钛合金型材电热拉弯过程的控制方法及拉弯成形装置

摘要

本发明公开了一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法及拉弯成形装置，控制包括：装夹钛合金型材并将铜板固定在钛合金型材的悬空段；加热钛合金型材；当加热钛合金型材到第一设定温度时，预拉伸并弯曲成形钛合金型材；当钛合金型材的弯曲成形结束时，增大加热电流，其中，钛合金型材的悬空段的温度低于钛合金型材的弯曲段的温度；当加热钛合金型材的弯曲段到第二设定温度时，补拉伸变形钛合金型材。该钛合金型材电热拉弯过程的控制方法目的是解决传统钛合金型材加热拉弯工艺效率低、成本高的问题。

权利要求

1.一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：装夹钛合金型材并固定铜板在所述钛合金型材的悬空段；

加热所述钛合金型材；

当加热所述钛合金型材到第一设定温度时，预拉伸并弯曲成形所述钛合金型材；

当所述钛合金型材的弯曲成形结束时，增大加热电流，其中，所述钛合金型材的悬空段的温度低于所述钛合金型材的弯曲段的温度；

当加热所述钛合金型材的弯曲段到第二设定温度时，补拉伸变形所述钛合金型材。

2.根据权利要求1所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述装夹所述钛合金型材并将铜板固定在所述钛合金型材的悬空段之前，还包括：根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度，所述钛合金型材的悬空段的长度与所述铜板的长度相同。

3.根据权利要求2所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度，具体包括如下步骤：根据拉弯模具的轨迹控制模式，确定弯曲成形轨迹；

依据所述弯曲成形轨迹确定所述钛合金型材的悬空段的长度。

4.根据权利要求3所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度之前，还包括：根据所述钛合金型材的尺寸确定所述拉弯模具并确定所述钛合金型材的长度。

5.根据权利要求2所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度之后，还包括：确定所述钛合金型材、所述铜板的电阻。

6.根据权利要求5所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述确定所述钛合金型材、所述铜板的电阻，具体为：根据所述钛合金型材的长度、截面尺寸确定所述钛合金型材的电阻，以及，依据理论分析和模拟分析的方法确定所述铜板的电阻。

7.根据权利要求1所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，设置导电介质于所述铜板与所述钛合金型材的悬空段的接触处。

8.根据权利要求1所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述补拉伸变形所述钛合金型材之后，还包括：断电后冷却所述钛合金型材。

9.根据权利要求1所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，其特征在于，所述钛合金型材为L型、U型、Z型或T型的钛合金型材。

10.一种应用于如权利要求1‑9中任一项所述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法的拉弯成形装置，其特征在于，包括拉弯模具、铜板和电加热系统，所述拉弯模具在与钛合金型材接触的面上设有绝缘层，所述铜板与所述钛合金型材的悬空段并联设置，所述电加热系统的正负极分别与所述钛合金型材的两端电连接。

说明书

钛合金型材电热拉弯过程的控制方法及拉弯成形装置

技术领域

[0001] 本发明属于金属成形技术领域，具体涉及一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法及拉弯成形装置。

背景技术

[0002] 碳纤维增强复材机身结构在先进民用和军用飞机上的应用逐渐增多，钛合金材料由于具有与复合材料的电势相容性和耐冲击性，在先进飞机中应用越来越多。钛合金的锻
造、机械加工和热处理质量控制困难及成本高昂，钛合金弯曲型材成为复材机身承力构件
的主要结构，被用于机身承力框梁长桁、中央翼盒、主起落架齿轮机构支架、以及舱门框等，
因而钛合金型材弯曲件的成形质量直接关系到飞机的装配精度和使用寿命，成为影响飞机
研制及保证飞机整体服役性能的技术关键，也是影响飞机制造周期、成本和效益的主要因
素之一。钛合金型材电热拉弯成形技术作为成形钛合金型材弯曲件的有效手段，成形过程
中型材的温度分布状态是影响钛合金型材拉弯零件最终外形尺寸精度和残余应力的重要
因素，因此，研究高效经济的钛合金型材电热拉弯过程的控制技术具有重要意义。

[0003] 现有控制电热拉弯过程中钛合金型材温度均匀性的技术有以下几种：

[0004] （1）与型材并联的电热带加热模具的方法

[0005] 这种方法是利用与型材并联的电热带加热模具，型材电热拉弯成形装置，由拉弯机、拉弯模具和温度感应器组成，首先，将拉弯模具加工成中空状，在其中放入与型材并联
的电热带，然后将温度感应器连接到与型材接触的拉弯模具型面的内表面进行温度测量，
在拉弯过程中，对型材和加热带同时通电，将拉弯模具与型材接触表面加热到预设温度，再
进行拉弯。采用与型材并联的电热带加热模具，采用并联的形式同时实现将型材和模具加
热到预设温度较难实现，且该拉弯模具中的中空状结构复杂，模具制备工艺难度高，加热后
的中空状拉弯模具在拉弯成形过程可靠性不足。

[0006] （2）带有加热装置的保温箱加热模具的方法

[0007] 这种方法是采用型材自阻加热和加热箱相结合的混合式型材电热拉弯方法。在拉弯模具中加入加热棒对模具进行加热，模具和型材被包在安装于拉弯机工作台上的加热箱
中，在加热箱壁板上安装了加热电阻丝，辅助加热钛合金型材和拉弯模具，提高零件的加热
效率和温度均匀性的。其具体过程是：型材通过侧开口置于加热箱内，两端放置于夹钳钳口
内夹紧，调整夹钳位置使型材与拉弯模具顶点相切后，关闭加热箱前门，启动自阻加热系统
和加热箱电源，对型材进行加热。采用温度传感器实时测量型材的温度，并根据温度反馈信
号，采用PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)进行闭环PID
（Proportional Integral Derivative比例积分微分）闭环控制，当型材的温度达到成形温
度后，进行拉弯成形，该成形装置具有温度易于控制的特点，已被应用于钛合金的拉伸蠕变
成形。采用带保温箱的形式加热拉弯模具，是用加热棒对拉弯模具整体进行加热，升温时间
较长，效率低，能耗高。此外，当弯曲零件的尺寸变化时，模具和保温箱都需要重新加工，成
本过高。

[0008] 有鉴于此，本领域技术人员亟待提供一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法及拉弯成形装置用于解决传统钛合金型材加热拉弯工艺效率低、成本高的问题。

发明内容

[0009] （一）要解决的技术问题

[0010] 本发明要解决的技术问题是传统钛合金型材加热拉弯工艺效率低、成本高。

[0011] （二）技术方案

[0012] 本发明的第一方面提供了一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，包括以下步骤：

[0013] 装夹钛合金型材并将铜板固定在所述钛合金型材的悬空段；

[0014] 加热所述钛合金型材；

[0015] 当加热所述钛合金型材到第一设定温度时，预拉伸并弯曲成形所述钛合金型材；

[0016] 当所述钛合金型材的弯曲成形结束时，增大加热电流，其中，所述钛合金型材的悬空段的温度低于所述钛合金型材的弯曲段的温度；

[0017] 当加热所述钛合金型材的弯曲段到第二设定温度时，补拉伸变形所述钛合金型材。

[0018] 可选的，所述装夹所述钛合金型材并将铜板固定在所述钛合金型材的悬空段之前，还包括：

[0019] 根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度，所述钛合金型材的悬空段的长度与所述铜板的长度相同。

[0020] 可选的，所述根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度，具体包括如下步骤：

[0021] 根据拉弯模具的轨迹控制模式，确定弯曲成形轨迹；

[0022] 依据所述弯曲成形轨迹确定所述钛合金型材的悬空段的长度。

[0023] 可选的，所述根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度之前，还包括：

[0024] 根据所述钛合金型材的尺寸确定所述拉弯模具并确定所述钛合金型材的长度。

[0025] 可选的，所述根据电热拉弯轨迹控制模式确定所述钛合金型材的悬空段的长度之后，还包括：

[0026] 确定所述钛合金型材、所述铜板的电阻。

[0027] 可选的，所述确定所述钛合金型材、所述铜板的电阻，具体为：

[0028] 根据所述钛合金型材的长度、截面尺寸确定所述钛合金型材的电阻，以及，依据理论分析和模拟分析的方法确定所述铜板的电阻。

[0029] 可选的，设置导电介质于所述铜板与所述钛合金型材的悬空段的接触处。

[0030] 可选的，所述补拉伸变形所述钛合金型材之后，还包括：

[0031] 断电后冷却所述钛合金型材。

[0032] 可选的，所述钛合金型材为L型、U型、Z型或T型的钛合金型材。

[0033] 本发明的第二方面提供了一种应用上述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法的拉弯成形装置，包括拉弯模具、铜板和电加热系统，所述拉弯模具在与钛合金型材接触的
面上设有绝缘层，所述铜板与所述钛合金型材的悬空段并联设置，所述电加热系统的正负
极分别与所述钛合金型材的两端电连接。

[0034] （三）有益效果

[0035] 本发明的上述技术方案具有如下优点：

[0036] 本发明提供的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，通过装夹钛合金型材并将铜板固定在钛合金型材的悬空段；以设定电压、设定电流加热钛合金型材；当加热钛合金型材
到第一设定温度时，预拉伸并弯曲成形钛合金型材；当钛合金型材的弯曲成形结束时，增大
加热电流，其中，钛合金型材的悬空段的温度低于钛合金型材的弯曲段的温度；当加热钛合
金型材的弯曲段到第二设定温度时，补拉伸变形钛合金型材。该钛合金型材电热拉弯过程
的控制方法基于简单的工装结构即可显著提高电热拉弯成形过程中钛合金型材的温度均
匀性的，电热拉弯成形周期短，提高了生产效率，大幅降低了成本。

附图说明

[0037] 图1为本发明实施例提供的一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法的流程示意图；

[0038] 图2为本发明实施例提供的一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法中的控制原理图；

[0039] 图3为本发明实施例提供的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法中的弯曲成形轨迹的示意图；

[0040] 图4为本发明实施例提供的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法中的钛合金型材悬空段并联结构的示意图；

[0041] 图5a为传统电热拉弯成形方法的过程示意图；

[0042] 图5b为本发明实施例提供的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法的过程示意图；

[0043] 图6为本发明实施例提供的另一钛合金型材电热拉弯过程的控制方法的流程示意图。

[0044] 图中：

[0045] 11、钛合金型材的弯曲段；12、钛合金型材的悬空段；21、拉弯模具；22、钳口；3、铜板；4、绝缘层；5、电流方向；6、导电介质；7、加持力方向；8、钛合金型材悬空段测温点；9、钛
合金型材弯曲段测温点；A、预拉伸过程；B、弯曲过程；C、补拉伸过程；D、断电；E、增大电流。

具体实施方式

[0046] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0047] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0048] 根据本发明实施例的第一方面提供了一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0049] S100、装夹钛合金型材并将铜板固定在钛合金型材的悬空段；

[0050] S200、加热钛合金型材；

[0051] S300、当加热钛合金型材到第一设定温度时，预拉伸并弯曲成形钛合金型材；

[0052] S400、当钛合金型材的弯曲成形结束时，增大加热电流，其中，钛合金型材的悬空段的温度低于钛合金型材的弯曲段的温度；

[0053] S500、当加热钛合金型材的弯曲段到第二设定温度时，补拉伸变形钛合金型材。

[0054] 在该实施方式中，在步骤S100中，具体地，将钛合金型材的两端固定装夹在拉弯成形装置的端部的钳口处，电源的正负极分别电连接两端部的钳口，铜板夹持在钛合金型材
的悬空段，钛合金型材的悬空段即为不与模具发生接触的那部分钛合金型材。

[0055] 在一些可选的实施例中，装夹钛合金型材并将铜板固定在钛合金型材的悬空段之前，还包括：

[0056] 根据电热拉弯轨迹控制模式确定钛合金型材的悬空段的长度，钛合金型材的悬空段的长度与铜板的长度相同。

[0057] 具体地，如图2‑4所示，根据图2所示的基于电流分流方法进行钛合金型材温度控制的原理，选取图3所示的弯曲零件对本实施例中的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法
进行验证，首先根据零件尺寸设计制造拉弯模具并确定钛合金型材的坯料长度；

[0058] 根据拉弯模具和拉弯设备的轨迹控制模式获得弯曲成形轨迹，如图4所示，并依据弯曲轨迹确定钛合金型材的悬空段的长度，铜板的长度等于钛合金型材的悬空段的长度，
即确定了所需铜板的长度。

[0059] 在一些可选的实施例中，根据电热拉弯轨迹控制模式确定钛合金型材的悬空段的长度，具体包括如下步骤：

[0060] 根据拉弯模具的轨迹控制模式，确定弯曲成形轨迹；

[0061] 依据弯曲成形轨迹确定钛合金型材的悬空段的长度。

[0062] 在一些可选的实施例中，根据电热拉弯轨迹控制模式确定钛合金型材的悬空段的长度之前，还包括：

[0063] 根据钛合金型材的尺寸确定拉弯模具并确定钛合金型材的长度。

[0064] 在一些可选的实施例中，根据电热拉弯轨迹控制模式确定钛合金型材的悬空段的长度之后，还包括：

[0065] 确定钛合金型材、铜板的电阻。

[0066] 具体地，根据钛合金型材的长度和截面尺寸计算其电阻，并采用理论分析和模拟分析的方法确定所需铜板的电阻，即铜板的截面尺寸。

[0067] 在一些可选的实施例中，确定钛合金型材、铜板的电阻，具体为：

[0068] 根据钛合金型材的长度、截面尺寸确定钛合金型材的电阻，以及，依据理论分析和模拟分析的方法确定铜板的电阻。

[0069] 在一些可选的实施例中，如图4所示，设置导电介质于铜板与钛合金型材的悬空段的接触处。具体地，导电介质可以选用导电石墨纸。

[0070] 在一些可选的实施例中，补拉伸变形钛合金型材之后，还包括：

[0071] 断电后冷却钛合金型材。将钛合金型材自然冷却至室温，然后取出该钛合金型材，即完成拉弯成形的整个过程。

[0072] 如图5a、5b所示，给出了传统电热拉弯成形过程与本发明实施例提供的拉弯成形过程的对比，两种拉弯过程中均包括预拉伸过程过程A、弯曲过程B及补拉伸过程C，传统的
电热拉弯过程（如图5a所示）在弯曲过程B完成后进行断电D，然后再进行补拉伸C；而本申请
的实施例提供的拉弯成形过程（如图5b所示）在弯曲过程B完成后进行增大电流E，然后再进
行补拉伸C，并且在弯曲过程B中对钛合金型材悬空段测温点8、钛合金型材弯曲段测温点9
分别进行温度测量。

[0073] 拉弯试验的结果对比为：传统电热拉弯成形后的钛合金型材的角回弹率为21.43%，而本发明实施例提供的拉弯成形后的钛合金型材的角回弹率为6.42%，拉弯过程的
温度变化和回弹对比与模拟结果一致。

[0074] 根据本发明实施例的第一方面提供了另一种钛合金型材电热拉弯过程的控制方法，如图6所示，包括以下步骤：

[0075] S201、根据钛合金型材的尺寸确定拉弯模具并确定钛合金型材的长度；

[0076] S202、根据电热拉弯轨迹控制模式确定钛合金型材的悬空段的长度；

[0077] S203、确定钛合金型材、铜板的电阻；

[0078] S204、装夹钛合金型材并将铜板固定在钛合金型材的悬空段；

[0079] S205、加热钛合金型材；

[0080] S206、当加热钛合金型材到第一设定温度时，预拉伸并弯曲成形钛合金型材；

[0081] S207、当钛合金型材的弯曲成形结束时，增大加热电流，其中，钛合金型材的悬空段的温度低于钛合金型材的弯曲段的温度；

[0082] S208、当加热钛合金型材的弯曲段到第二设定温度时，补拉伸变形钛合金型材；

[0083] S209、断电后冷却钛合金型材。

[0084] 在该实施方式中，在电加热钛合金型材之前，先确定钛合金型材的长度以及钛合金型材的悬空段的长度、钛合金型材、铜板的电阻。

[0085] 在一些可选的实施例中，钛合金型材为L型钛合金型材。本发明实施例对于钛合金型材的具体结构不做限定，可以是T型、U型，L型是比较常见的钛合金型材。

[0086] 根据本发明实施例的第二方面提供了一种应用上述的钛合金型材电热拉弯过程的控制方法的拉弯成形装置，如图2所示，包括拉弯模具21、铜板3和电加热系统，拉弯模具
21在与钛合金型材接触的面上设有绝缘层4，铜板3与钛合金型材的悬空段并联设置，电加
热系统的正负极分别与钛合金型材的两端电连接。

[0087] 具体地，绝缘层4可选用绝缘陶瓷涂层，电加热系统通过钳口22给钛合金型材通电加热，钳口22用于固定钛合金型材，钛合金型材包括钛合金型材的弯曲段11、钛合金型材的
悬空段12，钛合金型材的弯曲段11的两端连接钛合金型材的悬空段12。

[0088] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型
也应视为本发明的保护范围。