阅读说明：本技术 一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法 (Large-size thin-wall annular shell inflation hot-press bending forming device and method ) 是由 苑世剑 郑凯伦 何祝斌 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法。该方法包括：将第一封头和第二封头焊接在管体形成封闭管件；将第一电极和第二电极设置在管体两端形成闭合的电流回路,通电加热封闭管件；向加热后的封闭管件内通入压缩气体；将通入压缩气体的封闭管件置于第一模具凸起部和第二模具凹陷部之间,控制第一和第二模具的温度进行压弯成形；增加压弯成形后的封闭管件内气体的压力,使压弯成形后的封闭管件贴模定形；排出定形后的封闭管件内的气体,切割第一封头和第二封头以及余量得到成形好的环壳段；将多个成形好的环壳段进行焊接得到大尺寸薄壁环壳。本发明的装置和方法,提高了管件的加热效率,避免了受尺寸限制的问题,降低了制造成本。(The invention discloses a large-size thin-wall annular shell inflation hot-press bending forming device and method. The method comprises the following steps: welding the first seal head and the second seal head on the pipe body to form a closed pipe fitting; arranging a first electrode and a second electrode at two ends of the tube body to form a closed current loop, and electrifying and heating the closed tube; introducing compressed gas into the heated closed pipe fitting; placing the closed pipe fitting into which the compressed gas is introduced between the convex part of the first die and the concave part of the second die, and controlling the temperature of the first die and the temperature of the second die to carry out bending forming; increasing the pressure of gas in the closed pipe fitting after bending forming to ensure that the closed pipe fitting after bending forming is shaped by attaching a mould; discharging gas in the shaped closed pipe fitting, and cutting the first seal head, the second seal head and the rest to obtain a formed annular shell section; and welding the plurality of formed ring shell sections to obtain the large-size thin-wall ring shell. The device and the method of the invention improve the heating efficiency of the pipe fitting, avoid the problem of size limitation and reduce the manufacturing cost.)

一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法

技术领域

本发明涉及金属成形制造技术领域，特别是涉及一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法。

背景技术

大尺寸薄壁环壳主要应用于运载火箭燃料储箱、水轮机窝壳、石油化工设备和管道，在航空航天、能源水利、石油化工等领域具有重要应用。对于大尺寸薄壁环壳，现有的加工方法主要包括拼焊法、冲压法、无模液压胀形法和绕弯成形法。

拼焊法即采用多段焊接的方法近似焊接成弯管，该方法的缺点是焊缝处易产生应力集中和流通不畅，弯管耐压能力较差，一般只能应用于压力较低的管路系统中。

冲压法采用冲压的方式成形出环形半壳，修正边缘后拼缝焊接，根据所需尺寸剖切环壳，获得不同弯曲角度的弯头。冲压法的弊端在于：1)冲压环壳的回弹大，尺寸精度低，影响焊接；2)需要多套高精度模具，制造成本高；3)装配对焊困难，焊接变形影响可靠性。

无模液压胀形法需要预先焊制横截面为多边形的多棱环壳或多端封闭的多棱扇形壳，通过施加内压，获得所需环壳，切割后得到所需角度的弯头。然而，该成形方法存在环壳内侧易失稳起皱的缺陷。

绕弯成形法采用低熔点合金作为填充物，通过拉弯或绕弯的成形方法获得铝合金弯头。但是，该方法受限于弯管装置尺寸，通常只适用于管径较小的弯头。

此外，由于铝合金、镁合金及钛合金室温塑性差，难于弯曲成形，易开裂。为了改善管件的塑性，须在加热条件下进行成形。对于大尺寸环壳(如管壳直径>500mm，环壳直径>2000mm)，如果采用在加热炉内进行加热的方式，则需大尺寸炉膛，设备成本高。如果采用传统模具接触加热的方式，模具尺寸大，加热效率低，且难以获得均匀的温度场。对于钛合金等高温材料，模具高温性能要求好，模具材料与制备成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过电流自阻加热的方法，提高管件的加热效率，避免传统加热炉受模具尺寸限制的问题，降低制造成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置，包括：

封闭管件、分区控温模具、第一电极、第二电极、电源和压缩气源装置；

所述分区控温模具包括第一模具和第二模具；所述第一模具的凸起部与所述第二模具的凹陷部相对设置；所述第一模具的凸起部上设有多个第一冷却通道和多个第一加热装置，所述第一冷却通道和所述第一加热装置均用于调节所述第一模具的温度；所述第二模具的凹陷部上设有多个第二冷却通道和多个第二加热装置，所述第二冷却通道和所述第二加热装置用于调节所述第二模具的温度；

所述封闭管件包括管体、第一封头和第二封头；所述第一封头和所述第二封头分别密封焊接在所述管体两端；所述封闭管件的管体设置在所述第一模具凸起部和所述第二模具凹陷部之间；

所述第一电极设置在所述管体一端，所述第二电极设置在所述管体另一端；所述第一电极与所述电源的正极连接，所述第二电极与所述电源的负极连接；所述第一电极与所述第二电极通电加热所述封闭管件，使所述封闭管件加热至预设的成形温度；

所述压缩气源装置与所述第一封头或所述第二封头连接，所述压缩气源装置用于将压缩气体输送至所述封闭管件。

可选的，所述压缩气源装置，具体包括：

压缩气源和气压控制器；所述气压控制器分别与所述压缩气源和所述封闭管件连接，所述气压控制器用于控制输送至所述封闭管件内的气体压力；

所述压缩气体为空气、氮气、氦气或氩气中的一种；

所述封闭管件内的气体压力为0.1-10MPa。

可选的，所述封闭管件材质为铝合金、镁合金、钛合金中的一种；铝合金为2000系、5000系、6000系、7000系、8000系铝合金中的一种；镁合金为AZ系、RE系、ZK系镁合金中的一种；钛合金为α型钛合金或α+β型钛合金；

所述管体的外径尺寸为300-700mm，所述管体的外径与所述第一封头的直径相等，所述管体的外径与所述第二封头的直径相等；所述管体的长度为1000-2500mm；所述管件的壁厚为1-5mm。

可选的，当所述封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，所述预设的成形温度为300-500℃；

所述封闭管件的材质为钛合金时，所述预设的成形温度为650-1000℃。

可选的，所述第一模具的温度与所述第二模具的温度相同，或者所述第二模具的温度大于所述第一模具的温度；

当所述封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，所述第一模具与所述第二模具的温度差为0-200℃；

当所述封闭管件的材质为钛合金时，所述第一模具与所述第二模具的温度差为0-100℃。

本发明还提供一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形方法，包括：

根据预设参数分别获取管体、第一封头、第二封头，将所述第一封头焊接在所述管体一端，将所述第二封头焊接在所述管体另一端，形成封闭管件；所述预设参数包括管体的外径、长度、壁厚以及第一封头和第二封头的直径；

将第一电极设置在所述管体一端，将第二电极设置在所述管体另一端，形成闭合的电流回路，通电加热所述封闭管件至预设的成形温度；

向加热后的所述封闭管件内通入压缩气体；

将通入压缩气体的封闭管件置于分区控温模具的第一模具凸起部和所述分区控温模具的第二模具凹陷部之间，控制所述第一模具和所述第二模具的温度进行压弯成形；所述第一模具凸起部与所述第二模具凹陷部相对设置；

增加压弯成形后的封闭管件内压缩气体的压力，使压弯成形后的封闭管件贴模定形；

排出定形后的封闭管件内的压缩气体，切割所述第一封头和所述第二封头以及余量，得到成形好的环壳段；

将多个成形好的环壳段进行焊接，得到大尺寸薄壁环壳。

可选的，所述控制所述第一模具和所述第二模具的温度进行压弯成形，具体包括：

控制所述第一模具的温度小于或等于所述第二模具的温度进行压弯成形。

可选的，所述将多个成形好的环壳段进行焊接，得到大尺寸薄壁环壳，具体包括：

将多个成形好的环壳段直接焊接或者在相邻两个所述环壳段之间置入垫板后进行焊接，得到大尺寸薄壁环壳。

可选的，所述压缩气体为空气、氮气、氦气、氩气中的一种；

封闭管件内的气体压力为0.1-10MPa；

焊接的方式为电弧焊、激光焊、氩弧焊、搅拌摩擦焊中的一种；

所述管体的外径尺寸为300-700mm，所述管体的外径与所述第一封头的直径相等，所述管体的外径与所述第二封头的直径相等；所述管体的长度为1000-2500mm；所述管件的壁厚为1-5mm。

可选的，所述封闭管件材质为铝合金、镁合金、钛合金中的一种；铝合金为2000系、5000系、6000系、7000系、8000系铝合金中的一种；镁合金为AZ系、RE系、ZK系镁合金中的一种；钛合金为α型钛合金或α+β型钛合金；

当所述封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，所述预设的成形温度为300-500℃；所述封闭管件的材质为钛合金时，所述预设的成形温度为650-1000℃；

当所述封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，所述第一模具与所述第二模具的温度差为0-200℃；当所述封闭管件的材质为钛合金时，所述第一模具与所述第二模具的温度差为0-100℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法，通过电流自阻加热封闭管件以提高轻质合金管材的塑性，使封闭管件短时间内迅速达到成形温度，显著提高加热效率，避免传统环境炉加热受限于管件尺寸的弊端，降低制造成本；同时利用压缩气体实现柔性内压支撑，通过第一模具和第二模具的分区控温控制封闭管件的压弯成形，进而实现封闭管件各变形区的协调变形，封闭管件外弧侧无破裂，内弧侧无失稳起皱。

附图说明

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。

图1为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置结构图；

图2为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形方法流程图；

图3为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形的封闭管件结构示意图；

图4为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形的压弯状态示意图；

图5为本发明实施例大尺寸薄壁环壳结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法，通过电流自阻加热的方法，提高管件的加热效率，避免传统加热炉受模具尺寸限制的问题，降低制造成本。

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。

实施例一

图1为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置结构图，如图1所示，本实施例提供了一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置，包括：封闭管件、分区控温模具、第一电极1、第二电极2、电源3和压缩气源装置。分区控温模具包括第一模具4和第二模具5；第一模具4的凸起部与第二模具5的凹陷部相对设置；第一模具4的凸起部上设有多个第一冷却通道6和多个第一加热装置7，第一冷却通道6间隔设置在第一模具4的凸起部内，第一加热装置7同样间隔设置在第一模具4的凸起部内，实现分区控温。第一冷却通道6和第一加热装置7均用于调节第一模具4的温度；第二模具5的凹陷部上设有多个第二冷却通道8和多个第二加热装置9，第二冷却通道8和第二加热装置9用于调节第二模具5的温度。封闭管件包括管体10、第一封头11和第二封头12；第一封头11和第二封头12分别密封焊接在管体10两端；封闭管件的管体10设置在第一模具4凸起部和第二模具5凹陷部之间。第一电极1设置在管体10一端，第二电极2设置在管体10另一端；第一电极1与电源3的负极连接，第二电极2与电源3的正极连接；第一电极1与第二电极2通电加热封闭管件，使封闭管件加热至预设的成形温度。第一电极1和第二电极2的形状优选为环形，第一电极1和第二电极2嵌套在封闭管件的管体10上。压缩气源装置与第一封头11或第二封头12连接，压缩气源装置用于将压缩气体输送至封闭管件。

压缩气源装置，具体包括：压缩气源13和气压控制器14。气压控制器14分别与压缩气源13和封闭管件连接，气压控制器14用于控制输送至封闭管件内的气体压力；压缩气体为空气、氮气、氦气或氩气中的一种；封闭管件内的气体压力为0.1-10MPa。

封闭管件材质为铝合金、镁合金、钛合金中的一种；铝合金为2000系、5000系、6000系、7000系、8000系铝合金中的一种；镁合金为AZ系、RE系、ZK系镁合金中的一种；钛合金为α型钛合金或α+β型钛合金；管体10的外径尺寸为300-700mm，管体10的外径与第一封头11的直径相等，管体10的外径与第二封头12的直径相等；管体10的长度为1000-2500mm；管体10的壁厚为1-5mm。

当封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，预设的成形温度为300-500℃；封闭管件的材质为钛合金时，预设的成形温度为650-1000℃。

第一模具4的温度与第二模具5的温度相同，或者第二模具5的温度大于第一模具4的温度；当封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，第一模具4与第二模具5的温度差为0-200℃；当封闭管件的材质为钛合金时，第一模具4与第二模具5的温度差为0-100℃。

实施例二

图2为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形方法流程图，如图2所示，本实施例提供一种大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形方法，包括：

步骤201：根据预设参数分别获取管体10、第一封头11、第二封头12，将第一封头11焊接在管体10一端，将第二封头12焊接在管体10另一端，形成封闭管件；图3为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形的封闭管件结构示意图，R表示第一封头11和第二封头12的半径，D表示管体10的内径，L表示管体10的长度。预设参数包括管体10的外径、长度、壁厚以及第一封头11和第二封头12的直径。

焊接的方式为电弧焊、激光焊、氩弧焊、搅拌摩擦焊中的一种。管体10的外径尺寸为300-700mm，管体10的外径与第一封头11的直径相等，管体10的外径与第二封头12的直径相等；管体10的长度为1000-2500mm；管件的壁厚为1-5mm。

步骤202：将第一电极1设置在管体10一端，将第二电极2设置在管体10另一端，形成闭合的电流回路，通电加热封闭管件至预设的成形温度。

封闭管件材质为铝合金、镁合金、钛合金中的一种；铝合金为2000系、5000系、6000系、7000系、8000系铝合金中的一种；镁合金为AZ系、RE系、ZK系镁合金中的一种；钛合金为α型钛合金或α+β型钛合金；当封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，预设的成形温度为300-500℃；封闭管件的材质为钛合金时，预设的成形温度为650-1000℃。

步骤203：向加热后的封闭管件内通入压缩气体。压缩气体为空气、氮气、氦气、氩气中的一种。

步骤204：将通入压缩气体的封闭管件置于分区控温模具的第一模具4凸起部和分区控温模具的第二模具5凹陷部之间，控制第一模具4和第二模具5的温度进行压弯成形；第一模具4凸起部与第二模具5凹陷部相对设置。

控制第一模具4和第二模具5的温度进行压弯成形是控制第一模具4的温度小于或等于第二模具5的温度进行压弯成形。图4为本发明实施例大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形的压弯状态示意图。当封闭管件的材质为铝合金或为镁合金时，第一模具4与第二模具5的温度差为0-200℃；当封闭管件的材质为钛合金时，第一模具4与第二模具5的温度差为0-100℃。

步骤205：增加压弯成形后的封闭管件内压缩气体的压力，使压弯成形后的封闭管件贴模定形。

封闭管件内的气体压力为0.1-10MPa。

步骤206：排出定形后的封闭管件内的压缩气体，切割第一封头11和第二封头12以及余量，得到成形好的环壳段。余量为除去第一封头、第二封头和环壳段后多余的部分。

步骤207：将多个成形好的环壳段进行焊接，得到大尺寸薄壁环壳。

图5为本发明实施例大尺寸薄壁环壳结构示意图，分别为4段环壳段和6段环壳段。将多个成形好的环壳段进行焊接，得到大尺寸薄壁环壳，是将多个成形好的环壳段直接焊接或者在相邻两个环壳段之间置入垫板后进行焊接，得到大尺寸薄壁环壳。大尺寸薄壁环壳可分别由3、4、6、8段环壳段焊接形成。

实施例三

本实施例提供了一种大尺寸TC4钛合金薄壁环壳充气热压弯成形方法，通过电流自阻加热以提高管材的塑性，利用压缩气体实现内压支撑，通过模具的分区控温控制管件的压弯成形。结合图1、3-5进行说明，以充气热压弯大尺寸TC4钛合金封闭管件为例，管体10和第一封头11、第二封头12均为同种材质TC4钛合金。管材直径为500mm、壁厚为2mm、管长为1400mm，材料的加热温度为850℃，模具控温状态为等温状态，即第一模具和第二模具温度相同。成形方法具体步骤如下：

根据封闭整体环壳设计，确定环壳段数，制造封闭管件。将管体两端及封头进行表面处理并焊接在一起，形成封闭管件。焊接方式为激光焊。

将第一电极1和第二电极2分别设置在管体10两端、形成闭合电流回路，通电加热封闭管件至预设成形温度；第一模具和第二模具进行分区控温，本实施例中，第一模具和第二模具的温度与电流成形温度相同。若在等温情况下，压弯管件局部减薄严重，则可控制减薄位置与之接触的模具温度低，材料***，变形不在这里集中发生，转移其他较软(温度相对高)的区域，控制整个封闭管件变形均匀。

预设TC4的成形温度为850℃，电流加热基于如下公式进行控制：

加热初始阶段温度：

加热稳定阶段温度：T＝KI²

式中，T-温度；t-时间；c-比热；d-密度；ρ-电导率；I-通电电流；s-管体横截面积；K-加热系数。

向封闭管件内部注入压缩气体，在管件内建立起内压作为柔性支撑。压缩气体为惰性气体中的一种，支撑内压的压强为0.8MPa。

将封闭管件置于等温的第一模具和第二模具之间进行压弯成形，合模后，提高内压进行整形，使管体贴模定形。

开模后，排出管件内部压缩气体，移除电极。切割封闭管件两端的封头及余量，完成环壳的成形制造。

组装焊接多段环壳，完成大尺寸环壳的成形制造。

实施例四

本实施例提供了一种大尺寸2195铝合金薄壁环壳充气热压弯成形方法，通过电流自阻加热以提高管材的塑性，利用压缩气体实现内压支撑，通过模具的分区控温控制管件的压弯成形。结合图1、3-5进行说明，以充气热压弯大尺寸2195铝合金封闭管件为例，管体和两个封头均为同种材质2195铝合金。管件直径为300mm、壁厚为3mm、管长为1000mm，材料的加热温度为400℃，模具控温状态为差温状态，模具最大温度梯度为100℃。成形方法具体步骤如下：

根据封闭整体环壳设计，确定环壳段数，制造封闭管件。将管体两端及两个封头进行表面处理并焊接在一起，形成封闭管件。焊接方式为激光焊。

将第一电极1和第二电极2分别设置在管体10两端、形成闭合电流回路，通电加热封闭管件至预设成形温度；模具进行分区控温，第一模具4中通入冷却介质，第二模具5加热至预设成形温度。管体材料强度与温度相关，温度越高，材料强度越低。控制第一模具4和第二模具5的温度进行压弯成形(控制第一模具4的温度小于第二模具5的温度进行压弯成形)，在均匀内压下，若第一模具4温度低，第二模具5温度高，封闭管件与第一模具4接触，温度下降，强度变高，不容易发生起皱。

预设2195铝合金的成形温度为400℃，电流加热基于如下公式进行控制；

加热初始阶段温度：

加热稳定阶段温度：T＝KI²

式中，T-温度；t-时间；c-比热；d-密度；ρ-电导率；I-通电电流；s-管体横截面积；K-加热系数。

合模，向封闭管件内部注入压缩气体，在管件内建立起内压作为柔性支撑。压缩气体为惰性气体中的一种，支撑内压的压强为0.2MPa。

将封闭管件置于差温的第一模具和第二模具之间进行压弯成形，合模后，提高内压进行整形，使管体贴模定形。

开模后，排出封闭管件内部压缩气体，移除电极。切割封闭管件两端的封头及余量，完成环壳的成形制造。

组装焊接多段环壳，完成大尺寸环壳的成形制造。

综上，本发明的大尺寸薄壁环壳充气热压弯成形装置和方法，通过电流自阻加热封闭管件以提高轻质合金管材的塑性，使封闭管件短时间内迅速达到成形温度，显著提高加热效率，避免传统加热炉加热受限于管件尺寸的弊端，降低制造成本；同时利用压缩气体实现柔性内压支撑，通过第一模具和第二模具的分区控温控制封闭管件的压弯成形，进而实现封闭管件各变形区的协调变形，构件环壳段成形质量好，外弧侧无破裂，内弧侧无失稳起皱；通过控制第一模具4的下压速率，改变封闭管件在高温下的压弯应变速率，利用应变速率强化提高材料的变形均匀性；此外，对封闭管件整体进行压弯成形，避免传统冷冲压板料后焊接带来的残余应力、性能不均的问题，提高尺寸精度。

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。

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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。