一种板材分段加热旋压成形方法技术

本发明专利技术涉及一种板材分段加热旋压成形方法，旋压过程中，根据旋压坯料形状的变化，实施调整每段感应加热器的角度和位置，实现在旋压过程中坯料始终处于被加热状态；分段感应加热器还能根据坯料不同位置温度的反馈，调整输出功率，坯料直径越大的位置需要的加热功率越高，通过感应加热输出功率的调整能够实现坯料的均匀加热，提高材料的变形均匀性，进而提高材料的壁厚和直径精度；由于旋轮轨迹决定了坯料形状的变化，根据旋轮轨迹确定感应加热器移动距离和旋转的角度；分段感应加热器由机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热。

A section heating spinning forming method of sheet metal

The invention relates to a section heating spinning forming method of sheet metal. In the spinning process, according to the change of the shape of the spinning billet, the angle and position of each section of the induction heater are adjusted to realize that the billet is always in the heated state in the spinning process; the section induction heater can adjust the output power according to the feedback of the temperature at different positions of the billet, and the position with the larger billet diameter needs to be adjusted The higher the heating power is, the uniform heating of the billet can be realized by adjusting the output power of the induction heating, and the deformation uniformity of the material can be improved, thus the wall thickness and diameter accuracy of the material can be improved; because the trajectory of the spinning wheel determines the change of the billet shape, the moving distance and rotation angle of the induction heater can be determined according to the trajectory of the spinning wheel; the segmented induction heater is driven by the mechanical arm, which can It can complete the position movement and angle rotation, and realize the continuous following heating.

【技术实现步骤摘要】
一种板材分段加热旋压成形方法
本专利技术属于加热旋压成形
，尤其涉及一种板材分段加热旋压成形方法。
技术介绍
薄壁回转体类零件是航空发动机上重要的承力部件，随着零件的工作温度不断提高，对零件材料的耐高温性能要求越来越高，通常采用高温合金和更轻质的金属间化合物等材料。火焰加热和电磁感应加热是热旋常见的方法，电磁感应加热旋压成形方法简单易行，能源采集方便，无环境污染问题，设备操作维修方便，但是加热装置成本较高，且只适合管件和筒形件的热旋，不适合异形件。火焰加热是最常见的热旋方式。文献“FEMcoupledthermalsimulationofwarmshearspinningofconeworkpieceoftitaniumalloy,YuChen,DachangKangandXiaoouJin:MaterialsScienceandTechnology,2006,14(1):18-21.”建立了热强旋三维热力耦合有限元模型，该文认为采用面热源模拟热源边界条件是合理的，但是由于面热源中热流密度随着材料和温度场的变化而变化，难以确定其分布曲线的参数，因此本文采用确定工件外侧环境温度和对流换热系数的方法完成热源边界条件的施加。文献“CoupledThermal-mechanicalFEMAnalysisofPowerSpinningOfTitaniumAlloyThin-walledShell,HuLi,MeiZhan,HeYang,GangChenandLiangHuang:ChineseJournalofMechanicalEngineering,2008,44(6):187-193.”采用ABAQUS软件的Explicit模块对钛合金薄壁壳体加热强力旋压进行了模拟分析，模型中定义了间隙热传导考虑了坯料和芯模的热扩散，通过定义环状体热源的移动来模拟火焰加热，考虑了摩擦生热和金属塑性变形生热，动态加载通过旋轮的轴向进给运动和芯轴的旋转来实现的，更贴近实际，采用剪切摩擦模型描述旋轮和工件间的接触。文献“ResearchonmicrostructureevolutionofNi-basedsuperalloycylindricalpartsduringhotpowerspinning,QinxiangXia,NingyuanZhu,XiuquanChengandGangfengXiao:AdvancesinManufacturing,(2019)pp52-63.”建立了热强旋过程的变形-传热-组织演变耦合有限元数值模拟模型，采用了高效节能的电磁感应对坯料进行在线加热，模拟中采用恒温加热环，以代表电磁感应加热器(热源)，其与坯料之间为Nearcontact的非接触式传热。预热温度为800℃，并考虑材料成形过程中的摩擦生热以及变形潜热，较好地模拟了晶粒尺寸。近年来，我国所采用火焰加热旋压成形的方法，制造发动机机匣类零件。旋压作为近代塑性加工中的一种新工艺，(如附图1所示)，在生产薄壁高精度回转体零件方面具有明显优势：(1)强力旋压后材料的强度和硬度比母材提高了约10～25％，因此强力旋压能有效地减小零件的设计壁厚、减轻重量，其疲劳性能也能显著提高。(2)强力旋压属于整体成形技术，成形的零件没有母线焊缝，因此零件整体性能提高，尤其是疲劳寿命能显著提高。(3)由于减薄率较大，强力旋压能有效改善或消除母材中细小冶金缺陷，或暴露出母材中严重缺陷。目前旋压成形火焰加热使用乙炔、天然气等作为加热源，(如附图2)，这种方法的加热方便，加热成本较低，应用广泛，但存在以下缺点：(1)火焰加热采用手工操作，温度均匀性难于保证；(2)火焰加热辐射大，劳动强度大；(3)火焰加热效率低，加热到900℃需要十分钟，加热到1000℃所需时间更长。(4)对旋压设备主轴箱和旋轮的热辐射大，长时间加热，降低设备的使用寿命。针对耐高温、难变形材料机匣类零件的旋压，设计制造感应加热系统。通过输入有交流电的感应器，产生交变磁场使靠近的工件中产生同频率的感应电流，这种电流在工件表面强，利用这种集肤效应可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度升到800℃～1000℃。感应加热广泛应用于棒材和管材的加热，感应加热过程和加热器如附图3所示。开始旋压阶段，采用常规的感应加热器能够对坯料进行加热(如附图4)。板材旋压成形过程中，坯料的形状在旋轮的作用下发生改变，坯料旋压过程中通常呈喇叭口等形状(如附图5)，此时感应器与坯料的距离无法保持恒定，距离较远的部位无法感应加热，坯料温度不均匀，引起成形过程出现开裂等问题，导致产品报废。
技术实现思路
本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种板材分段加热旋压成形方法，包括以下步骤：(101)旋轮进给轨迹设计：根据要加工零件结构设计旋轮的进给轨迹，且旋压过程采用多道次旋压成形方式；(102)选择感应器数量：根据要加工零件结构选择合适的感应加热器数量，并满足感应加热器的总长不小于零件母线长度，实现坯料的分段加热；(103)设计感应加热器运动轨迹：感应加热器应随坯料的形状改变而相应实时调整角度和位置，保证感应加热器始终靠近处于动态旋压变形的坯料；(104)工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热；(105)旋压成形：旋压成形开始前，使感应加热器靠近坯料，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终靠近坯料，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。由于旋轮轨迹决定了坯料形状的变化，因此能够根据旋轮轨迹确定感应加热器移动距离和旋转的角度；具体的，步骤103中感应加热器运动轨迹设计方法包括如下步骤：(201)每一道次旋压开始前，感应加热器的轨迹均为上一道次旋轮轨迹向外平移4-6mm，即感应加热器与坯料距离约为4-6mm，其中，对于第一道次旋轮轨迹，将板材坯料外轮廓作为其上一道次旋轮轨迹；(202)旋压过程中，坯料在旋轮的作用下发生较大的变化，为始终对坯料进行加热，多段感应加热器应随坯料的形状改变而相应调整角度和位置，当旋轮运动距离大于第一个感应加热器长度时，调第一个整感应加热器使其达到本道次旋轮轨迹向外平移4-6mm，即感应加热器与坯料距离为4-6mm；后续的感应加热器相应调整，最终使多个感应加热器都与坯料相距4-6mm。优选的，旋压过程中，在进行多个感应加热器位置和角度调整时，为了避免感应器之间加热效果受到互相干扰，应始终保证多个感应加热器运动时不会发生干涉。旋压结束后，旋轮开始回撤，旋压件口部材料受力逐步减小会发生弹性回弹(直径扩大)，此时坯料与感应加热器会直接接触，旋转的坯料和不旋转的感应加热器摩擦导致损坏；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种板材分段加热旋压成形方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(101)旋轮进给轨迹设计：根据要加工零件结构设计旋轮的进给轨迹，且旋压过程采用多道次旋压成形方式；/n(102)选择感应器数量：根据要加工零件结构选择合适的感应加热器数量，并满足感应加热器的总长不小于零件母线长度，实现坯料的分段加热；/n(103)设计感应加热器运动轨迹：感应加热器应随坯料的形状改变而相应实时调整角度和位置，保证感应加热器始终靠近处于动态旋压变形的坯料；/n(104)工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热；/n(105)旋压成形：旋压成形开始前，使感应加热器靠近坯料，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终靠近坯料，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。/n

【技术特征摘要】
1.一种板材分段加热旋压成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
(101)旋轮进给轨迹设计：根据要加工零件结构设计旋轮的进给轨迹，且旋压过程采用多道次旋压成形方式；
(102)选择感应器数量：根据要加工零件结构选择合适的感应加热器数量，并满足感应加热器的总长不小于零件母线长度，实现坯料的分段加热；
(103)设计感应加热器运动轨迹：感应加热器应随坯料的形状改变而相应实时调整角度和位置，保证感应加热器始终靠近处于动态旋压变形的坯料；
(104)工艺参数设置：将设计的感应加热器轨迹工艺参数，转换为数控系统可执行的代码，并进行调试，最终实现分段感应加热器由数控系统的机械臂带动，能够完成位置移动和角度旋转，实现连续跟随加热；
(105)旋压成形：旋压成形开始前，使感应加热器靠近坯料，启动感应加热系统，使坯料加热到旋压温度后，旋轮开始进给，然后进行多道次旋压成形，每一道次旋压过程中，感应加热器均实时调整加热角度和位置，保证感应加热器始终靠近坯料，旋压结束后，旋轮和感应加热器回撤，将旋压件卸下。


2.根据权利要求1所述的一种板材分段加热旋压成形方法，其特征在于：步骤103中感应加热器运动轨迹设计方法包括如下步骤：
(201)每一道次旋压开始前，感应加热器的轨迹均为上一道次旋轮轨迹向外平移4-6mm，即感应加热器与坯料距离约为4-6mm，其中，对于第一道次旋轮轨迹，将板材坯料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈福龙，刘德贵，李凯迪，李金山，唐斌，樊江昆，陈彪，王毅，寇宏超，王军，赖敏杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61