本發(fā)明屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地是指一種用難變形高強(qiáng)度合金板材制備圓管的裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著我國航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展以及國家大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動，并且隨著環(huán)境保護(hù)以及能源節(jié)約意識的提高，在汽車行業(yè)，迫切需要通過使用高強(qiáng)度鋼來替代汽車中傳統(tǒng)的低碳鋼零件來減輕汽車重量，從而減少石油消耗以及溫室氣體的排放。

飛機(jī)制造業(yè)中使用的較多的高強(qiáng)度材料有鈦以及鈦合金。鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良的特性，其主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1)有較高的比強(qiáng)度，鈦合金抗拉強(qiáng)度為686-1176Mpa，而密度僅為鋼的3/5，而為銅的一半；2)鈦具有較高的抗腐蝕性能，在550℃一下的空氣中材料表面會形成一層致密的氧化鈦薄膜，故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)中，其耐腐蝕性優(yōu)于大多數(shù)的不銹鋼；3)鈦具有強(qiáng)烈的鈍化傾向，由于鈦對氧有很強(qiáng)的親和力，當(dāng)與氧介質(zhì)接觸時(shí)，會很快形成一層致密的、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化薄膜，從而在機(jī)械磨損時(shí)能夠保護(hù)基體材料；4)鈦合金材料無磁性，其不受電磁場和雷雨天氣的影響。同時(shí)鈦及鈦合金也具有線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，因此鈦合金管材主要應(yīng)用在航空航天和民用飛機(jī)中的液壓以及燃油管路系統(tǒng)中，從而替代不銹鋼航空導(dǎo)管，有利于減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。這將很大程度上提高飛機(jī)的飛行性能，極大促進(jìn)我國飛機(jī)制造業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。但是目前為止，我國一些主要的鈦材加工單位，還很難生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的航空管材，鈦管材的加工過程主要存在以下問題：1)材料加工工藝沒有固化，變形量達(dá)不到要求，材料的顯微組織沒有得到充分細(xì)化，2)在冷加工后需要對管材進(jìn)行熱處理，這導(dǎo)致熱處理后的顯微組織粗大。因此需要一種材料變形量大，而且不需要對成性管材進(jìn)行熱處理的圓管制備方法。

在汽車工業(yè)中，為了滿足節(jié)能減排以及環(huán)境保護(hù)的要求，汽車結(jié)構(gòu)的輕量化是汽車發(fā)展的主要趨勢。在汽車輕量化的同時(shí)為提高其撞擊安全性和行駛穩(wěn)定性，采用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼以及超綱強(qiáng)度鋼來替換承力結(jié)構(gòu)軸已是必然選擇。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼具有以下優(yōu)良的機(jī)械性能1)具有很高的加工硬化速率；2)材料具有很高的抗拉強(qiáng)度，成形后構(gòu)件具有很高的壓潰抗力，抗撞擊吸收能和高的疲勞強(qiáng)度；3)變形過程中相對來說具有較大的均勻伸長率以及總伸長率，因此，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼以及超高強(qiáng)度鋼是汽車管狀承力結(jié)構(gòu)件以及加強(qiáng)件的理想材料。但是由于高強(qiáng)度鋼自身有較大的變形抗力，因此成形性不是很高，而且成形后零件的回彈量較傳統(tǒng)金屬材料而言稍大，因此用難變形高強(qiáng)度合金板材制備圓管時(shí)需要找到能夠改善這兩點(diǎn)的成形方法。

高強(qiáng)度鋼管材的制造方法多種多樣，主要包括：熱擠壓、熱軋、冷變形和多種方法的組合等方法。

現(xiàn)有的技術(shù)中公開了一種鈦合金圓管的加工方法，例如專利CN103316941A，該專利是采用擠壓機(jī)將實(shí)心圓坯料或者空心圓坯料經(jīng)過內(nèi)外模具擠壓成管的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠制造塑性低的鈦合金，鎳基合金等金屬管材，缺點(diǎn)是由于擠壓比的限制，只能制造管材的徑厚比較大的薄壁管或者管坯。另外，為獲得好的鈦管表面質(zhì)量，需要對鈦合金管坯做銅包覆處理，但在高溫時(shí)銅與鈦會發(fā)生反應(yīng)，生成金屬間化合物，發(fā)生界面復(fù)合，因此銅層去除較為困難。

專利CN104745868A敘述了一種薄壁鈦合金管料的加工工藝。該工藝的步驟為：首先將具有一定重量比的各金屬材料投放到熔煉爐中在高溫下鑄造成直徑為100-120mm的圓桿，然后對其進(jìn)行多次的正火與回火處理，緊接著用擠壓機(jī)將圓桿送入模腔中，經(jīng)過模具的鉆孔擠壓成薄壁圓管，最后將鉆孔擠壓出模后的薄壁圓管進(jìn)行淬火處理，冷卻后得到薄壁鈦合金管。此種工藝的優(yōu)點(diǎn)為可以得到任何徑壁比的管材，但是工藝中熱處理工序較為繁瑣，而且熱處理過程中溫度的控制較為嚴(yán)格，成形后的管材顯微組織較大。

專利CN104498849A敘述了一種662鈦合金管材的制備工藝。這種工藝是一種多種方法組合工藝，首先進(jìn)行鑄件的制備，接著進(jìn)行棒坯的鍛造，然后對得到的鍛造棒坯進(jìn)行外徑的車削與內(nèi)徑的深鏜加工，然后用清洗液對坯料進(jìn)行清洗，并且用鋼板對內(nèi)徑進(jìn)行包套，用銅帶對外徑進(jìn)行包套，隨后進(jìn)行熱擠壓、矯直、表面處理、成品熱處理工序，最后對內(nèi)孔進(jìn)行精鏜加工得到所需的內(nèi)徑圓管。此圓管加工工藝的缺點(diǎn)是加工工藝過于繁瑣，并且對有包套的內(nèi)徑進(jìn)行熱擠壓后，鋼材很難從內(nèi)徑中取出，而且在薄壁圓管取出包套材料的過程中有可能會破壞圓管的形狀。

因此，開發(fā)一種新的高強(qiáng)度圓管制備方法，解決現(xiàn)有圓管制備工藝中的變形量達(dá)不到要求問題、高強(qiáng)度管材成形過程中需加熱所帶來高昂的設(shè)備費(fèi)用問題以及加熱處理所帶來成形后圓管材料的顯微組織過大的問題，同時(shí)需要解決一些不能用加熱方法來制備圓管的高強(qiáng)度雙相鋼材料等問題。同時(shí)需要改善圓管制備中存在過于繁瑣的工藝問題。

國內(nèi)外的一些研究發(fā)現(xiàn)，高速成形的方法能夠在不對成形板料進(jìn)行加熱的條件下明顯提高高強(qiáng)度鋼的成形性以及減少變形后的回彈量，如盧文的碩士論文中的研究結(jié)論得出高速成形能夠明顯提高難成形的高強(qiáng)度金屬DP590和B280VK的成形性;李奮強(qiáng)的博士論文中得出的結(jié)論是TC4鈦合金板材在高速率成形條件下成形性也有明顯提高。當(dāng)處于平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，其成形性能比準(zhǔn)靜態(tài)條件下提高了73.65%,而當(dāng)板料處于雙向拉伸條件下時(shí)，成形性比準(zhǔn)靜態(tài)條件下提高了24.37%；Sergey F. Golovashchenko對雙相鋼DP500、DP590、DP780、DP980在電液高速成形條件下的成形性作了研究，研究結(jié)果表明，材料的成形性能也有顯著提高，在雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)下，成形性比準(zhǔn)靜態(tài)條件下最大提高97.7%，處于平面應(yīng)變狀態(tài)下，成形性能最高提升了190.3%。詹藝紅研究了Ti6554在不同應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系如圖1所示，圖表顯示隨著應(yīng)變速率的提高，鈦合金最大應(yīng)變量顯著增加，也即鈦合金成形性提高。上述數(shù)據(jù)以及圖表說明高應(yīng)變速率能夠顯著提高鈦合金以及其他高強(qiáng)度鋼的成形性。高能成形或者高速成形有爆炸成形、電磁成形以及電液成形，其中電液成形的成形速度大約300m/s。

綜上所述，針對于現(xiàn)有技術(shù)中針對制備高強(qiáng)度圓管制備方法中存在的變形量達(dá)不到要求、工藝繁瑣等問題，將電液效應(yīng)運(yùn)用于制備難變形高強(qiáng)度合金板材制備圓管的方法應(yīng)運(yùn)而生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，根據(jù)電液效應(yīng)，利用與高壓脈沖電源相連的電極放電，最終形成的沖擊波和高速水流動壓作用在難變形高強(qiáng)度合金板料，使板料發(fā)生彎曲變形而貼緊圓柱形的成形模。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種用難變形高強(qiáng)度合金板材制備圓管的裝置，包括電源系統(tǒng)，水箱，與水箱上端連接的水箱固定板，水箱與水箱固定板之間還連接有第二密封橡膠，起到密封的作用；

所述的水箱內(nèi)部設(shè)置有一凸臺，凸臺上端設(shè)置有板料；所述的板料上端設(shè)置有成型模，所述的成形模內(nèi)部設(shè)置有成形模扭轉(zhuǎn)桿，通過成形模扭轉(zhuǎn)桿以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方式在相同位放電的方式來進(jìn)行成形；

所述的水箱側(cè)部設(shè)置有抽真空裝置以及加水裝置；所述的水箱前后側(cè)壁分別安裝有電極緊固件；所述的電極緊固件內(nèi)部安裝有放電電極；將放電電極裝置安裝在水箱中的合適位置，使電極對末端有適當(dāng)?shù)木嚯x；可通過旋轉(zhuǎn)方式在相同位放電的方式來進(jìn)行下次的成形，后通過多次放電，使得難變形高強(qiáng)度合金板料成形為所需的圓管狀。

所述的放電電極一端位于水箱內(nèi)部，另一端位于水箱外部，通過橋絲在水箱內(nèi)部將兩個(gè)放電電極的末端連接；所述的位于水箱外部的放電電極另外兩末端通過電源系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步，所述的電源系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)；所述的電源系統(tǒng)依次連接有整流器、電容器、安全保護(hù)系統(tǒng)、電子觸發(fā)器以及充電開關(guān)；所述的電源系統(tǒng)為高壓脈沖電源。

進(jìn)一步，所述的放電電極與電極緊固件之間還設(shè)置有絕緣套筒，并通過絕緣材料固定件固定；所述的絕緣套筒以及電極緊固件在水箱的外圍還套有電極壓蓋。

進(jìn)一步，所述的橋絲為銅絲或鋁絲?？捎勉~絲或者鋁絲作為橋絲與電極相連，可以提高放電效率以及產(chǎn)生的沖擊波和高速水流動壓均勻的作用在板料上。

進(jìn)一步，所述的板料固定板通過固定板緊固螺栓固定在墊板上；根據(jù)板料的厚度，調(diào)整墊板的高度來安裝成形模。

進(jìn)一步，所述的成形模安裝在板料固定板下測，通過軸承固定，在固定螺栓的作用下將軸承以及墊板的固定在凸臺上。

進(jìn)一步，所述的成形模扭轉(zhuǎn)桿與成形模之間通過連接鍵連接。

進(jìn)一步，所述的水箱下部安裝有楔形擋塊，安裝楔形擋塊使得高速水流動壓以及脈沖波能量的高效利用。

本發(fā)明還公開了一種用難變形高強(qiáng)度合金板材制備圓管的方法，具體步驟如下：

1）將板料、成形模固定在凸臺的相應(yīng)位置，根據(jù)難變形高強(qiáng)度合金板料的厚度，調(diào)整高度，根據(jù)板材長度在水箱底部安裝合適的楔形擋塊；

2）將放電電極裝置安裝在水箱中的合適位置，使電極對末端有適當(dāng)?shù)木嚯x；

3）將水箱固定板與水箱連接，用加水裝置向水箱內(nèi)加水，并通過抽真空裝置排空水箱上部空氣；

4）電極對接入電源系統(tǒng)；

5）高壓電源向電容器充電，充電后，電子觸發(fā)器回路激活，電極發(fā)生放電，產(chǎn)生的沖擊波和高速水流動壓作用在難變形高強(qiáng)度合金板料，是板料發(fā)生彎曲變形而貼緊圓柱形成形模。

6）通過旋轉(zhuǎn)方式在相同位放電的方式來進(jìn)行初次的成形，后通過多次放電，使得難變形高強(qiáng)度合金板料成形為所需的圓管狀；其中旋轉(zhuǎn)方式是通過旋轉(zhuǎn)成形模扭轉(zhuǎn)桿改變板料位置，一處電極進(jìn)行多次放電的形式來成形圓管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：1）本發(fā)明根據(jù)電液效應(yīng)，利用與高壓脈沖電源相連的電極對在末端放電或與電極對相連接的橋絲在放電過程中瞬間產(chǎn)生的等離子通道擊穿液體形成超高電流的高溫放電通道，放電通道周圍液體汽化并迅速向外膨脹，在介質(zhì)水中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和高速的水流動壓，沖擊波和高速水流動壓作用在難變形高強(qiáng)度合金板料，使板料發(fā)生彎曲變形而貼緊圓柱形的成形模，通過旋轉(zhuǎn)成形模的方式進(jìn)行多次放電，使難變形高強(qiáng)度合金板料成形為圓管狀，通過后續(xù)的切邊以及焊接工藝使之成形為所需圓管；2）該方法成形過程中不需要對板件及設(shè)備進(jìn)行加熱，圓管變形量大，且不會出現(xiàn)加熱處理所帶來成形后圓管的顯微組織粗大的現(xiàn)象；3)本發(fā)明不受板料強(qiáng)度以及徑厚比的限制，可以成形任意厚度及內(nèi)徑的圓管；4）本發(fā)明可以非常容易地通過調(diào)節(jié)與電極相連的電容器的電壓或者電容值來改變放電電能的大小，調(diào)節(jié)難變形高強(qiáng)度合金板料的彎曲變形量。改善圓管的成形效果；5）本發(fā)明可顯著提高難變形高強(qiáng)度合金板料的成形性,減少彎曲成形后圓管的回彈量。

附圖說明

圖1 是本發(fā)明背景技術(shù)中Ti6554在不同應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明中高強(qiáng)度鋼板材制備圓管的電液成形裝置的主視圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明中高強(qiáng)度鋼板材制備圓管的電液成形裝置的俯視圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明中板料固定板與板料配合的局部放大示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明中成形模與其配合零件的局部放大示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明中成形模的俯視圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明中首次放電之后的高強(qiáng)度鋼板材制備圓管電液成形裝置的主視圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明中第二次放電前的高強(qiáng)度鋼板材制備圓管電液成形裝置的主視圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的最終所制得的高強(qiáng)度圓管示意圖。

其中，1-充電開關(guān)，2-整流器，3-電容器，4-升壓變壓器，5-安全保護(hù)系統(tǒng)，6-電子觸發(fā)器，7-放電電極，8-絕緣套筒，9-電極壓蓋，10-絕緣材料固定件，11-第一密封橡膠，12-電極緊固件，13-橋絲14-水，15-加水裝置，16-楔形擋塊，17-水箱固定板，18-第二密封橡膠，19-水箱，20-抽真空裝置，21-脈沖波與高速水流動壓，22-成形模，23-固定板緊固螺栓，24-軸承，25-固定螺栓，26-墊板，27-板料固定板，28-第三密封橡膠，29-成形模扭轉(zhuǎn)桿，30-連接鍵，31-板料。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、實(shí)施步驟以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)更加具體明白，一下結(jié)合附圖以及實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明中所涉及到的技術(shù)特征，只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

如圖1~圖6所示，本發(fā)明的一種用難變形高強(qiáng)度合金板材制備圓管的裝置包括水箱19，與水箱19上端連接的水箱固定板17，二者之間通過第二密封橡膠18密封；水箱19下部安裝有楔形擋塊16；水箱19內(nèi)部設(shè)置有一凸臺，凸臺上端設(shè)置有板料31；所述的板料31上端設(shè)置有成型模22，所述的成形模22內(nèi)部設(shè)置有成形模扭轉(zhuǎn)桿29；

所述的水箱19設(shè)置有抽真空裝置20以及加水裝置15；所述的水箱19的前后側(cè)壁分別安裝有電極緊固件12；所述的放電電極7與電極緊固件12之間還設(shè)置有絕緣套筒8，并通過絕緣材料固定件10固定；所述的絕緣套筒8以及電極緊固件12在水箱15的外圍還套有電極壓蓋9；所述的電極緊固件12內(nèi)部安裝有放電電極7；

所述的放電電極7一端位于水箱19內(nèi)部，另一端位于水箱19外部，通過橋絲13在水箱內(nèi)部將兩個(gè)放電電極7的末端連接；橋絲13為銅絲或鋁絲；所述的位于水箱19外部的放電電極7另外兩末端通過電源系統(tǒng)連接。

如圖4~6所示，所述的板料固定板27通過固定板緊固螺栓23固定在墊板26上；成形模22安裝在板料固定板27下測，通過軸承24固定，在固定螺栓25的作用下將軸承24以及墊板26的固定在凸臺上。成形模22內(nèi)部設(shè)置有成形模扭轉(zhuǎn)桿29；所述的成形模扭轉(zhuǎn)桿29與成形模22之間通過連接鍵30連接；成形模扭轉(zhuǎn)桿29與水箱19側(cè)壁接觸的部分使用第三密封橡膠28進(jìn)行密封

具體的電液成形方法包括以下步驟：

1）將板料31通過其他傳統(tǒng)的方式預(yù)成形如圖5所示的形狀，用與預(yù)成形板料有相同曲率的板料固定板27將預(yù)成形后的板料31固定在合適位置，同時(shí)用固定板緊固螺栓23將板料固定板27固定在水箱19中凸臺的相應(yīng)位置，然后根據(jù)難變形高強(qiáng)度合金板料的厚度，調(diào)整墊板26的高度，將成形模22通過軸承24安裝合適位置，用固定螺栓25將軸承24以及墊板26固定在水箱中凸臺的相應(yīng)位置；并且根據(jù)板料長度將合適的楔形擋塊16安裝固定在水箱底部。

2）將第一密封橡膠11安裝在電極緊固件12中，之后將電極緊固件12安裝在水箱19側(cè)壁的合適位置，保持電極緊固件12與水箱15側(cè)壁孔有良好的密封性，將放電電極插入絕緣套筒8中用絕緣材料固定件10將其固定在電極緊固件12中，之后用帶螺紋的電極壓蓋9將整個(gè)電極裝置固定。然后用鋁絲或者銅絲作為橋絲13將兩個(gè)電極對末端連接起來，用此方法固定好兩個(gè)電極對；

3）用連接螺栓將水箱固定板17與水箱19連接，而且在兩者接觸表面用第二密封橡膠18密封，通過加水裝置15向水箱下部凹槽內(nèi)通入液態(tài)水14，用抽真空裝置20將水箱凹槽以及水箱19上部的空氣抽空。

4）將放電電極接入電源系統(tǒng)；

5）閉合充電開關(guān)1，經(jīng)升壓變壓器4升壓后的高壓交流電通過整流器2得到的高壓直流電作用在電容器3兩端，電容器開始充電，當(dāng)電容器充電到一定數(shù)值時(shí)，電子觸發(fā)器6激活，電容器3中儲存的電能經(jīng)安全保護(hù)系統(tǒng)5作用在兩個(gè)電極上，電能沿著橋絲13釋放，橋絲瞬間汽化，周圍產(chǎn)生高溫的等離子放電通道，等離子的放電通道周圍的液體迅速汽化膨脹，在液體水14中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和高速水流動壓21。沖擊波和高速水流動壓以圓柱狀輻射的形式通過介質(zhì)水作用在難變形高強(qiáng)度合金板料，使板料發(fā)生彎曲變形而貼緊圓柱成形模，在此過程中板料固定板27在板料成形過程中起到限位板料的作用；

6）初次放電結(jié)束后，難變形高強(qiáng)度合金板料成形為一定的形狀,板料成形后的示意圖如圖7中所示，通過對成形模扭轉(zhuǎn)桿29旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，使得成形后的板料底面與水平面平齊，其示意圖如圖8所示；重復(fù)步驟3）以及步驟5），通過多次放電使難變形高強(qiáng)度合金板料成形為所需的圓管狀，如圖9所示為多次放電成形后的高強(qiáng)度圓管，可通過各種方式切出圓管末端多余的板料，之后通過激光焊、攪拌摩擦焊等各種焊接方式將圓管接口處焊接在一起，獲得機(jī)械生產(chǎn)中可使用的高強(qiáng)度圓管。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改，等同替換和改進(jìn)，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。