一种采用加热辅助的两步镦粗管端成形方法及装置与流程

本技术涉及镦粗工艺的，尤其是涉及一种采用加热辅助的两步镦粗管端成形方法及装置。

背景技术：

1、管端镦粗成形是管道制造领域的核心工艺之一，通过轴向压缩在管材末端形成法兰、接头、承插口等连接件与功能构件。随着新能源汽车燃料电池系统的快速发展，对管路连接的强度、耐压性、密封性等方面提出了更高要求，管接头结构日趋紧凑，成形过程中材料壁厚变化更剧烈，材料弯折角度增大。以316l不锈钢为代表的小尺寸薄壁管接头（外径6~26 mm、壁厚1~4 mm）在室温镦粗过程中，管材末端发生大角度弯折变形，材料流动难以控制，使管件内外转角处集中产生剧烈应变，当应变超过材料成形极限时，即导致起皱、微裂纹等成形缺陷。此类缺陷在循环载荷作用下极易过早诱发疲劳裂纹，严重影响零件的服役寿命与可靠性。如何在不大幅增加工序复杂度的前提下，提高小尺寸不锈钢复杂管接头室温大角度弯折成形的成形质量，是本领域亟待解决的技术难题。

2、为解决上述问题，现有技术中已提出多种改进方案。例如，专利文献cn111531103a公开了一种铝合金筒体感应加热镦粗装置，包括墩粗支撑环、感应线圈、成型模等结构，通过感应线圈对铝合金筒体加热后进行一次性镦粗成形。专利文献cn113510212a公开了一种钛合金钻杆管体管端镦粗工艺，将加热炉与镦粗模具连接形成密封空间并充入co2作为保护气氛，经720℃保温2 min和1010℃保温3 min后进行一次镦粗成型。专利文献cn117358868a公开了一种管体端部加热镦粗装置及方法，采用加热炉对管体进行一次加热、感应加热线圈组对管体进行二次加热，二次加热完成后直接送入镦粗机构进行一次镦粗。此外，多步成形工艺也有相关报道，如专利文献cn121178764a公开了一种超大法兰空心件的成形方法，在预锻阶段对管状坯料的上端进行挤压成形得到预镦粗头部，再在终锻阶段进行进一步镦粗。专利文献cn114985655a公开了一种采用两道次镦粗的钢管管端短流程加厚方法，钢管经第一、第二加热炉加热后进入第三加热炉均温处理，送入一道次模腔完成第一道次镦粗，再返回第三加热炉补充加热并均温后，送入二道次模腔完成第二道次镦粗，两道次镦粗均在高温状态下完成。

3、然而，上述现有技术仍存在以下缺陷：第一，热成形方案（如cn111531103a、cn113510212a、cn117358868a）虽能提高材料成形性能，但需将工件长时间置于高温状态，能耗较高，且需采取气氛保护等隔绝措施防止氧化，持续高温还存在诱发晶粒粗化与不利相变的风险，影响产品最终性能。第二，多步热成形方案（如cn114985655a）需在多套模腔之间切换完成两道次镦粗，模具结构复杂、设备要求高，且全程保持高温热成形，工序冗长、生产节拍受限。第三，现有冷镦粗工艺中，材料在一次变形中即积累大量塑性损伤，应变集中区域易超过成形极限而产生裂纹，而常规的多道次冷加工后进行一次整体热处理的方式，无法在工序间及时修复已产生的塑性损伤以服务于后续变形。

技术实现思路

1、本技术提供一种采用加热辅助的两步镦粗管端成形方法及装置，能在不增加模具复杂度且不引入高温热成形伴生问题的前提下、有效减少因塑性累积损伤导致开裂的管端镦粗成形方案。

2、第一方面，本技术提供的一种采用加热辅助的两步镦粗管端成形方法，采用如下的技术方案：

3、一种采用加热辅助的两步镦粗管端成形方法，包括以下步骤：

4、s1：将管材工件装夹于镦粗模具中，进行第一道次镦粗，使工件产生塑性变形；

5、s2：将经过第一道次镦粗的工件从所述镦粗模具中取出，通过在2~5秒内将工件的变形区域加热至预定温度1000℃~1100℃后，冷却至室温；

6、s3：将冷却后的工件再次装夹于所述镦粗模具中，进行第二道次镦粗，使工件达到预设的最终形状与尺寸。

7、通过采用上述技术方案，第一道次镦粗使工件产生预定的塑性变形，将原本一次成形所需的总变形量分解为两部分完成，尽量减少了单次大变形中应变集中超过材料成形极限。第一道次镦粗完成后，工件内部积累了塑性损伤和残余应力，材料成形性能下降。此时通过在2~5秒内的极短时间将变形区域加热至1000℃~1100℃，利用加热的集肤效应使变形区快速升温至再结晶温度以上，材料内部发生再结晶，位错密度显著降低，塑性损伤被修复，残余应力得以消除，材料成形性能恢复至接近初始状态。2~5秒的极短加热时间使工件在敏化温度区间的停留时间极短，尽量减少了碳化铬沿晶界析出导致的晶间腐蚀风险，同时抑制了晶粒长大，保持了细晶组织。冷却至室温后进行第二道次镦粗，此时材料已恢复高塑性状态，能够承受第二步变形而不产生裂纹。两步镦粗的协同作用使得最终成形时的主应变由一次成形的较高水平显著降低至安全区内，有效抑制了内外转角处宏观裂纹和微裂纹的萌生，一步冷成形样品内转角处普遍存在宏观裂纹，而采用该工艺后内转角处仅存在微裂纹且随温度升高裂纹长度明显降低。同时，该方案中两道次镦粗使用同一套模具完成，无需切换模腔，尽量减少了模具更换带来的定位误差和时间损耗，无需后续切削或打磨等精加工工序即达到设计标准，工序简洁、成本可控；相比单次成形，该工艺有效抑制了内转角处宏观裂纹的萌生，使裂纹长度显著减小甚至消失，同时无需改变模具结构，两道次使用同一模具，也无需后续机加工修整。

8、由于第一道次在室温下进行而非热态下进行，尽量减少了高温环境下的氧化皮生成和对模具的热冲击，省去了气氛保护等隔绝措施；两道次镦粗之间将工件从模具中取出加热，使得加热工序与成形工序在空间和时间上解耦，加热过程不占用模具工位，不影响第一道次与第二道次之间的模具状态，模具在加热期间可自然冷却或用于其他工件的加工，提高了设备利用率。同时，该方案中两道次镦粗使用同一套模具完成，无需在多套模腔之间切换，尽量减少了模具更换带来的定位误差和时间损耗，无需后续切削或打磨等精加工工序即达到设计标准。

9、可选地，在s2步骤中，对工件的变形区域加热的加热方式采用感应加热。

10、通过采用上述技术方案，感应加热利用电磁感应原理在工件内部直接产生热量，加热效率高、速度快，能够在2~5秒内将小尺寸管件的变形区域加热至1000℃~1100℃，是实现快速升温目标的具体技术手段。相较于电阻加热或炉内加热方式，感应加热可精确控制加热区域，通过调整线圈形状和位置，仅对工件的变形部位进行局部加热，而非变形区因被模具全包裹夹持而保持较低温度，尽量减少了整体加热带来的能耗浪费和热影响区扩大。感应加热无需预热时间，通电后即可快速达到目标温度，配合2~5秒的升温时间，使得整个中间热处理过程在极短时间内完成，不显著延长生产节拍。同时，感应加热设备结构紧凑，可与镦粗模具集成布置，有利于生产线的紧凑化设计和自动化改造。感应加热无需加热炉与镦粗模具之间设置密封连接或气氛保护装置，设备构成简单，操作维护便利。

11、可选地，在s2步骤中，加热的升温时间为3秒。

12、通过采用上述技术方案，3秒的极短加热时间使工件的变形区域在极短时间内跨越450℃~850℃敏化温度区间，碳原子来不及向晶界大量扩散形成碳化铬，晶界附近铬含量得以保持在耐蚀性所需水平，从而有效尽量减少了晶间贫铬和晶间腐蚀风险，这一效果在长时间加热或保温工艺中难以实现。同时，极短的加热时间使得再结晶晶粒在形核后来不及长大，加热后的平均晶粒尺寸维持在细晶范围，尽量减少了传统长时间热处理中常见的晶粒粗化现象，保证了材料的强度、塑性和耐蚀性不因热处理而劣化。3秒升温时间与1000℃~1100℃加热温度协同作用，在实现充分再结晶修复塑性损伤的同时，保持了细晶组织，实现了材料性能的全面恢复而非单一指标的提升。从生产角度，3秒的加热时间与自动化生产线的节拍要求相适应，使得中间热处理环节不成为制约整线生产效率的瓶颈环节，相较传统需数十分钟至数小时保温的热处理方式具有显著的效率优势。

13、可选地，在步骤s1中，所述第一道次镦粗的下压量为完整下压量的75%~80%。

14、通过采用上述技术方案，该下压量范围的确定基于对两步成形应变分布的优化分析。将第一步下压量控制在完整下压量的75%~80%范围内，使得第一步变形产生的等效应变处于材料室温成形安全区内，不会在预镦粗阶段即引发裂纹。同时，该下压量使工件产生了充分的塑性变形和位错积累，为后续感应加热修复提供了足够的再结晶驱动力，若变形量过小则位错密度不足，再结晶过程不充分，材料修复效果有限。该范围也保证了第二步成形所剩余的下压量（完整下压量的20%~25%）足够小，使得经感应加热修复后的材料在第二步变形中承受的应变量低于其成形极限，从而不会产生新的裂纹。75%~80%的下压量范围与中间感应加热修复特征协同作用，使两步变形量达到最优分配，每一步变形量均处于材料相应状态下的安全区内，既充分利用了材料的塑性变形能力，又尽量减少了超限变形引发的缺陷。

15、可选地，所述第一道次镦粗的下压量为完整下压量的77%。

16、通过采用上述技术方案，77%是经仿真优化确定的优选下压量比例。在此下压量下，第一步变形产生的应变量和应变分布最为合理，预成形后的工件形状有利于第二步成形的材料流动。77%的预变形量使工件内部积累了足够且均匀的位错密度，为感应加热过程中的再结晶提供了均匀的形核驱动力，使得再结晶后晶粒尺寸均匀、组织一致性良好。剩余23%的第二道次变形量在经过修复后的材料承载能力范围内，第二步成形时材料流动平稳，内外转角处不产生应变集中。77%的优选值与3秒感应加热、1000℃~1100℃加热温度共同构成了完整的优选工艺参数组合，采用该参数组合的样品内转角处无裂纹产生。

17、可选地，所述第一道次镦粗和所述第二道次镦粗使用同一套镦粗模具完成。

18、通过采用上述技术方案，使用同一套模具完成两道次镦粗，尽量减少了多步成形方案中需在多套模腔之间切换的复杂操作和模具成本。在一次装模完成后即可完成整个成形过程，无需在两道次之间更换或调整模具，消除了因模具切换带来的二次定位误差，保证了两道次变形的同轴度和一致性。同一模具的使用也意味着两道次镦粗的型腔轮廓完全一致，第一步预成形后的工件形状与型腔轮廓相适配，为第二步成形提供了良好的定位基础，尽量减少了因模具型腔差异导致的壁厚不均或单边飞边等缺陷。工件在两道次间需从模具中取出进行加热、冷却后再装回的工序设计协同作用，使得在保证中间热处理可实施的前提下，模具结构保持简洁，设备投资成本可控，工艺可操作性强。相较需在压机内切换一道次模腔和二道次模腔的方案，省去了模具切换机构及其配套的模具吹扫、冷却、更换及润滑等辅助工序，减少了辅助时间，提高了单位时间产出。

19、可选地，所述第一道镦粗采用轴向压缩成形镦粗。

20、通过采用上述技术方案，轴向压缩成形镦粗是通过沿管材轴线方向施加压力使管端材料产生径向流动和壁厚增加的成形方式，是管端法兰、接头等连接件成形的核心工艺手段。该限定明确了本工艺所面向的具体成形类型为轴向压缩镦粗，在轴向压缩镦粗过程中，管材末端材料在轴向压力作用下发生压缩和径向流动，内外转角处材料流动路径复杂，应变状态为多向压缩-拉伸组合，极易在局部产生超过材料成形极限的应变集中。本工艺通过两步成形加中间感应加热的方式，有效解决了轴向压缩镦粗中因大角度弯折和材料流动受限而导致的应变集中和开裂问题，具有明确的工艺针对性。该限定将本工艺的应用范围聚焦于轴向压缩镦粗这一具体成形类型，与扩口、胀形等其他管端成形方式形成区分。

21、可选地，所述镦粗模具的型腔与工件外径匹配，用于对工件的非变形区进行全包裹式夹持固定。

22、通过采用上述技术方案，模具型腔与工件外径匹配并对非变形区进行全包裹式夹持，首先保证了工件在镦粗过程中不会发生轴向窜动或径向偏移，确保成形精度，特别是在两步成形工艺中工件需要两次装夹，可靠的夹持是保证两次变形同轴和尺寸一致的前提。其次，全包裹式夹持使得工件非变形区在感应加热过程中与模具紧密贴合，金属模具作为导热体可快速将热量导走，使非变形区温度保持在较低水平，热量被限制在变形区域内，实现了感应加热的局部加热效果，既减少了输入工件的总热能从而降低了能耗，又尽量减少了非变形区因受热而发生组织变化或性能劣化，保证了管材非变形区的原始力学性能和耐蚀性能不受热过程影响。再者，下模采用分体式结构配合螺栓紧固，使得工件在两道次间的取出和再次装夹操作便捷高效，分体式结构在保证全包裹夹持效果的同时兼顾了装拆的便利性。

23、第二方面，本技术提供的一种镦粗成型装置，采用如下的技术方案：

24、一种镦粗成型装置，包括：

25、镦粗模具，用于夹持管材工件并对工件进行镦粗成形，包括：

26、上模和下模，所述下模为分体式结构，由左半模和右半模拼合组成，通过安装孔与螺栓紧固，型腔与工件外径匹配；

27、感应加热设备，包括感应加热线圈、管材感应加热专用夹具以及交流电源箱。

28、通过采用上述技术方案，下模的分体式结构设计使得工件在第一道次镦粗后的取出操作以及感应加热完成后的再次装夹操作便捷高效，无需复杂的辅助工具即可完成，为两道次间的快速流转提供了结构基础。型腔与工件外径匹配保证了夹持的稳定性和成形精度，防止镦粗过程中的工件窜动。感应加热设备中的感应加热线圈可围绕工件的变形区域布置，通过改变线圈形状和匝数适应不同管径和变形区长度，确保加热区域精确对应变形区域。管材感应加热专用夹具确保工件在加热过程中处于线圈的有效加热范围内且位置固定，保证加热的均匀性和重复性。交流电源箱提供高频交流电，使感应加热能够在数秒内将小尺寸管件加热至目标温度，是实现快速升温的设备基础。该装置各组成部分功能明确、结构简洁，可与现有压力机等通用设备配合使用，无需在加热炉与镦粗模具之间设置密封连接或气氛保护装置，也无需多套模腔及其切换机构，具有良好的工业适用性和改造便利性。

29、可选地，所述上模的边缘设置有两段延长导向段，所述延长导向段与所述下模外缘贴合。

30、通过采用上述技术方案，上模边缘设置的延长导向段在模具装配和上模下行过程中起到自动导引与几何限位的作用，是提高成形精度的关键结构。导向段与下模外缘贴合，在上模下行初期即通过几何接触确定了上模与下模的相对位置，保证上模镦粗锥面与下模型腔的同心度，尽量减少因初始定位偏差导致的模具错位。在镦粗过程中，导向段沿下模外缘滑动，持续约束上模的运动轨迹，使上模沿设定轴线垂直下行，保证了镦粗力沿管材轴线方向施加，尽量减少了偏心加载导致的壁厚不均或单边飞边等缺陷。在两步成形工艺中，工件需要经历两次装夹和两次镦粗，导向段的存在确保了两道次镦粗过程中上模与下模的相对位置保持一致，从而保证了两道次变形的同轴度，最终产品的尺寸精度和形位公差得到有效控制。该导向结构与下模分体式结构协同作用，分体式结构保证了装夹和取出的便捷性，导向结构保证了闭合和镦粗的精度，二者共同实现了便捷装夹与高精度成形的兼顾。

31、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

32、1.第一道次镦粗在室温下进行，将原本一次成形所需的总变形量分解为两部分完成，尽量减少了单次大变形中应变集中超过材料成形极限；第一道次镦粗完成后，工件内部积累了塑性损伤和残余应力，材料成形性能下降；此时通过在两道次之间引入感应加热处理，使变形区域快速升温至再结晶温度以上，材料内部发生再结晶，位错密度显著降低，塑性损伤被修复，残余应力得以消除，材料成形性能恢复至接近初始状态；冷却至室温后进行第二道次镦粗，此时材料已恢复高塑性状态，能够承受第二步变形而不产生裂纹；该工艺使最终成形时的主应变由一次成形的较高水平显著降低至安全区内，有效抑制了内外转角处宏观裂纹和微裂纹的萌生，解决了小尺寸不锈钢管接头室温大角度弯折成形中因塑性累积损伤导致的开裂问题；

33、2.感应加热方式利用电磁感应原理在工件内部直接产生热量，加热效率高、速度快，能够在数秒内将小尺寸管件的变形区域加热至再结晶温度以上；极短的加热时间使工件在敏化温度区间的停留时间极短，碳原子来不及向晶界大量扩散形成碳化铬，晶界附近铬含量得以保持在耐蚀性所需水平，从而有效尽量减少了晶间贫铬和晶间腐蚀风险；同时，极短的加热时间使得再结晶晶粒在形核后来不及长大，加热后的平均晶粒尺寸维持在细晶范围，尽量减少了传统长时间热处理中常见的晶粒粗化现象，保证了材料的强度、塑性和耐蚀性能不因热处理而劣化；

34、3.分体式结构与导向段协同作用，在保证装夹便捷性的同时确保了两道次变形的同轴度和最终产品的尺寸精度；该工艺无需气氛保护等隔绝措施，设备构成简单，与现有压力机等通用设备具有良好的适配性。