金屬棒的蠕變成形以及應力消除制造技術

熱蠕變拉伸卷繞成形方法包括將金屬棒（１６）加熱到處于適合其蠕變的溫度范圍內的成形溫度，以不大于０．０５英寸／英寸／秒的應變率給金屬棒施加拉伸力，以及使金屬棒卷繞模具（１２），所述模具優選地具有熱絕緣和／或電氣絕緣工作表面（３４，３６）。拉伸力典型地施加至０．５％到１５．０％的應變。金屬棒（１６）最優選地為鈦合金，所述鈦合金的成形溫度為其熔化溫度的０．４５到０．６０。卷繞金屬棒固定在適當位置，其溫度保持在所述溫度范圍內典型地持續５到１２０分鐘以便應力消除。優選地，金屬棒（１６）在整個過程中大體上保持在成形溫度。圍繞模具和金屬棒的熱絕緣層（６２）減少了來自金屬棒的熱損失。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及金屬部件，更特別地是細長金屬棒的熱蠕變拉伸成形。更特別地，本專利技術涉及對通常難以拉伸卷繞成形的鈦、鈦合金和類似金屬進行熱拉伸卷繞成形。特別地，本專利技術涉及利用具有熱絕緣、電氣絕緣工作表面的模具對金屬部件進行熱拉伸卷繞成形。
技術介紹
本專利技術涉及對在高溫下形成的細長金屬部件，尤其是通過擠壓成形、鍛壓、輥壓、機加工或其組合制造的鈦合金制部件進行的熱拉伸卷繞成形。鈦合金由于其與相對輕質相結合的優異的機械和耐腐蝕性能而廣泛用作航天材料。然而，眾所周知的是，鈦合金通常難以成形，并且需要加熱到充分高的溫度以便適當地形成這類部件。鈦合金非常適合于在飛機的成型結構件中使用，但是這種結構件由于缺少形成這種成型構件的適用和經濟可行的方法而受到極大限制。對這種部件的需要隨著人們對例如高級飛機中的翼弦的輕質、高強度結構部件的希望而增加。一種用于形成細長鈦部件的現有方法稱作＂沖擊成形＂。這種方法包括在熔爐中將細長部件加熱到預定溫度，此時，將部件從熔爐中取出并放置在成形壓力機的成形模上。壓力機施加使部件產生局部變形的彎曲力。部件溫度在成形過程中迅速降低，因此，成形阻力顯著增大。因此，沖擊成形需要反復加熱循環以完成成形過程，這耗時并且昂貴。另外，由沖擊成形引起的彎曲力矩使部件截面內的張應力位于中性軸以上，壓應力位于中性軸以下，這在部件中分別產生裂縫和褶皺。部件內的相當大的應力梯度則使控制成形部件的幾何結構變得很難。另外，由部件的復雜應力狀況引起的局部變形加速內部顯著殘余-->應力的形成，需要利用昂貴夾具進行離線消除應力處理。沖擊成形的缺陷在于缺少導向工具以不靠反復試驗及誤差法實現所需輪廓。同樣難以保持例如沿著凸緣之間角度等的橫截面的結構完整性。人們建議使用后熱模精壓(Post?hot?sizing)來提高成形部件的尺寸完整性。最后，沖擊成形不能由計算機模擬進行檢驗。盡管熱拉伸卷繞成形的一般概念已經為人們已知了一段時間，但現有技術的方法不適合經濟地形成由鈦合金或難以成形的其它材料制成的部件。授權給Maloney的美國專利2,952,767公開了一種用于使細長棒拉伸卷繞成形的設備，所述細長棒通過電阻加熱的方式加熱并且卷繞由位于模具組件內的傳統加熱元件加熱的金屬模具。這種構造的主要問題是受熱模具和金屬部件在其彼此接觸時發生于它們之間的電氣短路效應，這造成部件局部過熱和頸縮。授權給Morris等的美國專利4,011,429注意到上述短路效應并且通過以并聯方式電氣連接模具和金屬部件和使用相同電壓對它們進行加熱來通過電阻對模具和細長金屬部件兩者加熱以解決上述問題。令人遺憾的是，這種構造不實用，因為并聯加熱模具和部件需要模具的復雜且受限制的昂貴構造。另外，這種方法需要將部件預先加熱到遠低于其成形溫度的溫度，而模具加熱到成形溫度，使得只有部件的接觸部分在與模具接觸時達到成形溫度，這導致部件的接觸部分和非接觸部分之間不均勻的屈服強度。因為變形過程不均勻，所以極難保持成形部件的結構完整性以及將殘余應力的形成減到最少。本專利技術解決了這些和其它問題，如通過后續描述變得顯而易見的那樣。
技術實現思路
本專利技術提供了一種方法，包括將細長金屬棒加熱到處于適合金屬棒蠕變的溫度范圍內的成形溫度；以不大于0.05英寸/英寸/秒的應變率給受熱金屬棒施加拉伸力；和使受熱金屬棒卷繞模具以形成卷繞金屬棒。-->附圖說明圖1是本專利技術的熱蠕變拉伸成形設備的示意性頂部平面圖，顯示了位于模腔內的熱絕緣和電氣絕緣材料以及卷繞所述模具之前的金屬棒。圖2是沿圖1所示直線2-2剖開的剖視圖，顯示了模腔內的雙層絕緣材料。圖3是與圖2類似的剖視圖，顯示了插入模腔中的金屬棒，并且絕緣材料使金屬模具與金屬棒隔開。圖4與圖1類似，顯示了從圖1所示起始位置移動到圖4所示完成位置以使細長棒卷繞模具工作表面的夾爪。圖5是與圖3類似的視圖，顯示了處于打開位置的蓋門和從模腔取出的拉伸卷繞成形金屬棒。圖6是用于工業純鈦的示意性應力/溫度圖，其中，左邊的數字表示標準化切應力，右邊的數字表示20℃時的切應力，頂部數字表示以℃表示的溫度，底部數字表示同系溫度。圖7是示意圖，顯示了塑性變形區域，均勻變形區域和擴散變形區域。圖8是現有技術的金屬棒的示意平面圖，顯示了由在熱拉伸卷繞成形期間產生的應力引起的皺紋和裂紋。圖9與圖8類似，顯示了通過本專利技術的熱拉伸卷繞方法形成的金屬棒，顯示出金屬棒不會出現圖8所示現有技術的金屬棒的皺紋和裂紋。圖10是具有L形構造的金屬棒的剖視圖。類似的數字在所有附圖中表示類似的部件。具體實施方式在圖1中通常以10表示本專利技術的熱拉伸卷繞成形設備。設備10包括模具12和一對隔開的夾爪14，所述夾爪構造為夾緊顯示為與其-->相應端部鄰近的細長金屬棒16的金屬部件，以便使金屬棒16在其被加熱時拉伸并且使其卷繞模具12。設備10尤其對鈦合金制棒材的熱蠕變拉伸成形有用。夾爪14連接到相應的擺臂上，所述擺臂沒有顯示，但是在本領域眾所周知。每個夾爪14通過導線或金屬絲20與電源18連通以形成用于電阻加熱金屬棒16的電路。通過金屬絲22與電源18電氣連接的多個加熱元件24可以插入模具12中以對其加熱。模具12具有模腔分界面26，其限定了T形模腔28(圖2)。表面26和腔室28具有弧形構造，其從模具12的第一端部30伸向模具12的第二端部32。絕緣的第一層或內層34和絕緣的第二層或外層36布置在腔室28內，其中，第一層34以從模具12的第一端部30到第二端部32的大體上連續方式與模具12的表面26鄰接。第二層36同樣以從第一端部30到第二端部32的大體上連續方式與第一層34鄰接。層34和36與表面26相符，因此具有通常T形構造。第二層36限定了工作表面38，其在卷繞過程中與金屬棒16抵接。如圖2所示，金屬棒16具有T形橫截面，其具有與T形腔28和工作表面38相配合的構造。工作表面38限定了T形工作空間40，棒16在拉伸卷繞過程中布置在所述工作空間內。更特別地，第一層和第二層34、36中的每一個最優選地由熱絕緣和電氣絕緣材料制成。可選地，如果希望的話，層34和36之一可以由熱絕緣材料制成，另一個由電氣絕緣材料制成。盡管人們希望在模具12和棒16之間提供熱絕緣和電氣絕緣，但是可以想到的是，可以根據環境只使用熱絕緣層或電氣絕緣層。在示例性實施例中，層34和36由柔性耐火材料制成。這允許層34和36容易地與模腔的形狀相符。另外，使用這種柔性層允許在卷繞過程之前在使所述層定位方面的多樣性。例如，在將金屬棒插入模腔中之前，所述層可以布置在模腔(如圖顯示)內部，卷繞金屬棒的一部分或全部，或者僅懸置在模腔和金屬棒之間，使得金屬棒插入模腔可以將絕緣材料壓制成希望的形狀。層34和36典型地為耐火陶瓷氈。這樣一種適當的陶瓷氈的名稱為Kaowool。這種陶瓷氈典型地提-->供如上所述的熱絕緣和電絕緣性質，并且由編織陶瓷纖維制成。當這些柔性氈在性質降低到一定程度使它們不再適用于本專利技術的目的時，它們還可以容易地從模腔或金屬棒上去除。盡管這種陶瓷氈是一種適當的絕緣材料，但是可以使用其它適當的材料和/或涂層，它們提供本專利技術所需的熱絕緣和/或電氣絕緣性質并且能夠抵抗卷繞過程中施加的熱量和壓力。設備10還包括絕熱蓋62，其通常在本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種方法，包括步驟：　將細長金屬棒加熱到處于適合金屬棒蠕變的溫度范圍內的成形溫度；　給受熱金屬棒施加拉伸力；　使受熱金屬棒卷繞模具以形成卷繞金屬棒；和　將所述卷繞金屬棒固定在卷繞位置，同時將卷繞金屬棒的溫度保持在所述 溫度范圍內至少５分鐘。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】US 2006-6-15 11/455,0521.一種方法，包括步驟：將細長金屬棒加熱到處于適合金屬棒蠕變的溫度范圍內的成形溫度；給受熱金屬棒施加拉伸力；使受熱金屬棒卷繞模具以形成卷繞金屬棒；和將所述卷繞金屬棒固定在卷繞位置，同時將卷繞金屬棒的溫度保持在所述溫度范圍內至少5分鐘。2.如權利要求1所述的方法，其中，固定步驟包括將卷繞金屬棒固定在卷繞位置，同時將卷繞金屬棒的溫度保持在所述溫度范圍內至少10分鐘。3.如權利要求2所述的方法，其中，固定步驟包括將卷繞金屬棒固定在卷繞位置，同時將卷繞金屬棒的溫度保持在所述溫度范圍內至少20分鐘。4.如權利要求3所述的方法，其中，固定步驟包括將卷繞金屬棒固定在卷繞位置，同時將卷繞金屬棒的溫度保持在所述溫度范圍內至少40分鐘。5.如權利要求4所述的方法，其中，固定步驟包括將卷繞金屬棒固定在卷繞位置，同時將卷繞金屬棒的溫度保持在所述溫度范圍內至少60分鐘。6.如權利要求1所述的方法，其中，固定步驟包括使熱絕緣體鄰近卷繞金屬棒定位以減少由此產生的熱損失的步驟。7.如權利要求6所述的方法，其中，卷繞步驟包括使受熱金屬棒圍繞所述模具的模具面和布置在所述模具面和受熱金屬棒之間的熱絕緣材料層卷繞的步驟。8.如權利要求6所述的方法，其中，所述卷繞步驟包括使受熱金屬棒圍繞延伸于模具的相對側面之間的所述模具的模具面卷繞的步驟；并且還包括使第一和第二熱絕緣層分別鄰近所述模具的每個相對側面定位的步驟。9.如權利要求1所述的方法，其中，施加步驟包括以不大于0.05英寸/英寸/秒的應變率將拉伸力施加給受熱金屬棒的步驟。10.如權利要求9所述的方法，其中，施加步驟包括以不大于0.05英寸/英寸/秒的應變率給受熱金屬棒施加拉伸力到0...

【專利技術屬性】
技術研發人員：AR凱斯卡，A巴伯，皆川邦典，
申請(專利權)人：RTI國際金屬公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]