷成形的成形性能并不很理想。在一定的高温状态下，钛合金的塑性可得到明显的改善，延伸率增加，成形性显著提高。由于钛合金的特点，若成形及机械加工精度不高，将会给装配协调带来很大的困难，因此钛蒙皮的制造技术尤其是热成形法一直都是作为专门的问题来研究。
在实际加工过程中，不同的钛合金工件有不同的加热方法，常用的有自阻加热和辐射加热等。对于自阻加热成形，所用毛料的几何形状有一定要求，矩形、特别是窄条形毛料比较适合，因为这种线形材料电阻较大，易于通入电流加热；而对于比较宽、面积比较大的毛料，使用自阻加热效率很低，而辐射加热非常适合，主要是指用石英灯辐射加热成形，石英灯装置是由一排或多排石英灯管组成，以有效地辐射红外线，将毛料加热到所需温度，对于大面积钛合金蒙皮零件尤其非常适用。
发明内容
1、目的：本发明的目的是为了解决钛蒙皮在冷成形时遇到的易开裂，回弹严重等问题， 而提供一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装及加工方法。它是一种采用石英灯管辐射加热辅助精密成形大尺寸钛合金蒙皮零件的热成形工装及成形方法。
2、技术方案：
(1)本发明一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，它由加热设备、拉伸设备、模具及坯料和温度控制系统四个部分组成，它们之间的位置连接关系为：将模具放置在拉伸设备的中央工作台上，所用坯料由拉伸设备的夹钳夹住，加热设备悬挂在模具正上方，对于一般形状较为简单的坯料，对坯料进行拉伸—包覆—拉伸，然后根据坯料形状调整加热设备位置及形状以贴近坯料，开通电源，依靠温度控制系统测量、控制坯料温度，直至坯料达到预定温度，进而实现蠕变成形；对于形状较为复杂的坯料，则预先调整加热设备位置及形状进行加热，然后一边加热一边对坯料进行拉伸—包覆—拉伸，加热设备的形状会随着坯料的形状改变，以保证在拉形过程中一直贴近坯料。
所述加热设备，具体包括支撑台、加热单元、控制系统，它们之间的位置连接关系为：若干个加热单元装配在支撑台上，控制系统安装在加热单元的底端。每个加热单元由石英灯管、石英灯套筒以及一对调形单元组成，每个调形单元包括电机、联轴器、丝杠、深沟球轴承、钉杆、支撑板，石英灯管及石英灯套筒安装在两个钉杆末端上，控制系统控制电机转动，通过联轴器带动丝杠转动，实现钉杆上下移动，从而实现石英灯管的上下移动以及倾斜角度的调整，在调整石英灯管倾斜角度时，石英灯套筒与石英灯管之间会像拉伸缸一样伸缩；根据蒙皮的面积，确定所用加热单元的数量，然后装配到支撑台上；控制系统由电机驱动器和控制电路组成，以实现石英灯管位置的自动控制。
所述拉伸设备，作为航空工业众所周知的一种成形设备，一般分为拉形机、拉弯机，所述拉伸设备为拉形机，在图中只画出夹钳。
所述模具及坯料，成形所用的坯料是钛合金蒙皮零件，坯料两端在拉形机夹钳夹紧下，在被中央工作台顶升的拉形的模具顶力作用下，使坯料与拉形的模具贴合。
所述温度控制系统，包括：热电偶测量坯料温度，根据温度反馈信号，采用PLC单片机闭环控制电源电流，进而控制坯料温度，在整个成型周期内温度控制系统是自动可编程控制的。
本发明的工作程序如下：将模具放置在拉伸设备的中央工作台上，所用坯料由拉伸设备的夹钳夹住，加热设备悬挂在模具正上方，对于一般形状较为简单的蒙皮坯料，对蒙皮坯料进行拉伸—包覆—拉伸，然后根据蒙皮坯料形状调整加热设备位置及形状以贴近蒙皮坯料，开通电源，依靠温度控制系统测量、控制坯料温度，直至坯料达到预定温度，进而实现蠕变 成形；对于形状较为复杂的蒙皮坯料，则预先调整加热设备位置及形状进行加热，然后一边加热一边对蒙皮坯料进行拉伸—包覆—拉伸，加热设备的形状会随着蒙皮坯料的形状改变，以保证在拉形过程中一直贴近蒙皮坯料。
其中，所述模具的材料为熔凝硅或石陶瓷模；
其中，所述温度控制系统控制坯料的温度为600℃～800℃；
其中，所述加热设备的石英灯管数量可按零件面积增减；
其中，对坯料边缘较易散热的区域，要增加石英灯管密度或利用反射装置来补偿。
(2)本发明一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装的加工方法，该方法具体步骤如下：
对于一般形状较为简单的坯料：
步骤一、将模具装置放置于拉伸成形设备的中央工作台上；
步骤二、拉伸设备的夹钳夹紧坯料，以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围；
步骤三、预拉伸到预应变后，拉伸设备的中央工作台带动模具装置上移，以预定速度对坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具；
步骤四、坯料贴合模具后，以预定速度对坯料进行补拉，直至预定终应变范围；
步骤五、按预定的程序调整加热设备位置以及各个石英灯管的姿态使其贴近坯料至预定位置；
步骤六、打开加热电源，通过热电偶实时测量坯料温度，使坯料加热到预定温度；
步骤七、坯料在贴模、保持目标温度、终应变的条件下，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；
步骤八、切断加热电源，移开加热设备，待冷却后取下坯料，加工结束。
对于形状较为复杂的坯料：
步骤一、将模具装置放置于拉伸成形设备的中央工作台上；
步骤二、拉伸设备的夹钳夹紧坯料，并按预定的程序调整加热设备位置以及各个石英灯管的姿态使其贴近坯料至预定位置；
步骤三、打开加热电源，通过热电偶实时测量坯料温度，使坯料加热到预定温度；
步骤四、以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围；
步骤五、预拉伸到预应变后，拉伸设备的中央工作台带动模具装置上移，以预定速度对坯料进行包覆成形，直至完全贴合模具；与此同时，加热设备也按照既定程序改变位置及姿态，始终保持贴近坯料进行加热；
步骤六、坯料贴合模具后，以预定速度对坯料进行补拉，直至预定终应变范围；
步骤七、坯料在贴模、保持目标温度、终应变的条件下，使坯料内部发生应力松弛，实现蠕变成形；
步骤八、切断加热电源，移开加热设备，待冷却后取下坯料，加工结束。
3、优点及功效：本发明的优点在于：由于钛合金在常温下难以精确成形，采用石英灯辐射加热坯料并使坯料温度保持在热成形温度范围内，然后在拉伸设备成形坯料。该工装使用了若干石英灯管，加热过程非常迅速，而且坯料温度也很均匀，显著提高了加热效率。此外，该工装还可以根据坯料的大小调整石英灯管的数量，并能十分方便地按照所需坯料的形状调整各个石英灯管的位置和姿态，保证加热效果。
附图说明
图1是一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装系统示意图。
图2是本发明工装所用辅助加热设备示意图。
图3是本发明工装所用加热单元示意图。
图4是本发明工装所用调形单元示意图。
图中符号说明如下：
1模具；2夹钳；3坯料；4加热设备；5加热单元；6支撑台；7调形单元；8石英灯管；9石英灯套筒；10电机；11联轴器；12深沟球轴承；13钉杆；14丝杠；15支撑板。
具体实施方式
下面结合附图1～图4，对本发明的技术方案做进一步的说明。
(1)本发明一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装，它由加热设备4、拉伸设备的夹钳2、模具1及坯料3和温度控制系统(图略)四个部分组成，它们之间的位置连接关系为：将模具1放置在拉伸设备的中央工作台上，所用坯料3由拉伸设备的夹钳2夹住，加热设备4悬挂在模具1正上方，对于一般形状较为简单的坯料3，对其进行拉伸—包覆—拉伸，然后根据蒙皮坯料形状调整加热设备4的位置及形状以贴近坯料3，开通电源，依靠温度控制系统(图略)测量、控制坯料3温度，直至坯料3达到预定温度，进而实现蠕变成形；对于形状较为复杂的坯料3，则预先调整加热设备4的位置及形状进行加热，然后一边加热一边对坯料3进行拉伸—包覆—拉伸，加热设备4的形状会随着坯料3的形状而改变，以保 证在拉形过程中一直贴近坯料3。
所述加热设备4，具体包括支撑台6、加热单元5、控制系统(图略)，它们之间的位置连接关系为：若干个加热单元5装配在支撑台6上，控制系统(图略)安装在加热单元5的底端。每个加热单元5由石英灯管8、石英灯套筒9以及一对调形单元7组成，每个调形单元7包括电机10、联轴器11、丝杠14、深沟球轴承12、钉杆13和支撑板15，石英灯管8及石英灯套筒9安装在两个钉杆13末端上，控制系统(图略)控制电机10转动，通过联轴器11带动丝杠14转动，实现钉杆13上下移动，从而实现石英灯管8的上下移动以及倾斜角度的调整，在调整石英灯8倾斜角度时，石英灯套筒9与石英灯管8之间会像拉伸缸一样伸缩；根据坯料3的面积，确定所用加热单元5的数量，然后装配到支撑台6上；控制系统由电机驱动器和控制电路组成，以实现石英灯管8位置的自动控制。
所述拉伸设备(以夹钳2示意)，作为航空工业众所周知的一种成形设备，一般分为拉形机、拉弯机，所述拉伸设备为拉形机，在图中只画出夹钳2。
所述模具1及坯料3，成形所用的坯料3是钛合金蒙皮零件，坯料3两端在拉形机的夹钳2夹紧下，在被中央工作台顶升的模具1的顶力作用下，使坯料3与模具1贴合。
所述温度控制系统(图略)，包括：热电偶测量坯料3温度，根据温度反馈信号，采用PLC单片机闭环控制电源电流，进而控制坯料3温度，在整个成型周期内温度控制系统是自动可编程控制的。
本发明的工作程序如下：将模具1放置在拉伸设备的中央工作台上，所用坯料3由拉伸设备的夹钳2夹住，加热设备4悬挂在模具1正上方，对于一般形状较为简单的坯料3，对其进行拉伸—包覆—拉伸，然后根据坯料3形状调整加热设备4的位置及形状以贴近坯料3，开通电源，依靠温度控制系统(图略)测量、控制坯料3温度，直至坯料3达到预定温度，进而实现蠕变成形；对于形状较为复杂的坯料3，则预先调整加热设备4的位置及形状进行加热，然后一边加热一边对坯料3进行拉伸—包覆—拉伸，加热设备4的形状会随着坯料3的形状而改变，以保证在拉形过程中一直贴近坯料3。
(2)本发明一种大尺寸钛合金蒙皮零件辐射加热成形工装的加工方法，该方法具体步骤如下：
对于一般形状较为简单的坯料3：
步骤一、将模具装置1放置于拉伸成形设备的中央工作台上；
步骤二、拉伸设备的夹钳2夹紧坯料3，以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围；
步骤三、预拉伸到预应变后，拉伸设备的中央工作台带动模具1上移，以预定速度对坯 料3进行包覆成形，直至完全贴合模具1；
步骤四、坯料3贴合模具1后，以预定速度对坯料进行补拉，直至预定终应变范围；
步骤五、按预定的程序调整加热设备4的位置以及各个石英灯管8的姿态使其贴近坯料3至预定位置；
步骤六、打开加热电源，通过热电偶实时测量坯料3温度，使坯料3加热到预定温度；
步骤七、坯料3在贴模、保持目标温度、终应变的条件下，使坯料3内部发生应力松弛，实现蠕变成形；
步骤八、切断加热电源，移开加热设备4，待冷却后取下坯料3，加工结束。
对于形状较为复杂的坯料3：
步骤一、将模具装置1放置于拉伸成形设备的中央工作台上；
步骤二、拉伸设备的夹钳2夹紧坯料3，并按预定的程序调整加热设备位置4以及各个石英灯管8的姿态使其贴近坯料3至预定位置；
步骤三、打开加热电源，通过热电偶实时测量坯料3的温度，使坯料3加热到预定温度；
步骤四、以预定速度进行预拉伸，直至预定应变范围；
步骤五、预拉伸到预应变后，拉伸设备的中央工作台带动模具1上移，以预定速度对坯料3进行包覆成形，直至完全贴合模具1；与此同时，加热设备4也按照既定程序改变位置及姿态，始终保持贴近坯料3进行加热；
步骤六、坯料3贴合模具1后，以预定速度对坯料3进行补拉，直至预定终应变范围；
步骤七、坯料3在贴模、保持目标温度、终应变的条件下，使坯料3内部发生应力松弛，实现蠕变成形；
步骤八、切断加热电源，移开加热设备4，待冷却后取下坯料3，加工结束。