一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具及成型方法

技术领域

本发明涉及一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具及成型方法，属于弯头加工技术领域。

背景技术

随着钛合金冶金技术及成型工艺的成熟，钛合金制品价格相对早期已有了很大降幅，由于钛合金本具有耐腐蚀，强度高，密度低，焊接性好的优势，在海洋大船的通海系统管路已开始尝试用钛合金替代海军黄铜，目前国内、外一些小型军用压水堆的承压管路也采用了钛合金，一些传输腐蚀性有毒介质的化工行业也大量采用钛合金来替代传统的不锈钢管路。

然而对于薄壁管路的弯头可以采用热推弯或分瓣模压焊接的制造方式获得，但是对于大口径厚壁弯头，比如口径超过400mm，壁厚超过30mm的弯头。目前对于这种大口径厚壁弯头仅用铸造成型或通过在锻块上加工出在同一平面上两个垂直贯通的圆孔来实现管路的转向作用；而钛合金厚壁铸造弯头的内部缺陷多，此外，一般匹配的直管多采用锻造或轧制的成型工艺，两者使用的标准体系不能统一，不利于后续管路的连接装配；而采用锻块加工贯穿交叉形式的转向弯头孔会给流体在转向处带来较大阻力，产生水锤效应，出现管路振动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具及成型方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具，包括压弯顶模、底胎模、多个随动支撑内模、两个端部定位内模及两个堵板，所述压弯顶模上设有与管坯的外径相适配的弧形凹槽，所述底胎模包括前后对称设置在底板上的一对底模支撑，所述底模支撑包括设置在所述底板上的支座及通过转轴设置在支座上的弧胎，所述弧胎的内弧面与管坯的外径相适配，两个所述堵板分别与管坯的两端连接，所述随动支撑内模及端部定位内模均设于管坯内，且所述端部定位内模设置在边部的所述随动支撑内模与所述堵板之间；

所述随动支撑内模包括上随动模及下随动模，所述上随动模上设有U型凹槽一及滑块一，所述下随动模上设有与凹槽一相配合的凸台一及与滑块一相配合的台肩一，所述滑块一与所述台肩一的贴合面倾斜设置，所述上随动模的上弧面与管坯的内径相适配，所述上随动模的上部厚度小于所述上随动模的下部厚度，所述上随动模的前端面及后端面均为斜面。

本发明的有益效果是：所述上随动模的厚度为上窄下宽，前端面及后端面为倾斜面；在管坯弯曲之前相邻的上随动模之间预留间隙，相邻的上随动模的端面之间的间隙会随着弯头成型过程逐渐减小，待弯头成型完成相邻的上随动模的端面贴合，内模总体夹角面从分离至贴合来确保弯头最终弯曲角度一致。随动支撑内模不仅能在弯头成型过程实现稳定的支撑，同时配合弯头的弯曲成型过程，避免干涉弯头的成型过程，从而保证弯头成型质量。本发明采用锻造直管为坯料，在压力机上通过内部支撑模具及外部底胎模及压弯顶模的共同协作及在较高温度下实现钛及钛合金弯头的成型制造，采用该成型模具加工的钛合金厚壁弯头不仅内部光顺流畅，且性能组织与直管保持一致，而且同时便于模具拆卸，方便重复使用，解决了锻态的钛及钛合金大口径厚壁弯头成型问题，保证弯头在成型过程中保有较好的圆度，并且不发生皱折或开裂现象，同时能较好地保证弯头角度控制精度问题；同时无需专用设备，仅在普通压力机上即可完成弯头成型。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述端部定位内模包括上定位模及下定位模，所述上定位模上设有U型凹槽二及滑块二，所述下定位模上设有与凹槽二相配合的凸台二及与滑块二相配合的台肩二，所述滑块二与所述台肩二贴合面倾斜设置。

采用上述进一步方案的有益效果是，上定位模与下定位模两者的贴合面为斜面，斜面满足其上定位模所受压力F的斜向分力大于斜面的滑动摩擦力，及Fsinθ＞μFcosθ，故只需外界施加少量压力，上、下定位模即可产生左右错移，随即便可取出，防止相互卡死，利于内模的出料。

进一步的，所述下随动模的下弧面与加工后的弯头的内表面相适配。

采用上述进一步方案的有益效果是，使得多个下随动模配合能与弯头弯曲角度一致，实现对弯头稳定支撑，保证弯头内部圆度质量。

进一步的，相邻的所述随动支撑内模之间、所述随动支撑内模与端部定位内模之间及所述端部定位内模与堵板之间分别设有定位机构。

采用上述进一步方案的有益效果是，定位机构能实现相邻的部件之间的定位配合，实现相互间的对位，此外，随动支撑内模之间的定位还能保证其角度方向的一致性，便于随动支撑内模的安装与拆卸。

进一步的，所述定位机构设置在所述随动支撑内模的下随动模上及所述端部定位内模的下定位模上。

采用上述进一步方案的有益效果是，上随动模的前端面及后端面有避让倾斜面，间隙大，不利于定位机构的定位，定位机构设置在下随动模及下定位模上，定位更稳定，且定位机构无需设置过大。

进一步的，所述定位机构包括对位槽及与所述对位槽相配合的对位块。

采用上述进一步方案的有益效果是，对位槽是预留在要对位的部件上，可根据需要确定是否要安装对位块；相邻部件之间的定位是通过对位块与对位槽之间配合实现，如下随动模的前端面上设置随动对位槽，后端面上设置随动对位块，多个随动支撑内模依次通过随动对位槽与随动对位块的配合实现定位，堵板的内表面上有板对位块，端部定位内模的外端面上设置与板对位块配合的定位对位槽，端部定位内模的内端面上有与随动对位槽相配合的定位对位块或者有与随动对位块相配合的定位对位槽。

进一步的，所述随动支撑内模的左侧面及右侧面均为支撑平面结构，和/或所述端部定位内模的左侧面及右侧面均为定位平面结构。

采用上述进一步方案的有益效果是，平面结构利于内模进入直管的管坯内，也利于后续弯头成型后内模的取出。

本发明还涉及一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型方法，采用如上所述的钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具，具体步骤如下：

1)准备管坯；

2)将随动支撑内模及端部定位内模安装到管坯内，然后将堵板分别安装在管坯的两端进行环焊封堵；

3)将步骤2)加工后的管坯整体加热至430-470℃，保温时间为管坯壁厚*1.5-2min/mm，然后快速升温至670-730℃，保温时间为管坯壁厚*35-45s/mm，使得管坯的内壁能达到650℃左右，同时预热压弯顶模及弧胎至440-460℃，将加热后的管坯吊运至底胎模上，压力机作用，使压弯顶模下移作用于管坯上使得管坯弯曲至要求角度；

4)弯曲到位的弯头冷却至室温，取下堵板、端部定位内模及随动支撑内模，获得弯曲成型的弯头。

本发明的有益效果是，管坯可直接采用锻造直管为坯料，在压力机上通过随动支撑内模、端部定位内模及外部底胎模及压弯顶模的共同协作，在较高温度下实现钛合金弯头的成型制造。本发明属于锻制弯头，与常规的锻造或轧制的直管段匹配度好，模具拆卸方便，还可重复使用，定位精准，可在常规压力机上操作，对设备要求度低，经过该成型方法加工的弯头过渡平顺，且性能组织与直管保持一致，内部圆度保证较好，特别适合壁厚较大的大口径弯头制作。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，在上述步骤2)中随动支撑内模及端部定位内模安装前涂抹润滑剂；和/或在堵板安装完成后，在管坯的外表面涂抹防氧化润滑涂料。

采用上述进一步方案的有益效果是，涂抹润滑剂如石墨乳利于内模的随动，实现对成型过程的弯头进行稳定支撑；防氧化润滑涂料可以保护弯头外表面质量。

进一步的，对步骤4)获得的弯头进行800℃退火处理。

采用上述进一步方案的有益效果是，目的是去除内应力，保证尺寸稳定性，消除加工硬化效应，大大降低后期开裂的风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖面结构示意图；

图3为本发明管坯(带有内模)的剖面结构示意图；

图4为本发明底胎模的结构示意图；

图5为本发明随动支撑内模的结构示意图；

图6为本发明端部定位内模的结构示意图；

图7为本发明堵板的结构示意图；

图8为本发明弯头成型初始状态模具的结构示意图；

图9为本发明初始状态管坯(带有内膜)的内部结构示意图；

图10为本发明管坯45度状态模具的结构示意图；

图11为本发明弯曲45度状态的管坯(带有内膜)的内部结构示意图；

图12为本发明管坯90度状态模具的结构示意图；

图13为本发明弯曲90度状态的管坯(带有内膜)的内部结构示意图；

图中，1、压弯顶模；11、弧形凹槽；2、底胎模；21、弧胎；22、支座；23、转轴；24、底板；3、管坯；4、堵板；41、板对位块；5、端部定位内模；51、上定位模；52、下定位模；53、定位对位槽；54、定位对位块；55、凹槽二；56、滑块二；57、凸台二；58、台肩二；59、定位平面结构；6、随动支撑内模；61、上随动模；62、下随动模；63、随动对位块；64、随动对位槽；65、凹槽一；66、滑块一；67、凸台一；68、台肩一；69、支撑平面结构。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图13所示，一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具，包括压弯顶模1、底胎模2、多个随动支撑内模6、两个端部定位内模及两个堵板4，所述压弯顶模1上设有与管坯3的外径相适配的弧形凹槽11，所述底胎模2包括前后对称设置在底板24上的一对底模支撑，所述底模支撑包括设置在所述底板24上的支座22及通过转轴23设置在支座22上的弧胎21，所述弧胎21的内弧面与管坯3的外径相适配，两个所述堵板4分别与管坯3的两端连接，所述随动支撑内模6及端部定位内模均设于管坯3内，且所述端部定位内模5设置在边部的所述随动支撑内模6与所述堵板4之间；

所述随动支撑内模6包括上随动模61及下随动模62，所述上随动模61上设有U型凹槽一65及滑块一66，所述下随动模62上设有与凹槽一相配合的凸台一67及与滑块一66相配合的台肩一68，所述滑块一66与所述台肩一68的贴合面倾斜设置，所述上随动模61的上弧面与管坯3的内径相适配，所述上随动模61的上部厚度小于所述上随动模61的下部厚度，所述上随动模61的前端面及后端面均为斜面。

上随动模61的上弧面与管坯3的内径一致；下随动模62的底弧面与弯头成品的内鼓面一致，其中上随动模61与下随动模62两者贴合面为斜面，斜面满足其上随动模61所受压力F的斜向分力大于斜面的滑动摩擦力，及Fsinθ＞μFcosθ，满足上述条件，只需外界施加少量压力，上随动模61与下随动模62即可产生左右错移，随即便可取出，防止相互卡死，下随动模62前后分别加工有前后对位槽，前对位槽内装有对位块，用于相互间对位，保证其角度方向一致性。随动支撑内模6设置多个，上随动模61的上窄下宽，前后端面均为倾斜面，上随动模61两端面夹角之总和等于弯头的总弯曲角度。

所述端部定位内模5包括上定位模51及下定位模52，所述上定位模51上设有U型凹槽二55及滑块二56，所述下定位模52上设有与凹槽二55相配合的凸台二57及与滑块二56相配合的台肩二58，所述滑块二56与所述台肩二58贴合面倾斜设置。上定位模51与下定位模52两者的贴合面为斜面，斜面满足其上定位模51所受压力F的斜向分力大于斜面的滑动摩擦力，及Fsinθ＞μFcosθ，故只需外界施加少量压力，上、下定位模52即可产生左右错移，随即便可取出，防止相互卡死，利于内模的出料。

所述上随动模61的下部厚度等于或小于所述下随动模62的厚度。安装定位方便且稳定，能实现对直管的管坯3的稳定支撑，同时又能适应弯头的弯曲成型。

所述下随动模62的下弧面与加工后的弯头的内表面相适配。使得多个下随动模62配合能与弯头弯曲角度一致，实现对弯头稳定支撑，保证弯头内部圆度质量。

相邻的所述随动支撑内模6之间、所述随动支撑内模6与端部定位内模5之间及所述端部定位内模5与堵板4之间分别设有定位机构。定位机构能实现相邻的部件之间的定位配合，实现相互间的对位，此外，随动支撑内模6之间的定位还能保证其角度方向的一致性，便于随动支撑内模6的安装与拆卸。

所述定位机构设置在所述随动支撑内模6的下随动模62上及所述端部定位内模5的下定位模52上。上随动模61的前端面及后端面有避让倾斜面，间隙大，不利于定位机构的定位，定位机构设置在下随动模62及下定位模52上，定位更稳定，且定位机构无需设置过大。

所述定位机构包括对位槽及与所述对位槽相配合的对位块。对位槽是预留在要对位的部件上，可根据需要确定是否要安装对位块；相邻部件之间的定位是通过对位块与对位槽之间配合实现，如下随动模62的前端面上设置随动对位槽64，后端面上设置随动对位块63，多个随动支撑内模6依次通过随动对位槽64与随动对位块63的配合实现定位，堵板4的内表面上有板对位块41，端部定位内模5的外端面上设置与板对位块41配合的定位对位槽53，端部定位内模5的内端面上有与随动对位槽64相配合的定位对位块54或者有与随动对位块63相配合的定位对位槽53。

所述随动支撑内模6的左侧面及右侧面均为支撑平面结构69，和/或所述端部定位内模5的左侧面及右侧面均为定位平面结构59。平面结构利于内模进入直管的管坯3内，也利于后续弯头成型后内模的取出。

本发明还涉及一种钛及钛合金大口径厚壁弯头成型方法，采用如上所述的钛及钛合金大口径厚壁弯头成型模具，具体步骤如下：

1)准备管坯3；

2)将随动支撑内模6及端部定位内模5安装到管坯3内，然后将堵板4分别安装在管坯3的两端进行环焊封堵；

3)将步骤2)加工后的管坯3整体放入加热炉内加热至430-470℃，保温时间为管坯壁厚*1.5-2min/mm，然后按加热炉最大功率进行升温，快速升温至670-730℃，保温时间为管坯壁厚*35-45s/mm，使得管坯3的内壁能达到650℃左右，同时预热压弯顶模1及弧胎21至440-460℃，将加热后的管坯3吊运至底胎模2上，压力机作用，使压弯顶模1下移作用于管坯3上使得管坯3弯曲至要求角度；

4)弯曲到位的弯头冷却至室温，取下堵板4、端部定位内模5及随动支撑内模6，获得弯曲成型的弯头。

在上述步骤2)中随动支撑内模及端部定位内模安装前涂抹润滑剂；和/或在堵板安装完成后，在管坯的外表面涂抹防氧化润滑涂料。涂抹润滑剂如石墨乳利于内模的随动，实现对成型过程的弯头进行稳定支撑；防氧化润滑涂料可以保护弯头外表面质量。

对上述步骤4)获得的弯头进行800℃退火处理。退火的目的是去除内应力，保证尺寸稳定性，消除加工硬化效应，大大降低后期开裂的风险，退火后可根据实际需要对两端口面或其它部位进行适当机加工或打磨处理。

制作模具时，压弯顶模1和弧胎21可用耐热铸铁制作；端部定位内模5及随动支撑内模6可采用热作模具钢H13，调质硬度保证52-55HRC，堵板4可采用与钛合金管坯3一致的材质制作。堵板4反面加工有板对位槽，对位槽内装有板对位块41，用于与端部定位内模5对位。保证其角度方向一致性，堵板4的正面还可以有角度位置刻线，便于快速且准确的确定与底胎模2之间的安放角度位置，压弯顶模的弧形结构与加工后的弯头的成型角度相一致。

操作时：首先将端部定位内模5及随动支撑内模6安装到钛合金管坯3内，并使内模与管坯二者总长保持一致，其所有接触面均需涂抹石墨乳润滑，再将堵板4分别安装到管坯两端，并环焊封堵，如图8和图9中的初始状态。此时将弯头外表涂抹防氧化润滑涂料，并将其放入加热炉内整体加热至450℃保温较长时间，保温时间为管坯壁厚*1.5-2min/mm，如管坯壁厚为35mm时，保温时间为52.5-70min；确保弯头的内外温度一致，再按加热炉最大功率进行升温，快速升温至700℃作短时保温，保温时间为管坯壁厚*35-45s/mm，如管坯壁厚为35mm时，短时保温时间为1225-1575s；确保钛合金管坯3内壁达到650℃左右即可，同时用火焰喷枪或其它方式预热压弯顶模1和弧胎21至450℃，此时将管坯整体快速吊运至底胎模2上就位，在压力机作用下使压弯顶模1缓慢向下移动，并使管坯逐渐弯曲至要求角度，如图10和图11所示弯头弯曲成型呈45度状态，如图12和图13所示弯头成型呈90度状态，。若坯料的外鼓面温度低于400℃时需停止弯曲，继续加热至内壁650℃时再返回进行弯曲。弯曲到位后冷却至室温，去除堵板4与管坯之间的焊缝，取下堵板4后再逐步取出定位内模及随动支撑内模6，最终将弯头进行800℃退火，退火后可根据实际需要对两端口面或其它部位进行适当机加工或打磨处理。

本发明可直接采用锻造直管为坯料，在压力机上通过随动支撑内模、端部定位内模及外部底胎模及压弯顶模的共同协作，在较高温度下实现钛合金弯头的成型制造。本发明属于锻制弯头，与常规的锻造或轧制的直管段匹配度好，模具拆卸方便，还可重复使用，定位精准，可在常规压力机上操作，对设备要求度低，经过该成型方法加工的弯头过渡平顺，且性能组织与直管保持一致，内部圆度保证较好，特别适合壁厚较大的大口径弯头制作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。