热成形长形金属棒材的方法和设备技术

热拉伸卷绕成形设备，包括模具和一组间隔开的夹头，上述模具具有由热和／或电绝缘材料形成的工作表面，而上述一组间隔开的夹头用于围绕工作表面拉伸卷绕金属型材。优选的绝缘材料是编织的陶瓷材料表面层。利用加热源来在拉伸卷绕之前加热金属型材。金属型材优选采用电阻式加热，以保持整个金属型材的均匀温度。模具通常主要是用金属形成，并因此绝缘材料将金属型材与模具的金属热隔离开以便防止在它们之间产生过热点。另外绝缘材料还将金属型材与模具的金属电绝缘开以便防止它们之间分流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及金属部件、尤其是长形金属棒材的热拉伸巻绕成形(hot stretch-wrap forming )。更具体地说，本专利技术涉及通常难以拉伸 巻绕成形的钛、钛合金及类似金属的热拉伸巻绕成形。尤其是，本发 明涉及利用具有热绝缘和电绝缘工作表面的模具来对金属型材(metal form )进行热拉伸巻绕成形。2.
技术介绍
本专利技术涉及在高温下成形的长形金属部件的热拉伸巻绕成形，所 述金属部件尤其是通过挤压、锻造、轧制、机加工或这些方法的组合 而制造的由钛合金制成的部件。钛合金由于它们极好的机械和耐腐蚀 性能并且重量较轻而作为航空航天材料广泛使用。然而，众所周知， 钛合金一般难以成形，且需要加热到很高温度以便合适地成形这些部 件。钬合金供在航空器的成型结构件(contoured structural members) 中使用十分理想，但由于缺少合适和经济上可行的用以成形这些成型 结构件的方法，这些结构件的成形很受限制。随着对重量轻而强度高 的结构部件如先进飞机中的翼弦(chords)的需要的增加，对这些部件的需求增加。目前可用于成形长形钛部件的一种方法通称为"沖击成形法 (bump forming )"。这种方法包括将长形部件放在炉子中加热到预定 温度，在达到预定温度时将部件从炉子中取出并放在压型机的成形机 组上。压型机施加弯曲力以造成部件的局部变形。在成形期间部件的 温度快速下降，因而成形的阻力显著增加。因此，沖击成形法要求重 复的加热周期，以便完成成形过程，这样耗费时间和资金。此外，由 冲击成形所产生的弯曲力矩引起在中性轴线之上的这段部件产生拉伸5应力并且在自然轴线之下产生压缩应力，上述拉伸应力和压缩应力分 别导致在部件中产生裂紋和折皱。在部件内的相当大的应力梯度使得 难以控制所成形的部件的几何形状。此外，由部件的复合应力状态所 引起的局部变形促进了其中大量残余应力的生成，而这要求用价格高 的夹具进行离线应力消除处理。冲击成形法还受到缺乏能够不依靠试 错法而得到所希望的外形的导向工具这一缺点的制约。它还难以保持 例如沿着凸缘及类似物之间的角度的横断面的结构整体性。已经提出后热定径(post hot sizing )来改善成形部件的尺寸整体性。最后，沖 击成形法不适合于计算机模拟。尽管热拉伸巻绕成形的总体构想业已问世一段时间，但已知的现 有技术方法不适合于经济地成形用难以成形的钛合金或其它材料制成 的部件。授予Maloney的美国专利2，952，767公开了 一种用于拉伸巻 绕成形长形棒材的设备，所述长形棒材通过电阻加热进行加热，并围 绕金属模具巻绕，上述金属模具通过模具组件内的常规加热元件进行 加热。用这种配置的主要问题是当加热的模具和金属部件相互接触时， 在它们之间产生电分流效应(electrical shunting effect),该效应导致 部件的局部过热和缩颈。授予Morries等人的美国专利4,011,429注意到上述分流效应，并设法通过并联地电连接模具和金属部件，用电阻加热模具和长形的金 属部件二者并用相同电压加热它们来克服这个问题。遗憾的是，这种配置不实用，因为模具和部件的并联加热要求复杂而价格过高的模具 配置。此外，这种方法要求将部件预热到一定温度，该温度显著低于 部件的成形温度，而同时将模具加热到成形温度，因此，只有部件在 与模具接触时的接触部分能升高到成形温度，这样导致在部件的接触 部分和不接触部分之间产生不均匀的屈服强度。由于变形过程不均匀， 所以要保持所成形的部件的结构整体性并减少残留应力的生成是极其 困难的。本专利技术解决这些和另一些问题，如通过下述说明而将显现的那样。 专利技术概述本专利技术提供一种设备，包括模具，所述模具具有一工作表面， 该工作表面由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成；其中工 作表面适于在金属型材的热拉伸巻绕成形期间围绕该工作表面巻绕金 属型材； 一组第一和第二间隔开的夹头，所述夹头适于夹紧金属型材； 其中各夹头可移动而彼此离开，从而夹头适于向金属型材施加拉伸力； 并且其中夹头组和模具中的至少一个可相对于夹头组和模具中的另一 个在巻绕前形态和巻绕后形态之间移动，因而夹头组和模具之间的相 对运动适于围绕模具的工作表面巻绕金属型材。本专利技术还提供一种方法，包括以下步骤加热金属型材；向金属 型材施加拉伸力；和围绕工作表面巻绕金属型材，上述工作表面用热 绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一 形成。 附图简介附图说明图1是本专利技术的热拉伸巻绕成形设备的示意顶部平面图，其中示 出在围绕模具巻绕之前模腔内的热绝缘和电绝缘材料及金属棒材。图2是沿着图1的线2-2所取的剖视图，其中示出模腔内两层绝 缘材料。图3是类似于图2的剖视图，其中示出金属棒材插入具有将模具和金属棒材分开的绝缘材料的模腔内。图4类似于图1,其中示出夹头已从图1的开始位置移动到图4的完成位置以便围绕模具的工作表面巻绕长形的棒材。 图5是本专利技术的夹头的其中之一的示意侧视图。 图6类似于图3，其中示出单层绝缘层而不是双层绝缘层。 图7类似于图6，其中示出具有不同的配置的金属型材(metalform)和模腔。在各附图中，同样的标号指代同样的部件。专利技术详细说明本专利技术的热拉伸巻绕成形设备在图1中总体地用标号10表示。设 备10包括模具12和一对间隔开的夹头14，所述夹头14设置用于夹 紧一金属型材，示出的所述金属型材为长形的金属棒材16,上述夹头14邻近才奉材16的相应端部夹紧，以-使当加热时拉伸所述金属棒材16 并围绕模具12巻绕棒材16。设备10对用钛合金制成的棒材的热拉伸 巻绕成形尤其有用。夹头14附接到相应的摆臂上，所述摆臂未示出， 但在该
中是公知的。每个夹头14都通过导线或电线20与电 源18连通，以便形成以电阻方式加热金属棒材16的电路。设备10 的示例性实施例示出模具12通过电线22与电源18电连通，以便形成 电路，如果需要的话，模具12可以通过该电路以电阻方式被加热。此 外，可以任选地将多个加热元件24插入模具12中，用于将所述模具 加热。模具12包括主体，所述主体具有模具表面或模腔边界表面26， 所述模腔边界表面26限定T形模腔28 (图2 )。表面26和模腔28具 有拱形构造，所述拱形构造从模具12的第一端30延伸到模具12的第 二端32。第一或内绝缘层34和第二或外绝缘层36用作模具表面覆盖层， 所述模具表面覆盖层在热拉伸巻绕成形过程期间可设置在模具表面 26和金属棒材16之间。示出的第一和第二层34和36设置在模腔28 内，同时第一层34以基本上连续的方式从模具12的第一端30到第二 端32贴着模具12的表面26。第二层36同样以基本上连续的方式从 第一端30到第二端32贴着第一层34。第一和第二层34和36顺应才莫 具12的表面26,并因此形成一 T形构造。第二层36限定一工作表面 38，所述工作表面38在巻绕过程期间贴着金属棒材16。如图2所示，金属棒材16具有一 T形横断面，所述T形横断面 具有与T形模腔28和工作表面38匹配的构造。工作表面38限定一 T 形工作空间40,棒材16在拉伸巻绕过程期间设置在上述工作空间40 中。更具体地说，第一和第二层34和36之中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：　模具，所述模具具有一工作表面，该工作表面由热绝缘材料和电绝缘材料的至少其中之一形成；其中工作表面适于在金属型材的热拉伸卷绕成形期间围绕该工作表面卷绕金属型材；　一组第一和第二间隔开的夹头，所述夹头适于夹紧金属型 材；　其中各夹头可移动而彼此离开，从而夹头适于向金属型材施加拉伸力；并且　其中夹头组和模具中的至少一个可相对于夹头组和模具中的另一个在卷绕前形态和卷绕后形态之间移动，因而夹头组和模具之间的相对运动适于围绕模具的工作表面卷绕金属型 材。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：皆川邦典，AR凯斯卡，A巴伯，
申请(专利权)人：RTI国际金属公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]