CN103008997B - 一种钛合金筒形四层结构的超塑成形/扩散连接成形方法 - Google Patents

一种钛合金筒形四层结构的超塑成形/扩散连接成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钣金成形技术，涉及一种钛合金筒形四层结构的超塑成形/扩散连接成形方法。本发明通过采用新型毛坯结构形式和制坯方法，可靠实现了四层结构止焊剂涂敷、筒体定位等要求，降低了工艺工装的难度和复杂性，稳定可靠实现了钛合金筒形四层结构SPF／DB成形，提高了成形质量和工艺稳定性。将SPF/DB工艺方法从成形平板夹层结构拓展到了成形筒形回转夹层结构，扩大了该工艺的应用领域，可以实现了较好经济和技术效益。

Description

一种钛合金筒形四层结构的超塑成形/扩散连接成形方法
技术领域
本发明属于钣金成形技术，涉及一种钛合金筒形四层结构的超塑成形/扩散连接成形方法。
背景技术
筒体夹层结构作为导弹进气道、壳体典型结构形式，要求构件不仅满足同轴度、圆度等外形尺寸精度要求，更需要其满足轻质、高强、密封、隔热等特殊使用性能要求，制造过程复杂，难度较大。筒体夹层结构的传统制造方式为蒙皮骨架焊接、铆接方式，如图1所示。首先，通过机加或者铸造等方式成形钛合金内部骨架2，再将骨架2与蒙皮1焊接、铆接成为整体，形成内外蒙皮和框架的空心夹层结构。
对于蒙皮骨架焊接或铆接这种传统制造方式，其制造工艺包括蒙皮1和骨架2成形，铸造的骨架2为了保证精度，通常还要进行机械加工，不仅工艺复杂，而且厚度大，结构超重。而对于传统的蒙皮成形，无法做到复杂外形，经常要分块成形，导致整体性不好。另外蒙皮1和骨架2在焊接、焊后热处理或铆接过程容易产生变形，使构件外形尺寸精度难以保证。
相比之下，采用超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺进行筒形夹层结构成形具有整体性好、可显著减少结构零件数量、构件尺寸精度高、设计自由度好等优点。SPF/DB构件的基本结构形式包括四种：超塑成形(SPF)单层结构、SPF/DB双层结构、三层结构以及四层结构。SPF/DB多层结构最常见的应用是用于平板外形以及小曲率的曲面外形夹层零件，其中典型平板四层结构如图2所示。对于圆筒形等一些回转类夹层结构件，传统平板多层结构SPF/DB成形工艺已经无法实现。尤其是对于筒体夹层结构，传统的制造方式为蒙皮骨架焊接、铆接方式，存在铸造骨架厚度大，结构超重，蒙皮、骨架在焊接、铆接过程容易产生变形，使构件外形尺寸精度难以保证，整体性差等缺点。而传统SPF/DB成形工艺只能成形平板多层结构，无法实现圆筒形等一些回转类夹层结构件的成形。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够对钛合金筒形四层结构进行超塑成形/扩散连接成形的工艺方法。本发明的技术解决方案是：
(1)单筒制备
(1.1)制备外筒
根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.2)制备第一个芯筒
按照外层筒内径与第一个芯筒外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第一个芯筒下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.3)制备第二个芯筒
按照第一个芯筒内径与第二个芯筒外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第二个芯筒下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.4)制备内筒
按照第二个芯筒内径与内筒外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
将焊接好的四个单筒分别装入相应的热胀形模具进行热校形，将各个单筒校形到相应尺寸；
(2)筒体止焊剂图形制备
对各个单筒进行表面酸洗处理，将酸洗后的第二个芯筒固定在分度头工装上，根据所需立筋数量在第二个芯筒的外壁上进行分度划线，根据划线留好立筋扩散区；在第二个芯筒10的外壁上手工覆膜，并按照分度划线刻形，然后去除非扩散区的覆膜并在该区涂敷止焊剂；
(3)筒体装配
按照外筒-第一个芯筒-第二个芯筒-内筒的顺序将四个单筒依次套装，套好后先采用氩弧焊点焊的方式将四个单筒进行固定，然后对装配好的四层结构筒两端面进行封焊，并留好内外层进排气道，在进排气道口上焊接气管；
(4)筒体超塑成形/扩散连接
将封焊完成的四层结构筒毛坯装入超塑成形模具，放入超塑成形设备进行超塑成形/扩散连接，成形工艺条件为温度910-920℃，成形压力1.5Mpa；
(5)炉冷取件
关闭加热和机床液压泵，加热炉自然冷却，取出零件竖直放入保温箱内缓冷，成形完毕。
所述超塑成形模具的结构是，模具包括5个部分，分别是胀芯、胀瓣、外模、套环和托盘，其中胀芯为带圆盘的锥体，胀瓣由中心带锥孔的圆柱体沿对称轴切割为4瓣或6瓣形成，胀芯的锥角与胀瓣中心锥孔的锥角相同，外模为带内部型腔的圆环，外模沿对称轴切割为4瓣，采用上下两个套环固定，托盘为一个圆盘，置于胀芯、胀瓣、外模、套环和筒体毛坯的下方。
本发明具有的优点和有益效果，
本发明首次提出了一种四层结构筒体SPF/DB工艺方法和具有胀形功能的SPF/DB回转夹层结构成形模具结构，可以实现筒形回转四层结构的制备。相比传统制造工艺，采用该工艺方法制造的筒形回转夹层结构具有结构重量更轻，整体性更好，尺寸精度更高，结构设计自由度更大等优点。
本发明通过采用新型毛坯结构形式和制坯方法，可靠实现了四层结构止焊剂涂敷、筒体定位等要求，降低了工艺工装的难度和复杂性，稳定可靠实现了钛合金筒形四层结构SPF/DB成形，提高了成形质量和工艺稳定性。将SPF/DB工艺方法从成形平板夹层结构拓展到了成形筒形回转夹层结构，扩大了该工艺的应用领域，可以实现了较好经济和技术效益。
附图说明
图1现有技术中蒙皮骨架铆(焊)接筒形结构示意图；
图2是SPF/DB四层平板构件的基本结构示意图；
图3是本发明工艺流程框图；
图4含胀形功能的SPF/DB回转夹层结构成形模具结构示意图；
图5是筒形四层结构毛坯结构示意图；
图6是采用本发明方法制备的四层结构筒体结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的四层结构筒体成形方法其流程见图3。
(1)单筒制备
(1.1)制备外筒8
根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒8下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.2)制备第一个芯筒9
按照外层筒内径与第一个芯筒9外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第一个芯筒9下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.3)制备第二个芯筒10
按照第一个芯筒内径9与第二个芯筒10外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第二个芯筒10下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.4)制备内筒11
按照第二个芯筒10内径与内筒11外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒11下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
将焊接好的四个单筒分别装入相应的热胀形模具进行热校形，将各个单筒校形到相应尺寸；
(2)筒体止焊剂图形制备
对各个单筒进行表面酸洗处理，将酸洗后的第二个芯筒10固定在分度头工装上，根据所需立筋数量在第二个芯筒10的外壁上进行分度划线，根据划线留好立筋扩散区；在第二个芯筒10的外壁上手工覆膜，并按照分度划线刻形，然后去除非扩散区的覆膜并在该区涂敷止焊剂；
(3)筒体装配
按照外筒8-第一个芯筒9-第二个芯筒10-内筒11的顺序将四个单筒依次套装，套好后先采用氩弧焊点焊的方式将四个单筒进行固定，然后对装配好的四层结构筒两端面进行封焊，并留好内外层进排气道，在进排气道口上焊接气管；
(4)筒体超塑成形/扩散连接
将封焊完成的四层结构筒毛坯装入超塑成形模具，放入超塑成形设备进行超塑成形/扩散连接，成形工艺条件为温度910-920℃，成形压力1.5Mpa；
(5)炉冷取件
关闭加热和机床液压泵，加热炉自然冷却，取出零件竖直放入保温箱内缓冷，成形完毕。
所述超塑成形模具的结构是，模具包括5个部分，分别是胀芯3、胀瓣4、外模5、套环6和托盘7，其中胀芯3为带圆盘的锥体，胀瓣4由中心带锥孔的圆柱体沿对称轴切割为4瓣或6瓣形成，胀芯3的锥角与胀瓣4中心锥孔的锥角相同，外模5为带内部型腔的圆环，外模5沿对称轴切割为4瓣，采用上下两个套环6固定，托盘7为一个圆盘，置于胀芯3、胀瓣4、外模5、套环6和筒体毛坯的下方。
实施例
1.采用TC4钛合金超塑性板材，内外筒和芯筒板厚均为1mm；进行了单个筒体的制备，其单筒内径如表1所示。
表1 各层筒子的内径分布
筒子 外筒8 第一个芯筒9 第二个芯筒10 内筒11
内径 207mm 204mm 200mm 197mm
(1)单筒制备
(1.1)制备外筒8
根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒8下料尺寸为659×210mm，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.2)制备第一个芯筒9
按照外层筒内径与第一个芯筒9外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第一个芯筒9下料尺寸为650mm×210mm，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.3)制备第二个芯筒10
按照第一个芯筒内径9与第二个芯筒10外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第二个芯筒10下料尺寸为638mm×210mm，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.4)制备内筒11
按照第二个芯筒10内径与内筒11外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒11下料尺寸为628mm×210mm，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
将焊接好的四个单筒分别装入相应的热胀形模具进行热校形，将各个单筒校形到相应尺寸；
(2)筒体止焊剂图形制备
对各个单筒进行表面酸洗处理，将酸洗后的第二个芯筒10固定在分度头工装上，根据所需立筋数量在第二个芯筒10的外壁上进行分度划线，根据划线留好立筋扩散区；在第二个芯筒10的外壁上手工覆膜，并按照分度划线刻形，然后去除非扩散区的覆膜并在该区涂敷止焊剂；
(3)筒体装配
按照外筒8-第一个芯筒9-第二个芯筒10-内筒11的顺序将四个单筒依次套装，套装时为了避免芯筒的外壁上的止焊剂图形划伤，同时对芯筒和内筒扩散区相对位置匹配固定，将预先制造的分隔环固定在芯筒的两端，套装时先将芯筒套在内筒外，再将外筒套在芯筒外，通过分隔环控制筒之间的间隙和芯筒和内外筒的相对位置，固定好后先采用氩弧焊点焊的方式将四个单筒进行固定，然后对装配好的四层结构筒两端面进行封焊，并留好内外层进排气道，在进排气道口上焊接气管；
(4)筒体超塑成形/扩散连接
将封焊完成的四层结构筒毛坯装入超塑成形模具，放入超塑成形设备进行超塑成形/扩散连接，成形工艺条件为温度910-920℃，成形压力1.5Mpa；当模具平均温度达到成形工艺条件为温度910℃，施加机床压力，同时，外层以加压速度为0.05MPa/分钟的速度通入氩气进行外筒成形，加压至1.5MPa，保压0.5小时，对芯筒进行扩散连接。外层保压结束后，将外层压力缓慢卸掉，关闭外层进气，打开外层放气，对芯筒进行加压成形，以0.05MPa/分钟的速度加压至0.8MPa保压10分钟，继续以0.1MPa/分钟的速度加压至1.5MPa，保压2小时，对芯筒和内外筒进行扩散连接。
(5)炉冷取件
关闭加热和机床液压泵，加热炉自然冷却。当模具温度降至350±10℃时，将加热炉推出机床加压平台，吊走加热炉上平台，吊起压锥，拆掉内部胀芯和外壳分瓣，取出零件竖直放入保温箱内缓冷。
2.含胀形功能的SPF/DB回转夹层结构成形模具设计
含胀形功能的SPF/DB回转夹层结构成形模具形式如图4所示。模具共分为五部分，分别为胀芯3、胀瓣4、外模5、套环6和托盘7。为满足尺寸精度存在偏差的回转毛坯装模需求，成形模具胀芯3设计为锥形结构，假设锥角为θ0，毛坯胀形过程中，胀芯3下降高度h与毛坯胀形半径增加量r1-r0有正切对应关系，r1-r0＝d×tg(θ/2)。
为方便零件出装炉，超塑成形模具的外模5及胀瓣4均设计为回转分瓣结构。外模5为四等分结构，胀瓣4分成八瓣，含四个大胀瓣和四个小胀瓣，大胀瓣主要用于形状及圆度保证，角度为60°，小胀瓣设计为锥楔形结构，角度为150°，主要用于筒体毛坯的圆度调整和少量胀形。
套环6用于锁紧外模5、胀瓣4、毛坯位置，套环6与外模5之间存在位置间隙，可用于调整外模5、胀瓣4和毛坯之间的位置关系。

Claims (1)

1.一种钛合金筒形四层结构的超塑成形/扩散连接成形方法，其特征是：
(1)单筒制备
(1.1)制备外筒(8)
根据最终成形零件的外形尺寸计算外筒(8)下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.2)制备第一个芯筒(9)
按照外层筒内径与第一个芯筒(9)外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第一个芯筒(9)下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.3)制备第二个芯筒(10)
按照第一个芯筒(9)内径与第二个芯筒(10)外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算第二个芯筒(10)下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
(1.4)制备内筒(11)
按照第二个芯筒(10)内径与内筒(11)外径之间间隙为0.5mm-1mm的要求，计算内筒(11)下料尺寸，按该下料尺寸切割钛合金板材，将此板材料滚弯成筒形，采用激光焊或氩弧焊对对接缝进行焊接；
将焊接好的四个单筒分别装入相应的热胀形模具进行热校形，将各个单筒校形到相应尺寸；
(2)筒体止焊剂图形制备
对各个单筒进行表面酸洗处理，将酸洗后的第二个芯筒(10)固定在分度头工装上，根据所需立筋数量在第二个芯筒(10)的外壁上进行分度划线，根据划线留好立筋扩散区；在第二个芯筒(10)的外壁上手工覆膜，并按照分度划线刻形，然后去除非扩散区的覆膜并在该区涂敷止焊剂；
(3)筒体装配
按照外筒(8)-第一个芯筒(9)-第二个芯筒(10)-内筒(11)的顺序将四个单筒依次套装，套好后先采用氩弧焊点焊的方式将四个单筒进行固定，然后对装配好的四层结构筒两端面进行封焊，并留好内外层进排气道，在进排气道口上焊接气管；
(4)筒体超塑成形/扩散连接
将封焊完成的四层结构筒毛坯装入超塑成形模具，放入超塑成形设备进行超塑成形/扩散连接，成形工艺条件为温度910-920℃，成形压力1.5Mpa；
(5)炉冷取件
关闭加热炉和机床液压泵，加热炉自然冷却，取出零件竖直放入保温箱内缓冷，成形完毕；
所述超塑成形模具的结构是，模具包括5个部分，分别是胀芯(3)、胀瓣(4)、外模(5)、套环(6)和托盘(7)，其中胀芯(3)为带圆盘的锥体，胀瓣(4)由中心带锥孔的圆柱体沿对称轴切割为4瓣或6瓣形成，胀芯(3)的锥角与胀瓣(4)中心锥孔的锥角相同，外模(5)为带内部型腔的圆环，外模(5)沿对称轴切割为4瓣，采用上下两个套环(6)固定，托盘(7)为一个圆盘，置于胀芯(3)、胀瓣(4)、外模(5)、套环(6)和筒体毛坯的下方。
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