CN103111587B - 一种钛合金箱体箱盖合一的制造方法 - Google Patents

Abstract

本专利介绍了一种钛合金箱体箱盖合一的制造方法，其特征是：设计一个把箱体和箱盖合在一起的零件；将设计的零件进行铸件生产；对产品进行热等静压处理；对生产出的铸件或者热等静压处理后的铸件用线切割的方法进行切割分离，使其成为箱体和箱盖两个零件；零件分别进行尺寸检验；表面质量检查；内部X射线探伤检查；退火处理；终检和验收。本发明通过将箱体和箱盖合二为一铸造，减少了其中一个铸件的模具设计和制造费用；两个件合在一起变成了一个封闭的结构，消除了平板类铸件铸造冷却凝固过程造成的变形；两个件的外形尺寸绝对一样，节约了后期修整的费用和工时。

Description

一种钛合金箱体箱盖合一的制造方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金加工技术，特别是一种钛合金箱体箱盖合一的制造方法。

背景技术

目前，在各个领域的机械设计中，存在着许多这样的结构：在箱体（或者叫壳体）内部装入其它零件，然后用盖子将箱体盖住封闭起来，箱体和盖是两个独立的零件，要求箱体和箱盖得外形尺寸相等，整齐美观，箱体和箱盖铸造成形。而传统的制造方法是生产商按照设计的要求箱体和箱盖分别铸造成形。该制造方法的弊端有两个：一是在铸造成形的过程中箱体和箱盖的收缩不一样导致其外形尺寸不相等，箱盖盖到箱体上外形不整齐，往往采用手工修整或者机加工的方法将其修复使其配合良好；二是箱盖属于平板类铸件在铸造的过程中存在较大变形，需要增加校正变形的工序。二者不仅增加了制造的成本，还对于缩短产品的生产周期非常不利，不符合现代化生产的管理理念。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金箱体箱盖合一的制造方法，使得铸出的箱体和箱盖铸件尺寸完全一样，不需要后期的修正或者机加工，铸出的箱盖没有变形，减少制造的成本和工期，以提高企业的竞争力。

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箱体箱盖合一的制造方法，将箱体和箱盖合成一个零件铸造，然后用线切割的方法将其分离，变成两个铸件，具体步骤如下：

一、设计一个把箱体和箱盖合在一起的零件：

合体零件的内部结构是箱体的内部结构和箱盖的下半部分，外部轮廓是箱体和箱盖一致的轮廓，上面结构是箱盖的上部，下部结构是箱体的下部，合体零件的高度是箱体和箱盖的高度之和加放3~4mm的加工余量，中部加0.2mm的线切割量；

二、将设计的零件进行铸件生产：

1、模具材料选用人造石墨做造型材料；

 2、模具分为上型、中型、下型、芯子四大部分，铸件的主要结构由中型形成，内腔结构由芯子形成，由数控铣床完成个部分的加工，上下型设置止口装配在一起防止错型，芯子上设置上芯头下芯头和上下型装配在一起；

    3、浇注系统设计：铸件采用水平位置放置浇注，主浇道通过铸件的中心部位到达底部，4根横浇道通向铸件的四周；

    4、人造石墨模具的高温除气：浇注以前要对人造石墨模具进行高温除气；优选的工艺参数是：900℃±20℃保温4小时，真空度要求≤5Pa；

    5、材料制备：

按照GB/T15073-94《铸造钛及钛合金牌号和化学成分》要求，在ZH200型真空自耗电极电弧炉中制备ZTA5钛锭；

6、真空浇注：将除过气的模具放在ZN-150型真空自耗电极凝壳炉中，真空度达到1x10^-2Pa开始熔炼浇注；浇注完成后随炉冷却2小时后出炉；

7、清整：铸件出炉后移去上下型和中型，清理掉芯子，去除浇道，然后对铸件表面的毛刺飞边进行打磨，完成设计零件的铸造生产；

三、对产品进行热等静压处理：热热等静压处理的工艺参数是：温度 920℃±10℃，压力100~140MPa，保温2.0~2.5小时，随炉冷却至300℃以下出炉；等静压的目的有二：一是改善铸件的内部质量，二是消除铸造过程中的应力，防止在线切割时引起变形；

四、对生产出的铸件或者热等静压处理后的铸件用线切割的方法进行切割分离，使其成为箱体和箱盖两个零件；

线切割可以将铸件竖放，因铸件的外形不规则，所以要在铸件的外部点焊上工艺垫块，保证铸件放置平稳，装夹牢固，线切割时铸件固定不动；

五、对箱体和箱盖两个零件分别进行尺寸检验；表面质量检查；内部X射线探伤检查；

六、对箱体和箱盖两个零件进行退火处理；

具体的热处理工艺可以为：620℃±10℃，保温1.5小时；真空度要求≤0.13MPa，随炉冷却至300℃以下出炉；这是因为在零件的铸造过程线切割过程都会产生应力，需要通过热处理的方法消除应力；

七、终检和验收。

具体的，本专利的钛及钛合金铸件的浇注系统采用底注式。不采用顶注式浇注系统是因为用顶注的浇注系统，铸型中释放出上冒的气体会于进入型腔的金属流搅混在一起，最终造成铸件上产生大的气缩孔。同时金属流动不平稳，铸件表面易产生流痕冷隔铁豆等缺陷。

钛及钛合金具有一系列特点：它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能、并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低但是它具有很高的化学活性等，在较高的温度下，可与许多元素及化合物发生反应。钛的熔炼必须在真空中或惰性气体保护下进行，通常采用真空熔炼。在真空熔炼时，用真空或氩气氛可防止大气污染用水冷铜坩埚控制坩埚的温度，使熔炼时钛于铜不发生反应，保持惰性，使熔融钛安全地冷凝在水冷铜坩埚中。

钛及钛合金的铸造性能：钛合金的流动性与普通铸钢的流动性相近，流动性受合金元素、铸型性能、熔炼和浇注的条件等影响。同等条件下Ti-6Al-4V合金的流动性略优于其它合金。

钛及钛合金对铸件的设计要求严格：壁厚尽可能均匀，减少热节区，避免铸件壁急转弯壁厚陡变、大而薄的均匀截面、长而细的平面以保证个部分结构在铸造过程中易被充满。铸件壁的内外转角均应做成足够大的过渡圆角半径避免出现应力集中的形状，以防产生裂纹。钛和钛合金铸件的圆角半径比钢铝要大。对于大而薄的复杂铸件或其它易于变形的铸件一定要注意它的刚性和结构合理性，防止铸件清砂和后处理后发生变形。钛及钛合金铸件的浇注系统通常采用底注式，而不采用顶注式浇注系统是因为用顶注的浇注系统，铸型中释放出上冒的气体会于进入型腔的金属流搅混在一起，最终造成铸件上产生大的气缩孔。同时金属流动不平稳，铸件表面易产生流痕冷隔铁豆等缺陷。

钛合金箱盖类铸件一般都是平板状，板的厚度在4~10mm之间，上面不规则分布有搭子和一些孔洞。在铸造成形的过程中，搭子比较厚大形成了热节部位，容易出现缩孔，孔洞和搭子收缩不均匀，导致变形，这样的结构按照常规的钢制件铝制件是需要设置冒口，立式浇注，浇注系统复杂，还会引起变形。该发明设计一个合体零件，克服了上述的问题从根本上解决了影响箱盖制作质量的的问题。

模具材料：钛及钛合金因为其高的化学活性，必须在真空状态下进行熔炼和浇注，不能采用砂型或者金属型，选用人造石墨做造型材料。

而且，人造石墨做造型材料的特点包括：

a.化学热稳定性高。它的熔点高达3850℃，在钛和钛合金的浇注温度（1700℃型左右）下。石墨与熔融钛接触只发生恨微弱的物理化学反应。

b.高的耐火度和抗热冲击性能。浇注液态钛后，铸型应不发生软榻和爆裂。

c.低的热膨胀系数和热导率。

d..石墨对熔融钛有很好的润湿性，有利于钛液对铸型的充填和铸出轮廓清晰的铸件。

e.石墨内部有发达的空隙，相对于金属型来说，其退让性好，减少铸件裂纹的产生。

模具分为上型、中型、下型、芯子四大部分，由数控铣床完成个部分的加工，上下型设置止口装配在一起防止错型，芯子上设置上芯头下芯头和上下型装配在一起。

人造石墨作为造型材料其缺点是吸附气体能力强，所以浇注以前要进行高温除气。

进行热等静压处理是为了消除铸件内部的缺陷，改善其综合性能。热等静压处理过程是个蠕变、扩散连接的过程。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明通过将箱体和箱盖合二为一铸造，减少了其中一个铸件的模具设计和制造费用；两个件合在一起变成了一个封闭的结构，消除了平板类铸件铸造冷却凝固过程造成的变形；两个件的外形尺寸绝对一样，消除了因两个件收缩不一致造成的外形大小不一样，节约了后期修整的费用和工时。

附图说明

图1是实施例的某船用钛合金零件QN8.010.187箱盖外形示意图。箱盖的外形尺寸是798x343x69，上平面不规则地分布24个直径26mm高度6mm的小搭子，还有直径4个直径分别是￠105￠135￠145￠175高度6mm和200x200高度30mmd的凸台，还有一些局部结构。箱盖的重量有25kg。

图2是实施例的某船用钛合金零件QN8.005.095 箱体外形示意图。箱体的外形尺寸是798x343x306,箱体上半部分的外形轮廓和箱盖一样，局部结构不一样，箱体的重量是45kg。

图3和图4是QN8.010.187箱盖和QN8.005.095 箱体盖体合一的铸件图。合体铸件的重量是70kg。

图中， 1-箱盖，2-箱体 ，3-箱盖箱体线切割位置。

具体实施方式

下面结合附图进一步具体说明本专利。但是本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

实施例

某船用钛合金零件QN8.010.187箱盖和 QN8.005.095 箱体的生产

客户的要求是：

QN8.010.187箱盖1件；QN8.005.095 箱体1件。

尺寸：符合图纸要求，箱盖盖在箱体上整齐一致；

材质：ZTA5 化学成分符合GB/T15073-94 《 铸造钛及钛合金牌号和化学成分》要求，力学性能符合GB/T6614-94《钛及钛合金铸件》的要求；

内部质量：热等静压处理，满足GB5677-85Ⅰ级要求；

交货状态：退火状态，表面喷砂处理。

具体过程为：

1、将QN8.010.187箱盖的下平面放4mm的加工余量，圆搭子和方搭子上平面及圆通孔放4mm的加工余量，箱盖的高度设计为69，圆通孔的直径分别是￠103、￠79.5、￠69.5、￠89.5 (mm)；将QN8.005.095 箱体的上下平面各放4mm的加工余量,箱体的高度设计为306mm；箱盖的上平面作合体铸件的上平面，箱体的下平面作合体铸件的下平面，合体的中部结果是箱盖下平面和箱体上平面的结合，合体铸件的总高度是375.2mm。

2、浇注系统设计：铸件采用水平位置放置浇注，主浇道￠50通过铸件的中心部位到达底部，根据这个铸件的腰形形状，设计3根30x20横浇道通向铸件的周边；

3、模具设计：模具分为上型、中型、下型、芯子四大部分，铸件的主要结构由中型形成，内腔结构由芯子形成，由数控铣床完成个部分的加工，上下型和中型的配合是设置10x10mm的止口装配在一起防止错型，芯子上设置10mm深的上芯头下芯头和上下型装配在一起。模具的外形尺寸是890x465x503.3,模具的中型尺寸是890x465 x340.4，中型形成了合体铸件的主要外部结构，下型的尺寸是890x465x50，下型起到固定芯子的作用，主要的结构是10mm深的芯座，上型的尺寸是890x465x118，上型形成合体铸件的上部结构和固定圆柱芯子的作用，主要的结构是圆柱结构和小圆搭子；芯子部分分为主芯和4个小圆芯，芯子分为两部分的目的是方便加工。

4、模具的高温除气：模具的材料是人造石墨，浇注以前要对人造石墨模具进行高温除气；优选的工艺参数是：900℃±20℃保温4小时，真空度要求≤5Pa；

5、材料制备：按照GB/T15073-94《铸造钛及钛合金牌号和化学成分》要求，在ZH200型真空自耗电极电弧炉中制备ZTA5钛锭；

6、真空浇注：将除过气的模具放在ZN-150型真空自耗电极凝壳炉中，真空度达到1x10^-2Pa开始熔炼，熔炼的重量达到80kg开始浇注；浇注完成后随炉冷却2小时后出炉。

7、清整：铸件出炉后用人工移去上下型和中型，清理掉芯子，用气割的方法去除浇道，然后对铸件表面的毛刺飞边进行打磨，完成设计零件的铸造生产；

8、对产品进行热等静压处理：热等静压处理的工艺参数是：温度 920℃±10℃，压力100~140MPa，保温2.0~2.5小时，随炉冷却至300℃以下出炉；

9、对生产出的铸件或者热等静压处理后的铸件用线切割的方法进行切割分离，使其成为箱体和箱盖两个零件。线切割前用同种材料的钛合金块加工成180长x180宽x100高(mm)的工艺块点焊在合体铸件的中部偏向箱体端的凹腰位置处（不能压住线切割的位置），然后将工艺块贴合放在线切割机的工作台上，使铸件平稳装夹。 

10、对箱体和箱盖两个零件分别进行尺寸检验；表面质量检查；内部X射线探伤检查；

11、对箱体和箱盖两个零件进行退火处理；具体的热处理工艺可以为：620℃±10℃，保温1.5小时；真空度要求≤0.13MPa，随炉冷却至300℃以下出炉；这是因为在零件的铸造过程线切割过程都会产生应力，需要通过热处理的方法消除应力；

12、终检和验收。经检验，箱盖没有变形，箱盖和箱体的形状尺寸及其它指标符合客户的要求。

实施例1的产品符合客户的要求；两付模具设计为1付模具节约模具材料93kg；两个件变成1个件浇注，节约钛料18kg；节约了校正变形的时间4小时，和校正热处理的时间 12小时和费用3000元人民币；节约了外形修磨时间2小时。

对比例：下表1是箱盖和箱体两种不同的铸造方法的效果比较。

表1  箱盖和箱体不同的铸造方法的效果比较表

   我公司SR1207044合同，客户订货QN8.010.187箱盖6件QN8.005.095箱体6件，用上述方法进行生产，共节约模具材料558kg，节约钛合金料108kg，节约校正变形及修磨的时间36小时，节约热处理的时间72小时及相应的热处理费用。

Claims (4)

1.一种钛合金箱体箱盖合一的制造方法，其特征是：将箱体和箱盖合成一个零件铸造，然后用线切割的方法将其分离，变成两个铸件，具体步骤如下：

一、设计一个把箱体和箱盖合在一起的零件：

合体零件的内部结构是箱体的内部结构和箱盖的下半部分，外部轮廓是箱体和箱盖一致的轮廓，上面结构是箱盖的上部，下部结构是箱体的下部，合体零件的高度是箱体和箱盖的高度之和加放3~4mm的加工余量，中部加0.2mm的线切割量；

二、将设计的零件进行铸件生产：

1、模具材料选用人造石墨做造型材料；

 2、模具分为上型、中型、下型、芯子四大部分，铸件的主要结构由中型形成，内腔结构由芯子形成，由数控铣床完成个部分的加工，上下型设置止口装配在一起防止错型，芯子上设置上芯头下芯头和上下型装配在一起；

    3、浇注系统设计：铸件采用水平位置放置浇注，主浇道通过铸件的中心部位到达底部，4根横浇道通向铸件的四周；

    4、人造石墨模具的高温除气：浇注以前要对人造石墨模具进行高温除气；

    5、材料制备：

按照GB/T15073-94《铸造钛及钛合金牌号和化学成分》要求，在ZH200型真空自耗电极电弧炉中制备ZTA5钛锭；

6、真空浇注：将除过气的模具放在ZN-150型真空自耗电极凝壳炉中，真空度达到1*10^-2Pa开始熔炼浇注；浇注完成后随炉冷却2小时后出炉；

 7、清整：铸件出炉后移去上下型和中型，清理掉芯子，去除浇道，然后对铸件表面的毛刺飞边进行打磨，完成设计零件的铸造生产；

三、对产品进行热等静压处理；

四、对生产出的铸件或者热等静压处理后的铸件用线切割的方法进行切割分离，使其成为箱体和箱盖两个零件；

五、对箱体和箱盖两个零件分别进行尺寸检验；表面质量检查；内部X射线探伤检查；

六、对箱体和箱盖两个零件进行退火处理；

七、终检和验收。

2.根据权利要求1所述钛合金箱体箱盖合一的制造方法，其特征是：所述的对人造石墨模具进行高温除气的工艺参数是：900℃±20℃保温4小时，真空度要求≤5Pa。

3.根据权利要求1所述钛合金箱体箱盖合一的制造方法，其特征是：所述的热等静压处理的工艺参数是：温度 920℃±10℃，压力100~140MPa，保温2.0~2.5小时，随炉冷却至300℃以下出炉。

4.根据权利要求1所述钛合金箱体箱盖合一的制造方法，其特征是：所述的退火处理工艺为：620℃±10℃，保温1.5小时；真空度要求≤0.13MPa，随炉冷却至300℃以下出炉。