[发明专利]金属棒的蠕变成形以及应力消除

说明书

技术领域

本发明涉及金属部件，更特别地是细长金属棒的热蠕变拉伸成形。更特别地，本发明涉及对通常难以拉伸卷绕成形的钛、钛合金和类似金属进行热拉伸卷绕成形。特别地，本发明涉及利用具有热绝缘、电气绝缘工作表面的模具对金属部件进行热拉伸卷绕成形。

背景技术

本发明涉及对在高温下形成的细长金属部件，尤其是通过挤压成形、锻压、辊压、机加工或其组合制造的钛合金制部件进行的热拉伸卷绕成形。钛合金由于其与相对轻质相结合的优异的机械和耐腐蚀性能而广泛用作航天材料。然而，众所周知的是，钛合金通常难以成形，并且需要加热到充分高的温度以便适当地形成这类部件。钛合金非常适合于在飞机的成型结构件中使用，但是这种结构件由于缺少形成这种成型构件的适用和经济可行的方法而受到极大限制。对这种部件的需要随着人们对例如高级飞机中的翼弦的轻质、高强度结构部件的希望而增加。

一种用于形成细长钛部件的现有方法称作＂冲击成形＂。这种方法包括在熔炉中将细长部件加热到预定温度，此时，将部件从熔炉中取出并放置在成形压力机的成形模上。压力机施加使部件产生局部变形的弯曲力。部件温度在成形过程中迅速降低，因此，成形阻力显著增大。因此，冲击成形需要反复加热循环以完成成形过程，这耗时并且昂贵。另外，由冲击成形引起的弯曲力矩使部件截面内的张应力位于中性轴以上，压应力位于中性轴以下，这在部件中分别产生裂缝和褶皱。部件内的相当大的应力梯度则使控制成形部件的几何结构变得很难。另外，由部件的复杂应力状况引起的局部变形加速内部显著残余应力的形成，需要利用昂贵夹具进行离线消除应力处理。冲击成形的缺陷在于缺少导向工具以不靠反复试验及误差法实现所需轮廓。同样难以保持例如沿着凸缘之间角度等的横截面的结构完整性。人们建议使用后热模精压(Post hot sizing)来提高成形部件的尺寸完整性。最后，冲击成形不能由计算机模拟进行检验。

尽管热拉伸卷绕成形的一般概念已经为人们已知了一段时间，但现有技术的方法不适合经济地形成由钛合金或难以成形的其它材料制成的部件。授权给Maloney的美国专利2,952,767公开了一种用于使细长棒拉伸卷绕成形的设备，所述细长棒通过电阻加热的方式加热并且卷绕由位于模具组件内的传统加热元件加热的金属模具。这种构造的主要问题是受热模具和金属部件在其彼此接触时发生于它们之间的电气短路效应，这造成部件局部过热和颈缩。

授权给Morris等的美国专利4,011,429注意到上述短路效应并且通过以并联方式电气连接模具和金属部件和使用相同电压对它们进行加热来通过电阻对模具和细长金属部件两者加热以解决上述问题。令人遗憾的是，这种构造不实用，因为并联加热模具和部件需要模具的复杂且受限制的昂贵构造。另外，这种方法需要将部件预先加热到远低于其成形温度的温度，而模具加热到成形温度，使得只有部件的接触部分在与模具接触时达到成形温度，这导致部件的接触部分和非接触部分之间不均匀的屈服强度。因为变形过程不均匀，所以极难保持成形部件的结构完整性以及将残余应力的形成减到最少。

本发明解决了这些和其它问题，如通过后续描述变得显而易见的那样。

发明内容

本发明提供了一种方法，包括将细长金属棒加热到处于适合金属棒蠕变的温度范围内的成形温度；以不大于0.05英寸/英寸/秒的应变率给受热金属棒施加拉伸力；和使受热金属棒卷绕模具以形成卷绕金属棒。

附图说明

图1是本发明的热蠕变拉伸成形设备的示意性顶部平面图，显示了位于模腔内的热绝缘和电气绝缘材料以及卷绕所述模具之前的金属棒。

图2是沿图1所示直线2-2剖开的剖视图，显示了模腔内的双层绝缘材料。

图3是与图2类似的剖视图，显示了插入模腔中的金属棒，并且绝缘材料使金属模具与金属棒隔开。

图4与图1类似，显示了从图1所示起始位置移动到图4所示完成位置以使细长棒卷绕模具工作表面的夹爪。

图5是与图3类似的视图，显示了处于打开位置的盖门和从模腔取出的拉伸卷绕成形金属棒。

图6是用于工业纯钛的示意性应力/温度图，其中，左边的数字表示标准化切应力，右边的数字表示20℃时的切应力，顶部数字表示以℃表示的温度，底部数字表示同系温度。

图7是示意图，显示了塑性变形区域，均匀变形区域和扩散变形区域。

图8是现有技术的金属棒的示意平面图，显示了由在热拉伸卷绕成形期间产生的应力引起的皱纹和裂纹。

图9与图8类似，显示了通过本发明的热拉伸卷绕方法形成的金属棒，显示出金属棒不会出现图8所示现有技术的金属棒的皱纹和裂纹。