金属棒的蠕变成形以及应力消除制造技术

热蠕变拉伸卷绕成形方法包括将金属棒（１６）加热到处于适合其蠕变的温度范围内的成形温度，以不大于０．０５英寸／英寸／秒的应变率给金属棒施加拉伸力，以及使金属棒卷绕模具（１２），所述模具优选地具有热绝缘和／或电气绝缘工作表面（３４，３６）。拉伸力典型地施加至０．５％到１５．０％的应变。金属棒（１６）最优选地为钛合金，所述钛合金的成形温度为其熔化温度的０．４５到０．６０。卷绕金属棒固定在适当位置，其温度保持在所述温度范围内典型地持续５到１２０分钟以便应力消除。优选地，金属棒（１６）在整个过程中大体上保持在成形温度。围绕模具和金属棒的热绝缘层（６２）减少了来自金属棒的热损失。

【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，更特别地是细长金属棒的热蠕变拉伸成形。更特别地，本专利技术涉及对通常难以拉伸卷绕成形的钛、钛合金和类似金属进行热拉伸卷绕成形。特别地，本专利技术涉及利用具有热绝缘、电气绝缘工作表面的模具对金属部件进行热拉伸卷绕成形。
技术介绍
本专利技术涉及对在高温下形成的细长金属部件，尤其是通过挤压成形、锻压、辊压、机加工或其组合制造的钛合金制部件进行的热拉伸卷绕成形。钛合金由于其与相对轻质相结合的优异的机械和耐腐蚀性能而广泛用作航天材料。然而，众所周知的是，钛合金通常难以成形，并且需要加热到充分高的温度以便适当地形成这类部件。钛合金非常适合于在飞机的成型结构件中使用，但是这种结构件由于缺少形成这种成型构件的适用和经济可行的方法而受到极大限制。对这种部件的需要随着人们对例如高级飞机中的翼弦的轻质、高强度结构部件的希望而增加。一种用于形成细长钛部件的现有方法称作＂冲击成形＂。这种方法包括在熔炉中将细长部件加热到预定温度，此时，将部件从熔炉中取出并放置在成形压力机的成形模上。压力机施加使部件产生局部变形的弯曲力。部件温度在成形过程中迅速降低，因此，成形阻力显著增大。因此，冲击成形需要反复加热循环以完成成形过程，这耗时并且昂贵。另外，由冲击成形引起的弯曲力矩使部件截面内的张应力位于中性轴以上，压应力位于中性轴以下，这在部件中分别产生裂缝和褶皱。部件内的相当大的应力梯度则使控制成形部件的几何结构变得很难。另外，由部件的复杂应力状况引起的局部变形加速内部显著残余-->应力的形成，需要利用昂贵夹具进行离线消除应力处理。冲击成形的缺陷在于缺少导向工具以不靠反复试验及误差法实现所需轮廓。同样难以保持例如沿着凸缘之间角度等的横截面的结构完整性。人们建议使用后热模精压(Post hot sizing)来提高成形部件的尺寸完整性。最后，冲击成形不能由计算机模拟进行检验。尽管热拉伸卷绕成形的一般概念已经为人们已知了一段时间，但现有技术的方法不适合经济地形成由钛合金或难以成形的其它材料制成的部件。授权给Maloney的美国专利2,952,767公开了一种用于使细长棒拉伸卷绕成形的设备，所述细长棒通过电阻加热的方式加热并且卷绕由位于模具组件内的传统加热元件加热的金属模具。这种构造的主要问题是受热模具和金属部件在其彼此接触时发生于它们之间的电气短路效应，这造成部件局部过热和颈缩。授权给Morris等的美国专利4,011,429注意到上述短路效应并且通过以并联方式电气连接模具和金属部件和使用相同电压对它们进行加热来通过电阻对模具和细长金属部件两者加热以解决上述问题。令人遗憾的是，这种构造不实用，因为并联加热模具和部件需要模具的复杂且受限制的昂贵构造。另外，这种方法需要将部件预先加热到远低于其成形温度的温度，而模具加热到成形温度，使得只有部件的接触部分在与模具接触时达到成形温度，这导致部件的接触部分和非接触部分之间不均匀的屈服强度。因为变形过程不均匀，所以极难保持成形部件的结构完整性以及将残余应力的形成减到最少。本专利技术解决了这些和其它问题，如通过后续描述变得显而易见的那样。
技术实现思路
本专利技术提供了一种方法，包括将细长金属棒加热到处于适合金属棒蠕变的温度范围内的成形温度；以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率给受热金属棒施加拉伸力；和使受热金属棒卷绕模具以形成卷绕金属棒。-->附图说明图1是本专利技术的热蠕变拉伸成形设备的示意性顶部平面图，显示了位于模腔内的热绝缘和电气绝缘材料以及卷绕所述模具之前的金属棒。图2是沿图1所示直线2-2剖开的剖视图，显示了模腔内的双层绝缘材料。图3是与图2类似的剖视图，显示了插入模腔中的金属棒，并且绝缘材料使金属模具与金属棒隔开。图4与图1类似，显示了从图1所示起始位置移动到图4所示完成位置以使细长棒卷绕模具工作表面的夹爪。图5是与图3类似的视图，显示了处于打开位置的盖门和从模腔取出的拉伸卷绕成形金属棒。图6是用于工业纯钛的示意性应力/温度图，其中，左边的数字表示标准化切应力，右边的数字表示20℃时的切应力，顶部数字表示以℃表示的温度，底部数字表示同系温度。图7是示意图，显示了塑性变形区域，均匀变形区域和扩散变形区域。图8是现有技术的金属棒的示意平面图，显示了由在热拉伸卷绕成形期间产生的应力引起的皱纹和裂纹。图9与图8类似，显示了通过本专利技术的热拉伸卷绕方法形成的金属棒，显示出金属棒不会出现图8所示现有技术的金属棒的皱纹和裂纹。图10是具有L形构造的金属棒的剖视图。类似的数字在所有附图中表示类似的部件。具体实施方式在图1中通常以10表示本专利技术的热拉伸卷绕成形设备。设备10包括模具12和一对隔开的夹爪14，所述夹爪构造为夹紧显示为与其-->相应端部邻近的细长金属棒16的金属部件，以便使金属棒16在其被加热时拉伸并且使其卷绕模具12。设备10尤其对钛合金制棒材的热蠕变拉伸成形有用。夹爪14连接到相应的摆臂上，所述摆臂没有显示，但是在本领域众所周知。每个夹爪14通过导线或金属丝20与电源18连通以形成用于电阻加热金属棒16的电路。通过金属丝22与电源18电气连接的多个加热元件24可以插入模具12中以对其加热。模具12具有模腔分界面26，其限定了T形模腔28(图2)。表面26和腔室28具有弧形构造，其从模具12的第一端部30伸向模具12的第二端部32。绝缘的第一层或内层34和绝缘的第二层或外层36布置在腔室28内，其中，第一层34以从模具12的第一端部30到第二端部32的大体上连续方式与模具12的表面26邻接。第二层36同样以从第一端部30到第二端部32的大体上连续方式与第一层34邻接。层34和36与表面26相符，因此具有通常T形构造。第二层36限定了工作表面38，其在卷绕过程中与金属棒16抵接。如图2所示，金属棒16具有T形横截面，其具有与T形腔28和工作表面38相配合的构造。工作表面38限定了T形工作空间40，棒16在拉伸卷绕过程中布置在所述工作空间内。更特别地，第一层和第二层34、36中的每一个最优选地由热绝缘和电气绝缘材料制成。可选地，如果希望的话，层34和36之一可以由热绝缘材料制成，另一个由电气绝缘材料制成。尽管人们希望在模具12和棒16之间提供热绝缘和电气绝缘，但是可以想到的是，可以根据环境只使用热绝缘层或电气绝缘层。在示例性实施例中，层34和36由柔性耐火材料制成。这允许层34和36容易地与模腔的形状相符。另外，使用这种柔性层允许在卷绕过程之前在使所述层定位方面的多样性。例如，在将金属棒插入模腔中之前，所述层可以布置在模腔(如图显示)内部，卷绕金属棒的一部分或全部，或者仅悬置在模腔和金属棒之间，使得金属棒插入模腔可以将绝缘材料压制成希望的形状。层34和36典型地为耐火陶瓷毡。这样一种适当的陶瓷毡的名称为Kaowool。这种陶瓷毡典型地提-->供如上所述的热绝缘和电绝缘性质，并且由编织陶瓷纤维制成。当这些柔性毡在性质降低到一定程度使它们不再适用于本专利技术的目的时，它们还可以容易地从模腔或金属棒上去除。尽管这种陶瓷毡是一种适当的绝缘材料，但是可以使用其它适当的材料和/或涂层，它们提供本专利技术所需的热绝缘和/或电气绝缘性质并且能够抵抗卷绕过程中施加的热量和压力。设备10还包括绝热盖62，其通常在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括步骤：　将细长金属棒加热到处于适合金属棒蠕变的温度范围内的成形温度；　给受热金属棒施加拉伸力；　使受热金属棒卷绕模具以形成卷绕金属棒；和　将所述卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述 温度范围内至少５分钟。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-6-15 11/455,0521.一种方法，包括步骤：将细长金属棒加热到处于适合金属棒蠕变的温度范围内的成形温度；给受热金属棒施加拉伸力；使受热金属棒卷绕模具以形成卷绕金属棒；和将所述卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少5分钟。2.如权利要求1所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少10分钟。3.如权利要求2所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少20分钟。4.如权利要求3所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少40分钟。5.如权利要求4所述的方法，其中，固定步骤包括将卷绕金属棒固定在卷绕位置，同时将卷绕金属棒的温度保持在所述温度范围内至少60分钟。6.如权利要求1所述的方法，其中，固定步骤包括使热绝缘体邻近卷绕金属棒定位以减少由此产生的热损失的步骤。7.如权利要求6所述的方法，其中，卷绕步骤包括使受热金属棒围绕所述模具的模具面和布置在所述模具面和受热金属棒之间的热绝缘材料层卷绕的步骤。8.如权利要求6所述的方法，其中，所述卷绕步骤包括使受热金属棒围绕延伸于模具的相对侧面之间的所述模具的模具面卷绕的步骤；并且还包括使第一和第二热绝缘层分别邻近所述模具的每个相对侧面定位的步骤。9.如权利要求1所述的方法，其中，施加步骤包括以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率将拉伸力施加给受热金属棒的步骤。10.如权利要求9所述的方法，其中，施加步骤包括以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率给受热金属棒施加拉伸力到0...

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