一种窄长板金属零件热成形的自动化加工装置及方法

技术领域

本发明属于热成形加工技术领域，特别涉及一种窄长板金属零件热成形的自动化加工装置及方法。

背景技术

热成形作为一种重要的金属成形方式在航天航空领域发挥着重要作用，但是现有的热成形加工存在着诸多不足，如热成形过程中由于模具及产品需要在热状态下进行加工，传统人力操作存在高温烧烫伤的危险。对于长宽比大于20的窄长板金属零件，热成形后处于高温红热状态，其刚度较低，结构稳定性不足，此时如果用脱膜机构脱膜取件，受局部不均匀的脱膜外力会造成零件变形，造成无法修复外形畸变，影响零件的外形尺寸质量，为后续加工增加了成本，而且脱膜机构的结构复杂，制造难度大，使用效率不高；如果等待冷却后再脱膜取件，虽然可以较好地保持零件的形态，但是严重影响了热成形的加工效率，不能满足高效的生产需求。此外，对于一些高温合金等易回弹产品及厚度较大的难成形产品，热成形后还会存在回弹问题，不能一次完成成形，同样增加了后续加工的成本。

发明内容

针对以上的技术问题，本发明提供一种窄长板金属零件热成形的自动化加工装置及方法，用以解决长宽比大于20的窄长板金属零件热成形后脱模困难，以及热成形后存在回弹现象的金属零件如何实现自动化连续生产的技术问题之一。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种窄长板金属零件热成形的自动化加工装置，窄长板为长宽比大于20的板；自动化加工装置由送料单元、成形单元和接料单元依次顺序相连接组成，成形单元包括热成形机、模具和冷却系统，模具包括凸模5和凹模6，凸模5和凹模6都各自单独配有冷却系统。

进一步的，送料单元和接料单元由同种模块组成，模块为自动上下料模块、传送料模块和滑轮推板送料模块中的其中一种；所述自动上下料模块包括：桁架机器人1、高温抓手2和控制器3。

进一步的，凸模5和凹模6都包括模座及位于其上的模芯和限位元件；

模芯上开设有供所述冷却系统输送冷却介质的管道通过的放置槽；

限位元件用于在凸模5和凹模6合模时，限定凸模5和凹模6水平方向的相对位置，以及限定坯料在模具中的位置。

进一步的，模芯位于模座上表面的中间位置，四周高出模座上表面，在模座上呈凸起状；在模芯其中的一个长边周面布置有限位元件；

模芯包括顶面的成形面，模芯上开设有放置槽、导气孔、电偶孔；

供冷却系统输送冷却介质的管道通过的放置槽位于与设置有限位单元的模芯长边周面相对的、另一侧的模芯长边周面，平行于模座上表面且纵贯整个长边周面；

若干导气孔间隔均匀分布于放置槽内，导气孔呈L形，其中L形导气孔的水平段平行于所述模座上表面、垂直于所述放置槽穿入模芯，L形导气孔的竖直段垂直于模座上表面向上穿过模芯到达成形面；

电偶孔位于设置有放置槽的模芯长边周面上，在放置槽的上方，紧挨放置槽，位于相邻的两个导气孔之间。

进一步的，冷却系统包括一根导气主管、若干导气支管和若干卡箍，导气主管放置于放置槽内，被固定于模芯周面的若干卡箍所固定，导气主管外连冷却气源，导气支管的一端与导气主管相连通，导气支管的另一端插入L形导气孔的水平段，在导气支管上开有通气孔，通气孔的位置与L形导气孔竖直段的位置相对应，导气支管除通气孔外，没有其他气体出口，导气支管内的气流通过通气孔流入L形导气孔的竖直段，最终流到成形面。

进一步的，L形导气孔的水平段上设置1个，或2个以上、相互平行的竖直段和水平段相连通，2个以上、相互平行的竖直段沿水平段均匀分布。

进一步的，导气主管的内径d

进一步的，在成形单元之后、接料单元之前，增设电磁校形单元。

另一方面，本发明还提供了一种窄长板金属零件热成形的自动化加工方法，所述方法采用前述的装置，包括如下步骤：

步骤S1、根据要加工的零件材料、形状、尺寸，以及热成形的工艺参数，选择模具、冷却系统导气主管、导气支管的材料，设计模具、导气主管、导气支管的尺寸；

步骤S2、根据要加工零件的尺寸下坯料；

步骤S3、将冷却系统的导气主管、导气支管，通过卡箍固定在凸模和凹模上，对冷却系统进行通气性测试；

步骤S4、将凸模和热成形机的下平台固定、凹模和上平台固定，同时将坯料通过送料单元送入热成形机的加热室，对凸模、凹模和坯料进行加热升温；

步骤S5、待模具和坯料加热到热成形温度时，将坯料放入下平台的凸模上，上平台带动凹模下降，合模施压、保压；

步骤S6、热成形后，上平台带动凹模上升，使得凹模和凸模间隔1～5cm的距离，凹模和凸模的导气主管接外部气源对零件进行风冷脱模；

步骤S7、接料单元将零件送入成品库。

进一步的，在步骤S6之后、步骤S7之前增设步骤S6′：

步骤S6′、脱模后的零件进入电磁校形单元，进行电磁校形。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

(1)本发明的自动化加工装置和方法可以节省人力，实现窄长板金属零件的高效连续热成形。

(2)本发明的冷却系统降低了零件的温度，提高了零件的刚度，避免了取件时的变形问题。

(3)本发明的冷却系统实现了零件自动脱模，解决了热成形零件脱模困难的技术问题。

(4)本发明的冷却系统，缩短了产品降温时间，缩短了生产周期，大大提高了生产效率。

(5)本发明的电磁校形单元，解决了热成形后存在回弹现象的金属零件的自动化连续生产的技术问题，大幅提高成形精度及合格率。

(6)本发明的冷却系统可以流通模具清洗液及润滑液，便于模具内部及型面的清洗保养，延长了模具的使用寿命。

(7)本发明中的冷却系统也可以用于超塑成形或胀形成形。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为本发明窄长板钛合金零件示意图；

图2为自动上下料模块示意图；

图3为成形单元中凸模水平放置时从放置槽一侧观察的立体结构示意图；

图4为图3中A部位的放大示意图；

图5为成形单元中凸模水平放置时从限位柱一侧观察的立体结构示意图；

图6为成形单元中凹模水平放置时从放置槽一侧观察的立体结构示意图；

图7为成形单元中凹模水平放置时从限位槽一侧观察的立体结构示意图；

图8为图7中B部位的放大示意图；

图9为成形单元中凸模和凹模合模后的立体结构示意图；

图10为成形单元中凸模冷却系统的局部透视图；

图11为电磁校形单元工作示意图；

图12为含有电磁校形单元的自动化加工流程图；

图中，1-桁架机器人；2-高温抓手；3-控制器；4-坯料；5-凸模；51-模座；510-T型槽；511-吊耳孔；52-模芯；520-成形面；521-放置槽；522-导气孔；523-电偶孔；53-限位柱；K1、K2-限位柱53的边长；H-限位柱53的高；6-凹模；61-模座；610-T型槽；611-吊耳孔；62-模芯；620-成形面；621-放置槽；622-导气孔；623-电偶孔；63-限位槽；E-限位槽63的宽；G-限位槽63的纵向深度；754-导气主管；755-导气支管；7550-通气孔；756-卡箍；764-导气主管；80-RLC回路；81-电磁线圈；82-感应磁场；83-电磁力；84-感应电流；9-校形零件。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种窄长板金属零件热成形的自动化加工装置及方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

图1为本发明窄长板钛合金零件示意图，零件的材料为TC4钛合金，钛板壁厚为1.5mm，长2332mm，宽87.7mm，零件带弧度整高19.5mm，长宽比为26.6。一种长宽比大于20的窄长板金属零件热成形的自动化加工装置，由送料单元、成形单元和接料单元依次顺序相连接组成。其中，送料单元和接料单元由同种模块组成，可以选用自动上下料模块、传送料模块，或者滑轮推板送料模块等。

具体的，自动上下料模块包括：能够负载500公斤的桁架机器人1、高温抓手2和控制器3。高温抓手2包括8组耐高温机械夹爪、2个电动伸缩调整机构、重量检测机构，以及附属设备等，机械夹爪耐温950℃，可适应料宽为0～1300mm、料长为0～4000mm的坯料的夹取，附属设备包括测温传感器、测力传感器等。控制器3用于控制桁架机器人1和高温抓手2按照既定程序自动运行。图2为自动上下料模块示意图。

具体的，成形单元包括热成形机、模具和冷却系统。热成形机包括用于加热模具和合模施压的上平台和下平台，以及用于加热零件坯料的加热室。为了提高加热效率，节省能源，加热模具的平台和加热坯料的加热室可以使用同一热源。

模具包括凸模5和凹模6，凸模5包括模座51及位于其上的模芯52和限位元件，限位元件可为限位柱53，凹模6包括模座61及位于其上的模芯62和限位元件，限位元件可为限位槽63。

其中，凸模5的模座51包括T型槽510、吊耳孔511，凹模6的模座61包括T型槽610、吊耳孔611；T型槽分别位于模座的两个长边侧面，平行于模座上表面纵贯整个长边侧面，用于模具和平台固定；吊耳孔在模座的两个长边侧面各有两个，在模座的两个短边侧面各有一个，用于移动模具时安装吊耳使用；模芯位于模座上表面的中间位置，四周高出模座上表面50～100mm，如72mm，在模座上呈凸起状，模芯周面垂直于模座上表面；凸模5的限位柱53位于模座51上面、紧贴模芯52的周面，限位柱为顶部带倒角的长方体，横截面为矩形，边长K1、K2为30～50mm，高度H是模芯52高度的1.5～1.8倍，如1.722倍，在模芯52其中的一个长边周面布置有限位元件，如间隔均匀布置3个限位柱53，在模芯52的两个短边周面居中各布置有限位元件，如1个限位柱；在凸模5和凹模6合模时，凸模5的限位柱53和凹模6上的限位单元，即限位槽63相配合用于限定凸模5和凹模6水平方向的相对位置，以及限定坯料在模具中的位置，所以限位槽63的位置和纵向深度G、宽度E与限位柱53的位置和高度H、边长K1相对应，即限位槽63同样紧贴凹模6模芯62的周面，与凸模5上布置有限位柱53的模芯52的长边周面相对应的模芯62的一个长边周面对应布置有限位单元，如间隔均匀布置3个限位槽63，在模芯62的两个短边周面居中各对应布置有限位元件，如1个限位槽63。

凸模5的模芯52包括成形面520、放置槽521、导气孔522、电偶孔523；凹模6的模芯62包括成形面620、放置槽621、导气孔622、电偶孔623。成形面就是模芯的顶面，凸模5和凹模6合模后，成形面520和成形面620相配合用于坯料的热压成形；模芯上开设有供冷却系统输送冷却介质的管道通过的放置槽，放置槽位于与设置有限位单元，即限位柱53或限位槽63的模芯长边周面相对的、另一侧的模芯长边周面的中下部，平行于模座上表面且纵贯整个长边周面；若干导气孔间隔均匀分布于放置槽内，间隔距离为100～200mm，如200mm，导气孔呈L形，首先平行于模座上表面、垂直于放置槽穿入模芯，穿入深度为模芯宽度的30～70％，为L形导气孔的水平段，然后再垂直于模座上表面向上穿过模芯到达成形面，为L形导气孔的竖直段。需要说明的是，在L形导气孔的水平段上可以设置1个，或2个以上、相互平行的竖直段和这个水平段相连通，2个以上、相互平行的竖直段在水平段上均匀分布，即如2个相互平行的竖直段，则其中的1个竖直段位于水平段的中间部位。电偶孔用于热电偶插入测量模具的温度，位于设置有放置槽的模芯长边周面上，在放置槽的上面，紧挨放置槽，位于相邻的两个导气孔之间，距邻近导气孔的距离是相邻的两个导气孔间距的30～70％，如50％，间距原则是避免导气孔中的介质温度影响所测的模具温度，电偶孔平行于模座上表面、垂直于模芯周面穿入模芯，穿入深度为模芯宽度的50％，电偶孔的直径与热电偶的选型相匹配，如Φ8mm、Φ10mm等。电偶孔为2～3个，在模芯长边周面上间隔设置，通过不同电偶孔测得的温度来评估模具的整体温度。

图3为成形单元中凸模水平放置时从放置槽一侧观察的立体结构示意图，图4为图3中A部位的放大示意图，图5为成形单元中凸模水平放置时从限位柱一侧观察的立体结构示意图，图6为成形单元中凹模水平放置时从放置槽一侧观察的的立体结构示意图，图7为成形单元中凹模水平放置时从限位槽一侧观察的立体结构示意图，图8为图7中B部位的放大示意图；图9为成形单元中凸模和凹模合模后的立体结构示意图；

具体的，根据不同金属零件的热成形温度和压力，以及从模具的使用成本考虑，模具材料可选用耐热合金模具钢、普钢或铸铁材质，如中、高碳含Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具钢、高合金奥氏体耐热模具钢、45#普钢、中硅钼铸铁等。

需要说明的是，由于金属存在热胀冷缩的特性，而模具材料和零件材料的线膨胀系数不同，所以在设计模具时，需要根据零件在室温下的尺寸D

式(1)中D

凸模5和凹模6都各自单独配有冷却系统。凸模5的冷却系统包括一根导气主管754、若干导气支管755和若干卡箍756，其中，导气主管754放置于放置槽521内，被固定于模芯周面的若干卡箍756所固定，导气主管754外连冷却气源；导气支管755的一端与导气主管754相连，导气支管755的另一端插入L形导气孔522的水平段，在导气支管755上开有通气孔7550，通气孔7550的位置与L形导气孔522竖直段的位置相对应，通气孔7550的个数与L形导气孔522竖直段的个数相对应，即若L形导气孔522竖直段有1个，则通气孔7550的个数为1个；若L形导气孔522竖直段有2个，则通气孔7550的个数为2个，导气支管755除通气孔7550外，没有其他气体出口，导气支管755内的气流通过通气孔7550流入L形导气孔522的竖直段，最终流到成形面520。图10为成形单元中凸模冷却系统的局部透视图。

同样，凹模6的的冷却系统包括一根导气主管764、若干导气支管和若干卡箍，其中，导气主管764放置于放置槽621内，被固定于模芯周面的若干卡箍所固定，导气主管764外连冷却气源；导气支管的一端与导气主管764相连，导气支管的另一端插入L形导气孔622的水平段，在导气支管上开有通气孔，通气孔的位置与L形导气孔622竖直段的位置相对应，通气孔的个数与L形导气孔622竖直段的个数相对应，即若L形导气孔622竖直段有1个，则通气孔的个数为1个；若L形导气孔622竖直段有2个，则通气孔的个数为2个，导气支管除通气孔外，没有其他气体出口，导气支管内的气流通过通气孔流入L形导气孔622的竖直段，最终流到成形面620。

需要说明的是，放置槽的形状、尺寸和导气主管的外径相匹配，放置槽的深度为导气主管外径的1/3～1/2。

本发明的气体冷却系统是对热成形后的零件进行降温而设计的，导气孔气体的出口压强为2～10MPa，具体的，出口压强大致和零件的重量正相关，即零件较重，则出口压强较大，零件较轻，则出口压强较小。为了使得工艺参数简单易控，将气体的进口压强设定为和出口压强相等，即导气主管压强等于导气支管压强。导气主管的内径d

进一步的，根据伯努利原理，可推出导气主管的内径d

式(2)表示导气主管的截面积等于n个导气支管截面积之和，这也是确定导气主管内径d

导气主管和导气支管的材料为耐高温、耐高压材料，所述耐高温即能够承受热成形温度，所述耐高压即能够承受冷却气体的压强，选材的基本原则是材料的标准耐温、耐压强度在热成形温度、冷却气体压强的1.25倍以上，所以凡是符合上述条件的材料均可，如单质金属、钢、合金、复合材料、高分子材料等等。

进一步的，为了解决热成形难度大、热成形后存在回弹现象的金属零件的一次成形问题，如高温合金，本发明在成形单元之后、接料单元之前，增设有电磁校形单元。具体的，电磁校形单元包括RLC回路80、电磁线圈81。图11为电磁校形单元工作示意图。

本发明还提供了一种窄长板金属零件热成形的自动化加工方法，包括如下步骤：

步骤S1、根据要加工的零件材料、形状、尺寸，以及热成形的工艺参数，选择模具、冷却系统导气主管、导气支管的材料，设计模具、导气主管、导气支管的尺寸；

步骤S2、根据要加工零件的尺寸下坯料；

步骤S3、将冷却系统的导气主管、导气支管，通过卡箍固定在凸模和凹模上，对冷却系统进行通气性测试；

步骤S4、将凸模和热成形机的下平台固定、凹模和上平台固定，同时将坯料通过送料单元送入热成形机的加热室，对凸模、凹模和坯料进行加热升温；

步骤S5、待模具和坯料加热到热成形温度时，将坯料放入下平台的凸模上，上平台带动凹模下降，合模施压、保压；

步骤S6、热成形后，上平台带动凹模上升，使得凹模和凸模间隔1～5cm的距离，凹模和凸模的导气主管接外部气源对零件进行风冷脱模；

步骤S7、接料单元将零件送入成品库。

需要说明的是，在步骤S3中，通气性测试是将导气主管外接气源后，测定气体进口和出口的压强，两者相等则符合要求。

在步骤S6中，凹模和凸模的间隔距离和冷却气的气压正相关，即气压大时，距离大一些，气压小时，距离小一些，这样利于气体与零件表面充分接触、适速流动带走热量，气体冷却属于对流散热，遵循牛顿冷却定律，冷却时长为5～30min。根据热成形零件的材料和用气成本可以选择不同的气体作为冷却气源，如氩气、氮气、空气、氦气等，其选择依据是在热成形的温度下，零件的材料和冷却气体不发生化学反应，如钛合金热成形后可以选用氩气、氦气作为冷却气体，而铝合金热成形后可以选择空气、氮气作为冷却气体。由于热胀冷缩的特性，虽然零件和模具在冷却后都会发生收缩现象，但是，一则模具与零件的线膨胀系数不同，二则两者被带走的热量不同，显然零件的冷却效率要高得多，这种收缩不同步的现象，导致零件和模具自动分离。

进一步的，对于热成形难度大、热成形后存在回弹现象的金属零件，在步骤S6之后、步骤S7之前增设步骤S6′：

步骤S6′、脱模后的零件进入电磁校形单元，进行电磁校形。

具体的，电磁校形电压的范围为9～20KV，电磁校形电压和校形时间根据零件材料的弹性模量、变形程度来确定。图12为含有电磁校形单元的自动化加工流程图。

需要说明的是，以上加工方法步骤之间的前后顺序仅限定某一零件的加工顺序，对于不同的零件可以在不同的步骤同时进行，如第一个零件在步骤S6′进行电磁校形的同时，第二个零件在步骤S6进行风冷脱模、第三个零件在步骤S5进行模压成形、第四个零件在步骤S4进行加热升温等，即本发明的自动化加工装置和方法可以进行连续生产。

此外，本发明的冷却系统可以用于流通液体，用于清洗模具或对模具加润滑剂等；在模具整体密封后，还可以通过冷却系统进行超塑成形或胀形成形。

实施例1

热成形图1中的窄长板钛合金零件，零件的材料为TC4钛合金，钛板壁厚为1.5mm，长2332mm，宽87.7mm，零件带弧度整高19.5mm，长宽比为26.6。

窄长板钛合金零件热成形的自动化加工方法，包括如下步骤：

步骤S1、根据要钛合金零件的形状、尺寸D

根据热成形温度630℃、冷却气体压强5MPa，选择导气主管、导气支管材料为306不锈钢管，导气主管的内径为6mm，外径为8mm，导气支管的内径为2mm，外径为4mm；

步骤S2、根据要加工零件的尺寸下坯料；

步骤S3、将冷却系统的导气主管、导气支管，通过卡箍固定在凸模和凹模上，对冷却系统进行通气性测试，将导气主管外接气源后，测定气体进口和出口的压强都为5MPa；

步骤S4、将凸模和热成形机的下平台固定、凹模和上平台固定，同时将坯料通过送料单元送入热成形机的加热室，对凸模、凹模和坯料进行加热升温；

步骤S5、待模具和坯料加热到630℃时，将坯料放入下平台的凸模上，上平台带动凹模下降，合模施压20T，保压5min；

步骤S6、热成形后，上平台带动凹模上升，使得凹模和凸模间隔3cm的距离，凹模和凸模的导气主管接外部气源对零件进行氩气风冷10min，脱模；

步骤S6′、脱模后的零件进入电磁校形单元，进行电磁校形，控制电压为10KV，对于零件进行校形25min；

步骤S7、接料单元将零件送入成品库。

窄长板钛合金零件最终尺寸精度在±0.2mm的范围内，同时生产周期缩短了20％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。