CN101780624A - 一种钛合金蜗壳件成型方法 - Google Patents

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张永强
万自永
赵国超
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Abstract

本发明涉及一种板制金属异性件加工方法,具体介绍了一种钛合金蜗壳件成型方法,包括根据蜗壳件设计图,计算出坯料外圆、内圆尺寸;下料;模具设计时模具型腔应缩尺3%~7%,加工方法采用数控加工中心加工,模具硬度应≥HRC45;成型采用多道次热拉深成型;机加工及表面处理,得到金属蜗壳件。本发明采用多道次热拉深成型工艺加工钛合金蜗壳件;用防高温氧化涂料对钛合金薄板表面进行涂覆,实现钛材在普通电阻炉内加热;找到了模具设计时的模腔缩尺范围;在坯料局部开工艺缝,避免和消除成型中出现局部撕裂;实现了钛合金蜗壳件的工业化小批量生产,产品质量达到了国外发达国家同类产品水平,解决了航空工业急需。

Description

一种钛合金蜗壳件成型方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种板制金属异性件加工方法,特别是一种钛合金蜗壳件成型方法。
背景技术
[0002] 钛合金密度小、强度高、屈强比高,尤其耐腐蚀性能优异,在航空、航天、船舶等领 域有着极其广泛的应用。但钛合金尤其如TC4这样的双相钛合金材料,因其强度更高、屈强 比也高、弹性模量较小,仅相当于不锈钢的一半,这使之在成形复杂断面如蜗壳形构件时技 术难度较大,此类钛合金蜗壳件的传统成型工艺是采用铸造成型,但在航空、航天领域,构 件的重量大小被严格控制,铸件因壁厚较厚而导致重量较大,不宜采用,因而薄板成型后的 焊接结构件成为研究方向。拉深成型工艺已在铝、铜、钢等普通金属件成型中有所应用,但 用于钛合金尤其如TC4这样的双相钛合金材料的变截面复杂构件成型还未见报道,加工技 术在国内尚属空白。将拉深成型工艺用于高强钛合金变截面复杂构件成型还有许多关键技 术和相应的工艺参数需要解决和摸索,如:成型方式——是采用冷成型还是热成型,如采用 热成型,成型时为防止材料表面氧化而采取的保护措施,拉深成型的拉深道次,材料回弹量 与模具型腔尺寸的关系等均需进行探索性研究。
[0003] 近几年随着国家对航空业的重视和国产大型飞机研制的立项,钛合金用量也不断 增长,飞机发动机某配套部件的壳体是一种蜗壳形构件,此结构件在国外用类似于国内双 相钛合金TC4加工制作,主要是利用TC4材料轻质、耐高温及优异的耐蚀性能,同时为满足 飞机用构件必须严格控制重量这一特点,壳体采用了两块薄板成型的蜗壳式半构件组焊制 成。
[0004] 该TC4蜗壳件壳体采用两半蜗壳式构件组焊制成,因此蜗壳件具有变截面、高精 度等特点,加上TC4合金的高强特性等,使得此构件的成型难度极大。此前此类构件均以成 品形式从国外进口,国内尚无此产品的研究和加工报道,其加工技术尚属空白。本发明的主 要目的是为了实现该TC4蜗壳件品国产化,使其相关的关键制造技术具有自主知识产权, 同时在未来创造良好经济效益。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金蜗壳件成型方法。
[0006] 本发明进一步解决的技术问题是提供的钛合金蜗壳件成型方法能够结合蜗壳件
的形状特点,避免和消除成型中因应力集中而出现局部撕裂的现象。
[0007] 本发明进一步解决的技术问题还包括提供的钛合金蜗壳件成型方法能够成型时 防止材料表面氧化。
[0008] 本发明进一步解决的技术问题还包括提供的钛合金蜗壳件成型方法能够针对钛 合金弹性模量小成型时回弹大的特点,解决钛合金蜗壳件成型模具设计时的模腔縮小问 题。
[0009] 为了实现解决上述技术问题的目 的,本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,包括
3以下步骤:
[0010] (1)、坯料计算
[0011] 根据蜗壳件设计图,按公式1和2分别计算出坯料外圆、内圆尺寸。
[0012] 公式1 :R。 = Ral+ji/4Da + A
[0013] 公式2 :ra = Ral-Ji/4Da_A
[0014] Ra—坯料a角度处外半径,单位:mm
[0015] Ral——蜗壳件本身a角度处中心半径,单位:mm
[0016] Da——蜗壳件本身a角度处截面直径,单位:mm
[0017] ra——坯料a角度处内半径,单位:mm
[0018] A——坯料内外周边余量,单位:mm
[0019] (2)、下料
[0020] 将成分及性能复验合格的TC4钛合金板材先用剪板机或等离子切割机切成一定 尺寸的方板,然后再用线切割机按坯料计算环节所计算的坯料尺寸割出半蜗壳件所用毛坯 料,坯料在对应于蜗壳件圆弧与直管部交叉处,也就是成型时应力集中最大部位,开工艺缝 以防止成型时蜗壳件在此处撕裂,毛坯料形状示意图见附图2。 [0021] (3)、模具设计及加工
[0022] 模具设计时首先考虑钛合金的弹性模量影响,模具型腔应縮尺3%〜7% ;加工方 法采用数控加工中心加工,模具硬度应^ HRC45。 [0023] (4)成型,其中包括
[0024] A、坯料加热及表面保护:为避免钛合金材料表面氧化,首先在毛坯料表面涂覆经 优选适于钛合金材料的防高温氧化涂料,涂层厚度0. 05〜0. 5mm,加热电阻炉升温度至 900°C〜105(TC,坯料待炉温升至规定温度后装炉,保温10分钟以上,优选10〜20分钟。 [0025] B、热拉深成型:成型模具的上下模底板分别与双动油压机上下工作平台联接,为 减小工件起皱,工件坯料与下模间有压边圈,压边圈与双动油压机压边柱塞工作平台联接; 将加热至900°C〜105(TC的钛合金薄板毛坯放入下模,首先压边柱塞下行,压住坯料外周 边,然后设备主柱塞下行开始热拉深成型,成型应采用多道次拉深成型,优选3〜5次。 [0026] (5)、机加工及表面处理
[0027] 将已成型好的半蜗壳件毛坯按图纸要求尺寸进行机加工,然后再进行表面处理, 清除表面的污物等,获得材料本来金属光泽,得到金属蜗壳件。
[0028] 本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,其优选的技术方案可以是:所述的防高温 氧化涂料为HBC-12,涂层厚度0. 05〜0. 3mm。
[0029] 本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,其优选的技术方案可以是:所述的多道次 拉深成型成型次数应^ 3次,其成型具体方法是每次变形量控制在20〜35%之间,第一次 变形后,将坯料再放回加热炉加热至90(TC〜105(TC,然后进行下次变形,直至最终成型。 [0030] 本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,其优选的技术方案可以是:所述的工艺缝 长5〜15mm、宽度3〜10mm。
[0031] 本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,其优选的技术方案可以是:所述的模具材 料选用热作模具钢5CrNiMo。
[0032] 本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,其优选的技术方案可以是:所述的表面处理方法是表面喷丸处理。表面喷丸处理采用普通喷砂机,优选80〜120目玻璃丸。
[0033] 这些技术方案,包括优选的技术方案可以互相组合或者结合,从而达到更好的技
术效果。
[0034] 通过采用上述技术方案,本发明具有以下的有益效果:
[0035] 本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法,创新性的采用多道次热拉深成型工艺成型 钛合金蜗壳件,成型次数应^ 3次;同时创新性的找到了适于钛合金的防高温氧化涂料对 钛合金薄板表面进行涂覆,摸索出了相应的涂层厚度范围,实现了钛材薄板在普通电阻炉 内加热,为热拉深成型提供了简单可行的前提保障条件;针对钛合金弹性模量小成型时回 弹大的特点,创新性的找到了钛合金蜗壳件成型模具设计时的模腔縮尺范围;结合蜗壳件 的形状特点,采用在坯料局部开适当工艺缝的特殊工艺方法,避免和消除成型中因应力集 中而出现局部撕裂的现象。本发明实现了飞机发动机用某型钛合金蜗壳件的工业化小批量 生产,产品质量达到了国外发达国家同类产品水平,改变了此类产品长期依赖国外进口的 被动局面,解决了航空工业急需。
附图说明
[0036] 图1是本发明的一种钛合金蜗壳件成品示意图。
[0037] 图2是本发明的一种钛合金蜗壳件成品正视示意图。
[0038] 图3是本发明的一种钛合金蜗壳件成品左视示意图。
[0039] 图4是本发明的一种钛合金蜗壳件成品后视示意图。
[0040] 图5是图2的B-B剖面示意图。
[0041] 图6是本发明的一种钛合金蜗壳件坯料形状示意图。
[0042] 图7是本发明的一种钛合金蜗壳件成型方法成型模具示意图。
[0043] 图中:1、上模底板,2、上模,3、压边圈,4、钛合金薄板毛坯,5、下模,6、下模底板,7、
工艺缝。
具体实施方式 [0044] 实施例1
[0045] 本发明已用于飞机发动机用某型钛合金蜗壳件的工业化小批量生产,蜗壳件质量 及各种形状尺寸、性能、组织等均满足设计使用要求。
[0046] (1)坯料计算:按图1所示的某型钛合金蜗壳件,产品设计厚度为2mm,选2mm TC4
薄板作坯料,然后将蜗壳件不同角度a处的相应参数带入公式1和2分别计算出坯料外
圆、内圆尺寸。坯料示意图见图6。
[0047] 公式1 :Ra = Ral+ji/4Da + A
[0048] 公式2 :ra = Ral-Ji/4Da_A
[0049] Ra——坯料a角度处外半径;单位:mm
[0050] Ral—蜗壳件本身a角度处中心半径;mm
[0051] Da——蜗壳件本身a角度处截面直径;mm
[0052] ra——坯料a角度处内半径;mm
[0053] A——坯料内外周边余量;mm,计算时根据实际的剪切情况A取5〜25mm[0054] (2)下料:经计算坯料轮廓尺寸的最大值约280mm,所以,先用剪板机将板材切成 约280X280mm方块料,然后再用线切割机按计算所得坯料不同部位的详细轮廓尺寸割出 备成型如图6所示半蜗壳件所用毛坯料,并在坯料对应于蜗壳件圆弧与直管部交叉处开一 条长5〜15mm、宽3〜10mm工艺缝7。
[0055] (3)模具设计及加工:设计模具时,型腔尺寸比工件要求尺寸縮尺3%〜7%,模具 材料选用热作模具钢5CrNiMo,加工方法采用数控加工中心加工,模具硬度约HRC45。如图 7所示:上模底板1与双动油压机上工作台连接,压边圈3与双动油压机压边缸连接,下模 底板6与双动油压机下工作台连接。
[0056] (4)成型:成型设备使用315t双动油压机、45KW电阻炉等,模具装配参见图7,包 括上模底板1 、上模2 、压边圈3 、钛合金薄板毛坯4、下模5 、下模底板6 ,上模底板1与双动油 压机上工作台连接,压边圈3与双动油压机压边缸连接,下模底板6与双动油压机下工作台 连接。成型前先将坯料加热炉升温至90(TC〜105(TC,然后将表面涂覆有厚0. 05〜0. 3mm HBC-12高温防氧化涂层的毛坯料入炉加热,并保温10〜20分钟,成型前将成型模具预热至 45(TC左右后开始成型。在毛坯料放入下模后,首先压边柱塞下行,压住坯料外周边,然后设 备主柱塞下行,成型应采用多道次拉深成型。具体工艺参数见工艺试验结果见表1。 [0057] (5)机加工及表面处理:将已成型好的半蜗壳件毛坯按工件图纸要求尺寸进行机 加工,机加工时先将半蜗壳件毛坯固定于专用夹具内,然后进行车加工。机加工后再进行表 面喷丸处理,清除表面的污物等,获得材料本来金属光泽,使工件成为最终所需半蜗壳件成
[0058] 按以上步骤及工艺方法进行试验的试验结果见表1。
[0059] 表1
[0060]
<table>table see original document page 6</column></row> <table>
[0061] 蜗壳件形状尺寸满足设计要求,蜗壳件成品率达到90%以上,小批量生产证明此 工艺实用、可行。

Claims (6)

  1. 一种钛合金蜗壳件成型方法,其特征在于包括以下步骤:1)、坯料计算:根据蜗壳件设计图,按公式1和2分别计算出坯料外圆、内圆尺寸,坯料示意图见图2。公式1:Ra=Rα1+π/4Da+Δ公式2:rα=Rα1-π/4Dα-ΔRα——坯料α角度处外半径;单位:mmRa1——蜗壳件本身α角度处中心半径;mmDα——蜗壳件本身α角度处截面直径;mmrα——坯料α角度处内半径;mmΔ——坯料内外周边余量;mm2)、下料:将成分及性能复验合格的TC4合金板材先用剪板机或等离子切割机切成一定尺寸的方板,然后再用线切割机按坯料计算环节所计算的坯料尺寸割出半蜗壳件所用毛坯料,坯料在对应于蜗壳件圆弧与直管部交叉处,开长5~15mm、宽3~10mm的工艺缝(7);3)、模具设计及加工:模具设计时模具型腔应缩尺3%~7%;加工方法采用数控加工中心加工,模具硬度应≥HRC45;4)成型,其中包括A、坯料加热及表面保护:首先在毛坯料表面涂覆经优选适于钛合金材料的防高温氧化涂料,涂层厚度0.05~0.5mm,加热电阻炉升温度至900℃~1050℃,坯料待炉温升至规定温度后装炉,保温10分钟以上。B、热拉深成型:成型模具的上下模底板(1)(6)分别与双动油压机上下工作平台联接,工件坯料与下模(5)间有压边圈(3),压边圈(3)与双动油压机压边柱塞工作平台联接;将加热至900℃~1050℃的钛合金薄板毛坯(4)放入下模(5),首先压边柱塞下行,压住钛合金薄板毛坯(4)外周边,然后设备主柱塞下行开始热拉深成型,成型应采用多道次拉深成型。5)、机加工及表面处理:将已成型好的半蜗壳件毛坯按图纸要求尺寸进行机加工,然后再进行表面处理,清除表面的污物等,获得材料本来金属光泽,得到金属蜗壳件。
  2. 2. 根据权利要求1所述一种钛合金蜗壳件成型方法,其特征在于:所述的防高温氧化 涂料,涂层材料为HBC-12,厚度0. 05〜0. 5mm。
  3. 3. 根据权利要求1所述所述一种钛合金蜗壳件成型方法,其特征在于:所述的多道次 拉深成型成型次数应^ 3次,其成型具体方法是每次变形量控制在20〜35%之间,第一次 变形后,将坯料再放回加热炉加热至规定温度,然后进行下次变形,直至最终成型。
  4. 4. 根据权利要求1所述所述一种钛合金蜗壳件成型方法,其特征在于:所述的工艺缝 宽度3〜10mm。
  5. 5. 根据权利要求1所述所述一种钛合金蜗壳件成型方法,其特征在于:所述的模具材 料选用热作模具钢5CrNiMo。
  6. 6. 根据权利要求1所述所述一种钛合金蜗壳件成型方法,其特征在于:所述的表面处 理方法是金属表面喷丸处理。
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