CN101745784B - 一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属材料加工工艺制造技术，具体介绍了一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，工艺包括在模具设计中增加坯料厚度，并相应增大模具间隙；下料；坯料前期处理、采用电炉加热至相变点以下20～50℃；模具预热至300±20℃；保证成形温度为合金锻造温度范围内，避免模具与坯料温差过大；多火次冲压最终完成成形工艺。本发明的工艺制作的产品满足了技术指标要求，相对于普通多火次成形，减少了至少一套模具的制造，并减少了生产中模具的换装工序，成本降低40％以上，生产周期提高50％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料加工工艺制造方法，特别是一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺。
背景技术
随着航空航天技术的发展，气瓶的使用环境越来越苛刻，性能要求越来越高。采用不锈钢材料制造的气瓶工作温度一般在-60℃～+60℃，压力30MPa，使用上有很大的局限性。为了提高压力等级，必须按照传统的方法增加壁厚，将使气瓶整体重量增加，这与增压减重的要求相背离，对航空航天产品的性能影响巨大。钛合金具有强度高、比重轻、耐腐蚀等优良特性，在航空、航天、船舶等领域大量使用。目前我国已经开展了多种钛合金气瓶的研制工作，例如我国研制的长征系列运载火箭上箭体和推进系统中均采用了多个存储高压气体的钛合金气瓶。国内钛合金气瓶目前主要采用封头形球壳焊接成形，球壳成形质量是影响气瓶性能的关键。钛合金成形过过程中存在变形抗力高、冷作硬化倾向明显、热成形温度范围窄、容易吸收有害气体等缺点，极容易造成成形时撕裂等问题，成形较为困难。国内钛合金气瓶采用的成形方式主要有以下几种：普通冲压成形、旋压成形等。
旋压成形需要专用设备，一次性投资较大，大批量产品利用旋压设备进行生产较为适宜。普通冲压成形采用液压机进行生产，每种规格产品一般要进行多次拉伸，每次拉伸在不同模具中进行，完成一次拉伸，需要更换模具进行下一次拉伸，因此采用通冲压成形成形需要加工多套模具，成形过程需要进行多次模具的换装，小批量成产时成本较高、模具加工周期长，模具换装工序繁琐。
上述方法一般需要专用设备及模具，适于大批量生产。研发阶段采用上述方法生产成本较高，周期较长，不能满足市场的需求。所以急需一种新的低成本、生产周期短的成形工艺解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，解决研发推广阶段钛合金气瓶用封头产品生产周期长，成本高等问题。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，包括：
(1)模具设计：
本设计采用一套模具进行冲压，相对于普通冲压成形，多火次冲压时，由于没有中间过度，坯料再次加热，重新放入模具时，会出现回弹，外形扩大，受力位置发生变化，容易产生偏心，坯料受力不均，封头成形薄弱位置减薄量更为明显，因此设计时适当增加坯料厚度，并相应增大模具间隙。实际设计中坯料壁厚及模具间隙按照如下公式确定：
t＝t0(1+0.5)+t1+t2
c＝1.1t
式中t：坯料壁厚，实际数值取整，单位：mm；
t0：零件壁厚，单位：mm；
t1：机加工量，取1mm；
t2：放置偏心量，取1mm；
c：模具间隙，单位：mm；
(2)下料：将所需钛合金板料用数控等离子火焰切割机下成圆形坯料，作为成形钛合金气瓶用封头的坯料。
(3)坯料前期处理，包括：
a、板料边部需打磨清理，去除周边火焰切割时产生的氧化以及周边毛刺。否则冲压时，此部位极易成为薄弱区域，产生撕裂。
b、板料冲压前将表面边部进行削斜处理，斜削角度为5-8°，边部最大削去厚度为坯料厚度的20％。以防止冲压过程边缘部分增厚，造成坯料与模具间摩擦阻力增大，坯料进入模具困难，极易造成坯料产生撕裂。
c、加热前需要将钛合金坯料表面清理干净，并涂覆润滑剂，以减小坯料与模具之间的摩擦阻力，隔绝坯料与外部直接接触，能防止坯料氧化及吸氢，并能降低冲压时坯料同模具接触过程中的温降。润滑剂能减小坯料与模具之间的摩擦阻力且对钛合金无不可逆的表面污染即可满足需要。
(4)加热：采用电炉加热，加热温度根据合金种类而定，加热温度为相变点以下20～50℃，坯料到温入炉，到温保温时间沿厚度方向1.5～4min/mm；采用电炉可以防止有害气氛对钛合金性能的破坏；同时仍需要避免炉内炉渣等对钛合金表面的污染，具体做法可以是炉内垫放不锈钢板。
(5)成形：成形前模具预热至300±20℃，保温足够时间后坯料迅速转移到液压机上进行冲压，成形过程采用激光测温仪对坯料表面测温，确保坯料温度处于锻造温度范围内，如温度低于合金锻造温度，则停止冲压，完成一火次冲压过程；立即取出坯料，回炉重新加热，以便再次进行压制；每火次终了，需加热模具以保证模具与坯料接触部位温度，这样可以避免模具与坯料温差过大，坯料局部激冷，造成坯料撕裂的后果；采用多火次冲压最终完成成形工艺。
所述的成形工序，再次压制时，坯料需小心放入模腔，尽量保证放置时坯料各个位置互相对称，以防止放偏，造成坯料与上次压制时接触位置变化过大，而易产生凹坑、撕裂等缺陷。
本发明的一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，其优选的技术方案是：所述的加热模具以保证模具与坯料接触部位温度具体措施是每火次终了后将在电炉内保温10min以上的一件钢料放入模腔对模具进行加热，以保证模具与坯料接触部位温度。
本发明的一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，其优选的技术方案是：所述的润滑剂是玻璃润滑剂FR5。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
采用本发明的一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺制作的钛合金气瓶用封头产品满足了各项技术指标的要求，相对于普通多火次成形，减少了至少一套模具的制造，并减少了生产中模具的换装工序，成本降低40％以上，生产周期提高50％以上。相对于采购专用设备进行生产，成本更低。采用本工艺，降低了研发成本，提高了产品交货期，满足了产品的各项性能指标要求，提高了产品进入市场的竞争力。
附图说明
图1是钛合金气瓶用封头产品示意图。
图2是钛合金气瓶用封头成形示意图。
图2中：1、上模，2、钛合金坯料，3、下模。模具装配在专用的油压机上，由上模、下模组成。成形时加热好的钛合金圆形坯料放入下模上部凹腔内，上模下行挤压坯料成形为封头毛坯。
具体实施方式
实施例1
本发明应用于Φ89规格的TC4钛合金封头，具体实施方式如下：
(1)零件壁厚5mm，根据技术方案的公式计算坯料壁厚取10mm，凸凹模间隙为11mm。
(2)采用等离子火焰切割下料，钛合金板料坯料尺寸为Φ1400 +4。
(3)下料后边部打磨，清理毛刺及氧化区域；边部进行消斜处理，边部最大削去厚度为2mm，角度8°；坯料表面涂覆FR5玻璃润滑剂。
(4)电炉加热，炉内垫放不锈钢，炉温设置为940±10℃，温度到达设定温度后，将坯料放入加热炉，到温保温时间15～40min。
(5)模具预热至300±20℃，第一次试验时采用激光测温仪进行表面测温，确保坯料成形温度保持在800℃以上，当坯料温度低于800℃，立即停止压制，取出坯料回炉重新加热。最终需要回炉两次，共三火次成形。
采用此种方法成功加工出满足要求的半球，并通过110Mpa压力爆破试验。本次产品为三套气瓶，常规工艺需要至少2套不同模具，进行多火次成形，采用此种工艺，模具减少1套，模具加工时间减少2周，生产效率提高50％，模具加工费及材料费的减少，使得成本降低40％以上。
实施例2
本发明应用于Φ189规格的TC4钛合金封头，具体技术方案如下：
(1)零件壁厚5mm，根据技术方案的公式计算坯料壁厚取10mm，凸凹模间隙为11mm。
(2)采用等离子火焰切割下料，钛合金板料坯料尺寸为Φ3050 +4。
(3)下料后边部打磨，清理毛刺及氧化区域；边部进行消斜处理，边部最大削去厚度为2mm，角度8°；坯料表面涂覆FR5玻璃润滑剂。
(4)电炉加热，炉内垫放不锈钢，加热至940±10℃，温度到达设定温度后，将坯料放入加热炉，到温保温时间15～40min。
(5)模具预热至300±20℃，第一次试验时采用激光测温仪进行表面测温，确保坯料成形温度保持在800℃以上，当坯料温度低于800℃，立即停止压制，取出坯料回炉重新加热。最终需要回炉三次，共四火次成形。
采用此种方法成功加工出满足要求的半球，并通过45Mpa压力爆破试验。本次产品为五套气瓶，常规工艺需要至少2套不同模具，进行多火次成形，采用此种工艺，模具减少2套，模具加工时间减少3～4周，生产效率提高50％以上，模具加工费及材料费的减少，使得成本降低55％以上。
实施例3
本发明应用于Φ124规格的TA2钛合金封头，具体技术方案如下：
(1)此种规格零件壁厚6.5mm，根据技术方案的公式计算坯料壁厚取12mm，凸凹模间隙为13.2mm。
(2)采用等离子火焰切割下料，钛合金板料坯料尺寸为Φ2000 +4。
(3)下料后边部打磨，清理毛刺及氧化区域；边部进行消斜处理，边部最大削去厚度为2.4mm，角度5°；坯料表面涂覆FR5玻璃润滑剂。
(4)电炉加热，炉内垫放不锈钢，加热至880±10℃，到温入炉，保温时间到温保温时间15～40min。
(5)模具预热至300±20℃，第一次试验时采用激光测温仪进行表面测温，确保坯料成形温度保持在700℃以上，当坯料温度低于700℃，立即停止压制，取出坯料回炉重新加热。最终需要回炉两次，共三火次成形。
采用此种方法成功加工出满足要求的半球，目前已经顺利交工，并通过压力爆破试验。本次产品为三套气瓶，常规工艺需要至少2套不同模具，进行多火次成形，采用此种工艺，模具减少1套，模具加工时间减少2周，生产效率提高50％，模具加工费及材料费的减少，使得成本降低40％以上。
Claims (3)
1.一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，其特征在于成形工艺包括：
(1)模具设计：坯料壁厚及模具间隙按照如下公式确定：
t＝t0(1+0.5)+t1+t2
c＝1.1t
式中t：坯料壁厚，实际数值取整，单位：mm；
t0：零件壁厚，单位：mm；
t1：机加工量，取1mm；
t2：放置偏心量，取1mm；
c：模具间隙，单位：mm；
(2)下料：将所需钛合金板料用数控等离子火焰切割机下成圆形坯料，作为成形钛合金气瓶用封头的坯料；
(3)坯料前期处理，包括：
a、板料边部需打磨清理，去除周边火焰切割时产生的氧化以及周边毛刺；
b、板料冲压前将表面边部进行削斜处理，斜削角度为5-8°，边部最大削去厚度为坯料厚度的20％；
c、加热前需要将钛合金坯料表面清理干净，并涂覆润滑剂；
(4)加热：采用电炉加热，加热温度为相变点以下20～50℃，坯料到温入炉，到温保温时间沿厚度方向1.5～4min/mm；
(5)成形：成形前模具预热至300±20℃，保温足够时间后坯料迅速转移到液压机上进行冲压，成形过程采用激光测温仪对坯料表面测温，确保坯料温度处于锻造温度范围内，如温度低于合金锻造温度，则停止冲压，完成一火次冲压过程；立即取出坯料，回炉重新加热，以便再次进行压制；每火次终了，需加热模具以保证模具与坯料接触部位温度；采用多火次冲压最终完成成形工艺。
2.根据权利要求1所述一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，其特征在于：所述的润滑剂是玻璃润滑剂FR5。
3.根据权利要求1所述一种钛合金气瓶用封头简易成形工艺，其特征在于：所述的加热模具以保证模具与坯料接触部位温度具体措施是每火次终了后将在电炉内保温10min以上的一件钢料放入模腔对模具进行加热。
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