CN104493436A - 一种有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法，具体为：确定初始坯料的结构及尺寸，并下料；卷圆、焊接纵缝、校形；对管材进行封头及通气管的焊接；后将坯料及超塑成形模具装入超塑成形机中，加热、合模；向管材的密闭空间中通入一定压力的惰性高压气体并保压；对管材进行轴向强制补料；完成补料后，进行超塑成形；降温取出零件，去除余量。本发明实现了采用等厚度板材成形两端内翻边的筒形零件，且零件整体厚度分布较均匀，同时可实现高温下放置坯料和取件，实现连续生产，可极大地提升生产效率、降低生产成本。

Description

一种有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及到一种有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法，它适用于成形多种结构类型的翻边筒形零件。
背景技术
钛合金具有强度高、耐腐蚀性强及化学稳定性好等优异的使用性能，因此在航空航天、轨道交通、武器装备等领域应用十分广泛。
在航空航天领域，大尺寸零部件的整体化程度、轻量化程度及制造精度要求也越来越高。但在常温情况下，钛合金屈强比大、塑性变形范围窄、弹性模量低、屈服强度高，因此在冷成形时成形作用力大，回弹严重，只能用于成形变形程度较小的零件。对于大尺寸的两端内翻边筒形零件，其变形程度大，采用冷冲压后卷焊的方式不能成形出该结构零件；若采用普通机械加工方式生产该类型结构零件，不仅加工困难，且成本高昂。综合比较，采用超塑成形的方式来进行该结构零件的成形，但是超塑成形会出现厚度分布不均匀，且厚度减薄严重等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法，克服了现有冷成形工艺外形精度控制困难、成本较高的缺点，效解决了超塑成形技术成形零件厚度分布不均匀及厚度减薄严重等问题，实现了采用等厚度板材成形两端内翻边的筒形零件，且零件整体厚度分布较均匀，同时可实现高温下放置坯料和取件，实现连续生产，可极大地提升生产效率、降低生产成本。
为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：
(1)坯料制备
(1.1)内翻边筒体坯料制备
根据零件尺寸和工艺需求计算内翻边筒体所需钛合金板材厚度和大小，采用激光切割或数控冲切割钛合金板材；将钛合金板材进行卷圆，采用激光焊接或自动氩弧焊接纵缝，然后对卷焊后的管材进行冷辊或热胀等校形；
(1.2)通气管制备
根据模具尺寸和成形设备，确定通气管的直径、壁厚和长度，并截取；
(1.3)封头制备
根据内翻边筒坯的内径尺寸，确定封头的外径尺寸，采用激光切割或数控冲实现材料切割；其中一个封头的中心，需根据通气管外径加工通气管安装与焊接孔；
(1.4)组焊
将两个封头头分别焊接在(1.1)中制备的筒体两端，保证气密性和强度；将通气管插入中心开孔的封头5mm左右，并采用手工氩弧焊焊接在该封头上，保证气密性和强度；
(2)强制轴向补料
将焊接完成的坯料装入安装于超塑成形机内的超塑成形模具中，整体加热至钛合金预成形温度850℃～900℃后，上下模具闭合模，左右冲头固定；经通气管向坯料的密闭空间中通入惰性高压气体，达到预定压力(该具体压力为：压力会会根据温度、筒体直径、壁厚等有所不同，一般在成形前根据具体的情况进行预先设定，故在此说某设定，此为本专业技术人员通用通知的说法)后保压5min-10min，实现气胀预成形；通过左右两端的冲头，分别向坯料施加压力，推动两端部分的材料向中部移动，实现轴向强制补料；
(3)超塑成形
完成轴向补料后，按照预设的时间-气体压力加载曲线(说明：时间-气体压力加载曲线会根据温度、筒体直径、壁厚等有所不同，一般在成形前根据具体的情况进行预先设定，故在此说预设的，此为本专业技术人员通用共知的)增大惰性气体压力，进行筒体的超塑成形，使得坯料完全贴模，实现翻边零件终成形；
(4)降温取件
零件超塑成形后降温至预成形温度(850℃～900℃)及以下，取出零件。
(5)去除余量
采用激光切割或线切割的方式，去除余量，进而获得两端内翻边筒形零件。
优选地，所述步骤中，实现强制补料的超塑成形模具包括4个部分，分别是上模(1)、下模(2)以及用于轴向进给的左右冲头(3)、(4)组成；右冲头(4)为分瓣模具块，中心部位处留有预制圆孔，用来放置通气管。
优选地，所述步骤(4)降温取件后，可将下一件坯料直接放置到下模的型腔中，开始下一个成形循环，不必降低到室温而实现两端内翻边零件的连续生产。
本发明所述的有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法的有益效果是：采用带有轴向进给的预成形工艺，解决了零件最终超塑成形过程中厚度减薄严重的问题，实现了采用相同厚度板材成形两端内翻边的筒形零件制造，且零件整体厚度分布较均匀，这样可以有效地节约原材料，降低成本；同时可实现高温下放置坯料和取件，实现连续生产，可极大地提升生产效率、降低生产成本；同时采用超塑成形技术，可以有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生，保证了零件尺寸与轮廓精度。
具体为：
1)所成形的两端内翻边筒形零件，尺寸精度高，且满足整体装配要求；
2)本发明只采用一套模具既实现气胀预成形、轴向强制补料，又实现了超塑终成形，模具制造精度易于控制，大大降低了模具成本；
3)在超塑成形过程中实现了轴向强制补料，有效解决了超塑成形技术成形零件厚度分布不均匀及厚度减薄严重等问题；
4)成功实现了采用等厚度板材成形两端内翻边的筒形零件，且成形结构件整体厚度分布较均匀，在保证结构件要求的情况下有效降低了原材料成本；
5)在一个工艺流程中实现了零件的近净成形，有效地减少了工序，提高了成形效率，降低生产成本；
6)本发明可实现高温下放置坯料和取件，而不用等模具降至室温，从而实现两端内翻边钛合金筒形件的连续生产，降低成本。
7)零件超塑成形可有效避免回弹、起皱和开裂等缺陷的产生。
附图说明
图1为两端内翻边筒形零件的示意图；
图2为装模后超塑成形模具、冲头及管材的相对位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。
以某两端内翻边筒形零件为例，其三维模型见图1，选用材料为TA15钛合金，圆筒外径为357mm，设计厚度为1.5mm，其中最薄部位厚度不得小于1.1mm，外部圆角尺寸为5mm，筒形零件高度为50mm。
具体实施方式按如下工艺步骤进行：
第一步确定成形坯料结构及尺寸并进行坯料展开：根据零件结构，确定两端内翻边筒形件坯料为管材，因管材直径较大，采用板材卷焊的方式获得钛合金管；考虑工艺余量、钛合金卷焊后直径方向的圆度误差以及钛合金的热膨胀率，确定初始管材的直径为325mm，管材长度为100mm，展开后钛合金板料尺寸为1020mm×100mm，厚度为1.5mm；
第二步下料及板材卷焊：根据坯料展开后的尺寸，采用激光切割或数控冲的方法下坯料；对切割后的坯料进行吹渣、去毛刺和酸洗等表面处理；随后对钛合金板材进行卷弯；焊前对待焊部位进行酸洗，并置于烘干炉中90℃～100℃下烘干20min～30min。利用氩弧焊对对接处进行焊接，然后进行校形，得到钛合金管材；最后对得到的钛合金管材进行表面处理；
第三步管材封头焊接：切割出与钛合金管材相同直径的钛板两块，其中一块切割出通气孔；利用氩弧焊将卷弯的钛合金管材与封头钛板及通气管进行焊接，使得其形成一个密闭空间；
第四步气胀预成形：坯料待模具升温至气胀预成形温度(850℃-900℃)后，装模入炉，其中装模后超塑成形模具、冲头及管材的相对位置如图2所示，待坯料温度达到气胀预成形温度后，保温一段时间(5min～30min)；通过进气管6，向密闭空间5中通入惰性高压气体，保压一定时间(5min～10min)，实现气胀预成形；
第五步强制轴向进给补料：利用设备两侧推力推动模具的左右两端的冲头3、4，控制轴向进给的时间及进给速度，实现管材的强制补料；在轴向补料的过程中始终保持管材内部气压恒定；
第六步超塑气胀终成形：轴向进给完成后，继续增大惰性气体压力，并按照预设的加压曲线进行超塑成形，保压以实现坯料5完全与模具内腔贴合，即完成了零件的超塑气胀终成形过程；
第七步切除工艺余量：超塑气胀终成形完毕后，待温度降至预成形温度(850℃～900℃)及以下开模取件，采用激光切割方式取出工艺余量，进而获得两侧内翻边筒形零件。
如图2所示，实现强制补料的超塑成形模具包括4个部分，分别是上模1、下模2以及用于轴向进给的左右冲头3、4组成；右冲头4为分瓣模具块，中心部位处留有预制圆孔，用来放置通气管。使用时，将模具、冲头和管材放置在超塑成形机炉膛中，加热，当模具达到零件成形的温度后，保温一段时间，通过进气管6向管材坯料5中引入高压惰性气体，进行气胀预成形，在此过程中上下模具间保持一定合模力；保压一定时间后完成气胀预成形过程，随后同时推动模具冲头3、4，实现管材强制补料，在轴向补料的过程中始终保持管材内部气压基本恒定；完成轴向补料后，继续通入高压惰性气体，使管材5逐渐与模具内腔贴合，实现两端内翻边筒形零件的超塑终成形。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法，其特征是：
(1)坯料制备
(1.1)内翻边筒体坯料制备
根据零件尺寸和工艺需求计算内翻边筒体所需钛合金板材厚度和大小，采用激光切割或数控冲切割钛合金板材；将钛合金板材进行卷圆，采用激光焊接或自动氩弧焊接纵缝，然后对卷焊后的管材进行冷辊或热胀等校形；
(1.2)通气管制备
根据模具尺寸和成形设备，确定通气管的直径、壁厚和长度，并截取；
(1.3)封头制备
根据内翻边筒坯的内径尺寸，确定封头的外径尺寸，采用激光切割或数控冲实现材料切割；其中一个封头的中心，需根据通气管外径加工通气管安装与焊接孔；
(1.4)组焊
将两个封头头分别焊接在(1.1)中制备的筒体两端，保证气密性和强度；将通气管插入中心开孔的封头5mm左右，并采用手工氩弧焊焊接在该封头上，保证气密性和强度；
(2)强制轴向补料
将焊接完成的坯料装入安装于超塑成形机内的超塑成形模具中，整体加热至钛合金预成形温度850℃～900℃后，上下模具闭合模，左右冲头固定；经通气管向坯料的密闭空间中通入惰性高压气体，达到预定压力后保压5min-10min，实现气胀预成形；通过左右两端的冲头，分别向坯料施加压力，推动两端部分的材料向中部移动，实现轴向强制补料；
(3)超塑成形
完成轴向补料后，按照预设的时间-气体压力加载曲线增大惰性气体压力，进行筒体的超塑成形，使得坯料完全贴模，实现翻边零件终成形；
(4)降温取件
零件超塑成形后降温至预成形温度(850℃～900℃)及以下，取出零件；
(5)去除余量
采用激光切割或线切割的方式，去除余量，进而获得两端内翻边筒形零件。
2.根据权利要求1所述的有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法，其特征是：所述的实现强制补料的超塑成形模具包括4个部分，分别是上模(1)、下模(2)以及用于轴向进给的左右冲头(3)、(4)组成；右冲头(4)为分瓣模具块，中心部位处留有预制圆孔，用来放置通气管。
3.根据权利要求1所述的有强制补料的两端内翻边钛合金筒形零件的制造方法，其特征是：所述的(4)降温取件后，可将下一件坯料直接放置到下模(2)的型腔中，开始下一个成形循环，不必降低到室温而实现两端内翻边零件的连续生产。
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