用于成形细长金属工件的拉伸成形设备

摘要

一种用于成形细长金属工件的拉伸成形设备，包括：模具，具有带有预定横截面轮廓的工作面，轮廓适于接纳和成形工件；隔热罩壳，包括对准且相对的第一和第二工件开口，第一和第二工件开口位于罩壳的相应第一和第二隔开的侧壁中，模具位于第一和第二隔开的侧壁之间，开口构造为使得，当工件在成形中邻近模具的工作面在罩壳内定位时工件的端部延伸穿过开口；第一和第二相对的摆臂；第一和第二相对的钳口，安装在相应的第一和第二相对的摆臂上，每个钳口均构造为夹持工件的相应端部；加热装置，用于将工件电阻加热至工作温度；以及移动装置，用于将模具的工作面和工件相对彼此移动，以便使工件抵靠着模具的工作面成形为预选形式。

说明书

本申请是申请日为2006年11月2日、申请号为200680040245.0（国 际申请号为PCT/US2006/060484）且发明名称为“钛拉伸成形设备和方法” 的原案申请的分案申请。

技术领域及背景技术

本发明涉及形成金属元件，且更具体地说，涉及钛及其合金的热拉伸 成形和潜应变成形。

拉伸成形是在金属元件中形成弯曲形状的众所周知工艺，其通过在模 具上成形工件的同时将工件预拉伸到其降伏点。这种工艺通常用来制作大 型的铝及铝合金元件，且具有较低加工成本和极好可重复性。

在某些元件中，尤其是在用于航天应用的元件中，可用钛或钛合金来 取代铝。这样做的原因包含钛的较高强度重量比、极限强度较高且与复合 材料的冶金兼容性较好。

然而，当在室温下对钛进行拉伸成形时存在困难，因为其降伏点在最 小百分比的延伸值的情况下非常接近其极限抗拉强度。因此，通常从大型 坯材中冲击成形(bump formed)和机械加工钛元件，这种工艺既昂贵又耗时。

因此，需要一种对钛及其合金进行拉伸成形的设备和方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于在高温下对钛进行拉伸成形和/ 或潜应变成形的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于在高温下对钛进行拉伸成形和／ 或潜应变成形的设备。

本发明的另一目的是提供一种在成形工艺期间将工件绝缘的设备。

通过本发明可满足这些和其它目的，本发明根据一个方面提供一种拉 伸成形方法，其包含：提供具有预选非矩形横截面轮廓的细长金属工件； 提供具有与所述横截面轮廓互补工作面的模具，其中至少所述工作面包括 隔热材料；通过使电流穿过工件而将工件电阻加热到工作温度；通过工件 处于工作温度时致使工件和模具相对于彼此移动而抵靠着工作面成形工 件，进而致使工件塑性延伸并弯曲且将工件定形成预选的最终形状。

根据本发明的另一方面，所述工件包括钛。

根据本发明的另一方面，所述横截面轮廓具有小于约20的纵横比。

根据本发明的另一方面，通过以下方法所组成群组中选出的方法来成 形横截面轮廓：挤制、压弯机（press-brake）成形、辊轧成形和机械加工 以及其组合。

根据本发明的另一方面，所述方法包含在成形设备的钳口中接纳工件 的相对末端的步骤。

根据本发明的另一方面，所述方法包含使电流穿过钳口到达工件的步 骤。

根据本发明的另一方面，所述钳口承载在可移动的摆臂上，且成形工 件的步骤包括移动摆臂以围绕工作面卷绕工件。

根据本发明的另一方面，所述方法包含在执行成形的同时控制工作温 度的步骤。

根据本发明的另一方面，所述方法包含通过以下方式进行潜应变成形 工件的步骤：使抵靠着工作面成形的工件在受控温度下维持一选定保压 （dwell）时间。

根据本发明的另一方面，所述方法包含用罩壳包围模具和工件的第一 部分的步骤。

根据本发明的另一方面，所述罩壳包含开口，该开口在成形步骤发生 的同时允许工件的第二部分从罩壳中突出。

根据本发明的另一方面，一种拉伸成形设备包含：模具，其具有预选 非矩形横截面轮廓的工作面，所述工作面适于接纳和成形细长金属工件， 其中至少所述工作面包括隔热材料；加热构件，其用于将工件电阻加热到 工作温度；以及移动构件，其用于使模具和工件相对于彼此移动，致使工 件抵靠着工作面延伸和弯曲。

根据本发明的另一方面，所述模具主要由陶瓷材料组成。

根据本发明的另一方面，所述设备进一步包含用于接纳工件的相应相 对末端的相对钳口。

根据本发明的另一方面，所述加热构件包含：以电气方式连接到钳口 的电流源；以及钳口与工件之间的电气连接。

根据本发明的另一方面，所述钳口承载在可移动的摆臂上，所述摆臂 适于围绕工作面卷绕工件。

根据本发明的另一方面，所述成形设备进一步包含温度控制构件，该 控制构件用于在执行成形的同时控制工作温度。

根据本发明的另一方面，所述成形设备进一步包含用于使抵靠着工作 面所成形的工件在工作温度下维持一选定保压时间的构件。

根据本发明的另一方面，所述成形设备进一步包含罩壳，其中用罩壳 包围模具和工件的第一部分。

根据本发明的另一方面，所述罩壳包含埠构件，用于允许工件的第二 部分从罩壳中突出。

根据本发明的另一方面，一种拉伸成形设备包含：模具，其具有适于 接纳和成形细长金属工件的工作面，其中至少所述工作面包括隔热材料； 加热构件，其用于将工件电阻加热到工作温度；罩壳，其适于在成形操作 期间包围模具和细长工件的第一部分，且进一步适于允许工件的第二部分 从中突出；以及移动构件，用于使模具和工件相对于彼此移动，致使工件 抵靠着工作面延伸和弯曲。

根据本发明的另一方面，所述罩壳包含可在准许将工件放置在罩壳中 的打开位置与关闭位置之间移动的第一门。

根据本发明的另一方面，所述罩壳包括至少一个其中包含开口的侧 壁，用于允许工件的外端部分相对于罩壳移动。

根据本发明的另一方面，所述成形设备进一步包含可移动门，其大致 覆盖所述壁的侧开口，所述门中具有工件开口，其适于允许工件从中穿过， 所述工件开口大致小于所述侧开口。

根据本发明的另一方面，所述罩壳包括盒状结构，其具有顶壁和底壁、 前壁和后壁、相对侧壁以及位于所述壁的一者中的可在打开位置与关闭位 置之间移动的门。

附图说明

通过结合附图参看以下描述将最佳地了解本发明，在附图中：

图1根据本发明构造的示范性拉伸成形设备的透视图；

图2是图l的拉伸成形设备的钳口组合件的顶部截面图；

图3是形成图l所示的设备的一部分的模具罩壳的透视图，其中其门 处于打开位置；

图4是图3所示的模具罩壳的横截面图，其展示其内部构造；

图5是图3的模具罩壳的顶部平面图；

图6是模具罩壳的一部分的分解图，其展示其侧门的构造；

图7是图l所示的拉伸成形设备的透视图，其中加载有准备成形的工件；

图8是拉伸成形设备的另一透视图，其中工件已完全成形；

图9A是说明使用拉伸成形设备的示范性成形方法的方框图；

图9B是图9A的方框图的继续；且

图10是图l所示的工件的端视图。

具体实施方式

参看附图(其中在各个视图中，，相同参考编号始终指代相同元件)，图 l说明具有示范性工件“W”的根据本发明构造的示范性拉伸成形设备l0。 如图10所示，工件W是具有“L”形横截面轮廓的挤制件。

本发明适合与各种类型的工件一起使用，其中包含但不限于辊轧平板 或辊轧形状、棒料、压弯机成形的轮廓、挤制轮廓、机械加工的轮廓等。 本发明特别适用于具有非矩形横截面轮廓的工件且适用于横截面轮廓的 纵横比约20或更小的工件。如图l0所示，纵横比是包围横截面轮廓的外 部范围的矩形盒“B”的长度“Ll”与“L2”的比率。

设备l0包含大致刚性的主要框架12，其界定模具安装表面l4且支撑 设备10的主要操作元件。第一和第二相对摆臂16A和16B枢转安装到主 要框架12，且分别耦合到液压成形缸l8A和18B。摆臂16A和168承载 液压张力缸20A和20B，所述液压张力缸20A和20B上又安装有可液压 操作的钳口组合件22A和22B。张力缸20可在固定定向上附接到摆臂l6， 或者其可围绕垂直轴而相对摆臂l6枢转。模具罩壳24(下文中更详细描述) 安装到位于钳口组合件22A与22B之间的模具安装表面14。

提供适当的泵、阀和控制元件(未图标)以用于向成形缸18、张力缸20 和钳口组合件22供应加压的液压流体。或者，可用其它类型的致动器（例 如电或电磁装置）来取代上述液压元件。设备l0的控制和排序可以是手动 的或自动的，例如通过PLC或PC型计算机。

本发明的原理同样适合于与所有类型的拉伸成形器一起使用，在所述 成形器中，工件和模具相对于彼此移动从而形成成形动作。已知类型的此 类成形器可以具有固定或移动的模具，且可具有水平或垂直定向。

图2说明钳口组合件22A的构造，其代表另一钳口组合件22B。钳口 组合件22A包含间隔开的钳口26，其适于夹持工件W的末端且安装在楔 形夹头28之间，所述夹头本身设置在环形框架30内部。液压缸32经排 列以在钳口26和夹头28上施加轴向力，从而致使夹头28抵靠着工件W 而紧紧钳制钳口26。钳口组合件22A或其大部分与工件W电气绝缘。这 可通过向钳口26、夹头28或两者涂敷绝缘层或涂层来实现，所述涂层例 如是氧化物型涂层。如果在整个钳口26（包括其面36）上方涂敷涂层34， 那么钳口组合件22A将完全绝缘。如果需要通过钳口26施加加热电流， 那么可使其面36保持裸露，且向其提供适当的电气连接。或者，可用下 文对于模具58而描述的绝缘材料（例如陶瓷材料）来构造钳口26或夹头 28。可使用绝缘扣件59来安装钳口26和夹头28，以避免通往钳口组合件 22A其余部分的任何电或热泄漏路径。

现在参看图3到图5，模具罩壳24是盒状结构，其具有顶壁38和底 壁40、后壁42、侧壁44A和44B以及前门46，所述前门46可从图2所 示的打开位置摆动到关闭位置。当然，具体形状和尺寸将依据待成形的工 件的大小和比例而改变。模具罩壳24是用例如钢等材料制造的，且大体 上构造成使空气泄漏和来自工件W的热辐射减到最小。如果需要的话， 模具罩壳24可以是隔热的。

模具58设置在模具罩壳24内部。模具58是具有工作面60的相对大 型的主体，所述工作面60可塑形成在围绕模具58而弯曲工件W时向所 述工件赋予选定曲线或轮廓。工作面60的横截面大体上符合工件W的横 截面形状，且可包含凹口62以容纳工件W的突出部分，例如凸缘或轨道。 如果需要的话，可加热模具58或其一部分。举例来说，可用钢层或适于 电阻加热的另一导热材料来制作模具58的工作面62。

图6更详细地说明所述侧壁中的一者44A，其代表另一侧壁44B。侧 壁44A包括固定面板48A，其界定相对较大的侧开口50A。侧门52A例 如用“Z”形托架54A安装到固定面板48A，使得其可在成形工艺期间与 工件W一起前后滑动，同时保持与固定面板48A的紧密接触。侧门52A 中形成有工件开口56A，其大致小于侧开口50A，且理想地仅足够大以允 许工件W从中穿过。在不会影响模具罩壳24的基本工作方式下，可用其 它能够允许工件末端移动且同时最小化工件暴露的结构来取代侧壁44。

在拉伸成形操作期间，将把工件W加热到约538℃（(1000℉）或更 高的温度。因此，模具58由隔热的材料或材料组合构成。这些材料的关 键特征在于，其抵抗通过接触工件W造成的加热，而在高温下保持尺寸 稳定，且将来自工件W的热传递减到最小。还优选的是，模具58是电气 绝缘体，使得来自工件W的电阻加热电流将不会流动到模具58中。在所 说明的实例中，模具58由多片陶瓷材料(例如熔融硅石)构成。模具58也 可由其它难熔材料制造或由非绝缘材料制造，所述非绝缘材料接着由绝缘 层涂布或包裹。

因为工件W与拉伸成形设备10电气绝缘，所以可使用电阻加热来加 热工件W。可将来自电流源的连接器64（见图7）放置在工件W的每个 末端上。或者，如上述，加热电流连接可直接通过钳口26。通过使用热电 耦或其它温度传感装置（未图标）而可使用温度反馈信号对电流源进行 PLC控制。这将允许以适当升降温速度（ramp rate）实现快速而均匀的加 热，同时允许一旦工件W达到目标温度便阻滞电流。可提供已知类型的 PID控制环路，以便允许当工件温度在成形循环期间变化时进行自动调整。 此控制可在成形循环期间致动且程序化。

参看图7和图8以及图9A和图9B中包含的方框图来描述使用拉伸 成形设备l0的示范性成形工艺。首先，在方框68处，将工件W载入到模 具罩壳24中，使其末端从工件开口56中突出，且关闭前门46。侧门52 处于其最前位置中。图7中展示此条件。如上所述，所述工艺特别适用于 由钛或钛合金制成的工件W。然而，其也可与需要热成形的其它材料一起 使用。某些工件轮廓需要使用弹性背衬片或“牵引线（snakes）”以防工件 横截面在成形循环期间变形。在此应用中，所使用的牵引线将在实用的情 况下由高温弹性绝缘材料制成。如果需要的话，所述牵引线可由高温加热 材料来制作，以免工件W损耗热量。

可连接在这个步骤期间连接到用于控制系统的热耦或额外反馈装置 的任何连接装置。在方框70处，一旦位于模具罩壳24内部，便可将工件 W的末端定位在钳口26中且闭合钳口26。如果使用单独的电加热连接装 置64，则该电加热连接装置是使用实现良好接触所需的导热导电膏而附接 到工件W。

在方框72和74处所说明的环路中，电流穿过工件W，从而致使其电 阻加热。对工件W的死循环控制加热，可通过利用来自热耦或其它温度 传感器的反馈来持续进行，直到达到所需的工作温度设定点为止。考虑到 工件横截面和长度以及热耦反馈来确定将工件加热到设定点的速率。

一旦已经达到工作温度，便可开始工件成形。持续进行对工件W的 死循环加热，直到达到设定点为止。

在方框76和78处所示的环路中，张力缸20将工件W纵向拉伸到所 需点，且主缸18使摆臂16向内枢转，以便抵靠着模具58卷绕工件W， 同时按照需要控制工作温度。侧门52向后滑动，以适应工件末端的运动。 图8中说明此条件。在成形工艺期间，可经由对控制系统的反馈来控制拉 伸速率、各个位置处的保压时间以及温度变化。一旦来自摆臂16的位置 反馈指示工件W已经到达其最终位置，所述控制装置便维持位置和／或 张力，直到准备释放工件W为止。所述控制装置将继续加热工件W和围 绕模具成形工件W，直到达到设定点为止。可通过抵靠着模具58而使工 件W维持一选定保压时间且同时按照需要控制温度来引发潜应变成形。

在方框80和82中所示的环路中，通过经由电流源添加补充热量而允 许工件W以比自然冷却慢的速率冷却。可程序化此温度降低速率，且将 允许工件W冷却并同时经由温度反馈对其进行监视。

一旦温度已经达到其最终设定点，便释放工件W上的作用力且停止 来自电流源的电流。所述控制装置将维持足以继续以指定速率冷却工件W 的死循环加热，直到达到最终设定点为止。

在从工件W移除作用力后，可打开钳口26且移除电夹钳（方框84）。

在打开钳口26并移除电连接器64之后，可打开模具罩壳24并移除 工件W。接着，工件W准备好进行额外处理步骤，例如机械加工、热处 理和类似处理。

上述工艺可实现拉伸成形和潜应变成形的益处，其中包含藉由钛元件 实现的廉价加工和良好可重复性。这与其它形成钛部件的方法相比将显著 减少所涉及的时间和费用。此外，工件与外部环境的隔绝有助于均匀加热 且将到环境的热量损耗减到最小，进而降低总体能量要求。此外，使用模 具罩壳24可增强通过在循环期间保护工人以免接触到工件W的安全性。

上文描述了一种用于对钛进行拉伸成形的设备和方法。可在不偏离本 发明范围的情况下对本发明的各种细节进行改变。此外，提供以上对本发 明优选实施例的描述和用于实践本发明的最佳模式只是出于说明目的而 不是出于限制目的。