CN105149391B - 一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置及成形方法，属于金属加工成形技术领域。本发明所提供的成形装置包括内模具、外模具、冲头和加载模具。其中，内模具和外模具之间形成波纹型腔。冲头为薄板型设置于加载通道内，冲头的一面为斜面，所有冲头放入加载通道后在导向筒内壁内围成一个锥面；加载模具设有加载柱，加载柱的加载端设有锥面，加载时可通过与冲头围成的锥面作用将冲头挤入到波纹型腔中，从而使圆形焊管形成波纹。同时，本发明还提供了利用该装置法制备钛合金波纹加强的筒形零件的方法。本发明的成形方法能够使材料经一次热循环完成成形与退火两个步骤，消除零件残余应力，具有尺寸精度高、成形效率高的特点。

Description

一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置及成形方法，属于金属加工成形技术领域。

背景技术

在航空航天产品制造领域，考虑到装载、运输、飞行速率等因素，对结构件重量提出了极高的要求。钛合金波纹加强筒形件产品具有耐热、轻质、高强等优异的性能，在航空航天领域应用十分广泛，如飞机起落架、导弹筒体、飞行器进气道等零部件。但目前，钛合金波纹板产品较多，而筒形件相对较少。通常采用波纹板卷焊或超塑成形(SPF)工艺制作波纹筒。其中，波纹板卷焊工艺在波纹直板成形时，易产生较大回弹，在卷焊后形成筒径将小于设计尺寸，难以通过经验公式控制尺寸精度，且波纹圆角处减薄严重常出现断裂缺陷，此外，受到焊接变形影响，零件圆整度难以保证，焊缝附近将产生一定翘曲变形，且难以通过矫形校正。SPF工艺在成形精度上有所保证，但长时加热容易引起晶粒的快速长大，产生材料热损失，而严格的气密性要求，使零件成形时必须有工艺端保障，降低了材料利用率。目前，尚未提出一种既能兼顾成形精度，又能有效提高成形效率、改善热损失的成形方法。

发明内容

为解决传统工艺尺寸精度低、成形后力学性能差、成形质量与成形效率无法兼顾的问题，本发明提出了一种钛合金波纹加强筒形零件成形方法，所采取的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置。该装置包括内模具1、外模具2、冲头3和加载模具4，其中，内模具1设有导向筒11和底座12，导向筒11垂直固定在底座12上，在导向筒11上沿轴向设有加载通道13，加载通道13沿导向筒11的径向均匀分布且沿径向贯通导向筒11；外模具2内壁设有沿平行于轴向的凹槽，使外模具2的横截面呈波纹状，当外模具2套在内模具1后，内模具1和外模具2之间形成波纹型腔21；冲头3为薄板型，厚度不大于加载通道13的厚度，以便于在使用时将冲头3置于加载通道13内，冲头3的一面为斜面，所有冲头3放入加载通道13后在导向筒11内壁内围成一个锥面；加载模具4设有加载柱41，加载柱41的加载端设有锥面，加载时可通过与冲头3围成的锥面作用将冲头3挤入到波纹型腔21中。

优选地，所述加载通道13的数目与外模具2内壁上凹槽的数目相同。

优选地，所述加载柱41的锥面的锥度与冲头3所围成的锥面的锥度相同。

优选地，所述冲头3为直角梯形，长度与导向筒11的长度相同，与模具装配时，平行长边与内模具1的底座12接触，平行短边与导向筒11的端面对齐，斜边朝向导向筒11的内部。

优选地，所述导向筒11的长度与加载柱41的长度相同。

所述任一装置可在筒形件的波纹成形中的应用，可用于加工钛合金筒形零件或其他非钛合金材料制备的筒形零件。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述成形装置加工钛合金波纹加强筒形零件的成型方法。该方法是将圆形焊管5套在内模具1的导向筒11外侧，再将外模具2套装在圆形焊管5的外侧，并将波纹型腔21与加载通道13对齐，将冲头3安装到加载通道13内，使冲头3的斜面朝向导向筒11的内部，校正冲头3的位置并对齐导向筒11的端面，将模具整体放置于热成型设备中，加热模具至工作温度，下压加加载模具4，通过加载柱41的锥面挤压冲头3实现对圆形焊管5的加载，保压一段时间后，按照退火曲线泄压降温。

所述成型方法的步骤如下：

1)将钛合金圆形焊管5套装在内模具1的导向筒11外侧，再将外模具2套在圆形焊管5的外侧，并将波纹型腔21与加载通道13对齐；

2)将冲头3安装到加载通道13内，使冲头3的斜面朝向导向筒11的内部，校正冲头3的位置并对齐导向筒11的端面；

3)将步骤2装配好的模具整体放置在热成型设备中，并将加载模具4与压机上台面连接，加热各个模具至工作温度后下压加载模具4，通过加载柱41的锥面挤压冲头3实现对圆形焊管5的加载成型，保压一段时间后，按照退火曲线泄压降温。

优选地，步骤3)所述工作温度为650℃-750℃。

优选地，步骤3)所述保压一段时间，是保压20-25min。

本发明获得有益效果如下：

本发明所提供的方法在成形开始前，将钛合金焊管套在导向筒外端，利用模具材料线膨胀率略大于钛合金的特点，既可保证室温装配时焊管与导向筒间的间隙，又可以实现成形结束后的自动脱模。将外模具与内模具底端导向机构配合，使外模具型腔与导向筒预留加载通道对齐，将冲头放置在导向筒内侧，并置入预留加载通道，通过专用校准模具为冲头定位。将模具整体放置在热成形设备中，并将加载模具与压机上台面连接。将其加热至工艺温度，下压加载模具，通过加载模具前端锥面与冲头锥面配合，将下压运动转换为水平运动，实现冲头对板材的加载。通过控制降温速率，使材料一次热循环完成成形与退火两个工艺步骤，消除零件残余应力，最终获得高尺寸精度、高成形效率的波纹加强筒形零件。

附图说明

图1为本发明省略了加载模具的成形装置的俯视结构示意图。

图2为本发明成形装置沿轴向的中心的剖视结构示意图。

图3为焊管套装在导向筒上的状态。

图4为外模具套装在焊管外侧时的状态。

图5为冲头装入加载通道后的状态。

图6为利用本发明的成形装置加工后得到的波纹加强筒形件的立体结构示意图。

图中，1，内模具；2，外模具；3，冲头；4，加载模具；5，圆形焊管；11，导向筒；12，底座；13，加载通道；21，波纹型腔；41，加载柱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

以下实施例所用材料，方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料，方法和仪器，本领域普通技术人员均可通过商业渠道获得。

在本发明以下的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明以下的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明以下的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

下面结合附图对本发明所提供的成形装置以及利用该装置进行成形的过程进行详细说明。

图1为本发明的一个优选方案成型装置的结构示意图，图中省略了加载模具。从图1中可以出，该成形装置包括内模具1，外模具2和冲头3。其中，内模具1包括导向筒11和底座12，导向筒11垂直固定在在底座12上。导向筒11沿其轴向设有多个加载通道13，加载通道13沿径向贯通导向筒11。冲头3设置于加载通道13中。外模具2呈圆柱形，内壁沿轴向设有凹槽，外模具2的内壁横截面呈波纹状。在内模具1和外模具2之间为波纹型腔21。

图2为成形装置沿轴向的中心的剖视结构示意图。从图2中可知，冲头3的形状为直角梯形，其中长平行边与底座12接触，短平行边与导向筒11的端面对齐，斜边朝向导向筒11的内部。加载模具4的一端为圆盘形顶盖，在顶盖的中间处置连接有加载柱41，加载柱41的加载端设有锥面，用来与冲头3的斜面围成的锥面配合，以实现对冲头3的加载。

图3为焊管套装在导向筒上的状态。图4为外模具套装在焊管外侧时的状态。图5为冲头装入加载通道后的状态。图6则是加工成型后获得的波纹加强的筒形零件。从图3-5可以看出，成形开始时，先要将圆形焊管5套在内模具1的导向筒11的外侧(图3)，再将外模具2套在圆形焊管5的外侧(图4)，同时对齐导向筒11的端面。然后，再将冲头3安装到导向筒11的加载通道13中，再经过加热并下压加载模具后促使圆形焊管5的波纹成型(图5)。

下面通过实施例分别利用卷焊工艺、SPF工艺以及本发明的方法制备钛合金波纹加强筒形零件，并对这三种方法制备出的零件的质量进行检测。

实施例1

本实施例提供了一种利用卷焊工艺制备钛合金波纹加强的筒形零件，制备过程如下：

1)将0.1mm钛合金板材裁剪至工艺尺寸；

2)放置在辊齿机或冲压模具中，制作成波纹板；

3)将波纹板手工卷圆，并在两端接口处放置焊接夹具，采用氩弧焊或激光焊的方式将波纹板连接成为波纹筒；

4)放置在矫形模具中，进行冷矫形，最终获得波纹加强筒形零件。

实施例2

本实施例提供了一种利用SPF工艺制备钛合金波纹加强的筒形零件，制备过程如下：

1)将0.1mm钛合金板材裁剪至工艺尺寸；

2)放置在超塑气胀模具中，模具分为上模和下模，其中上模带有压边圈与进气通道，下模为周向排列波纹凹槽、底端为平面的深筒

3)通过上模具的压边圈将板材固定，并加热至950℃的工艺温度；

4)通过上模具中预置的进气通道，通入高纯氩气；

5)保压一段时间，卸载气压，并按照工艺曲线降温；

6)取出零件，并通过线切割的方式将成形后的深筒零件底部工艺端切除，获得最终零件。

实施例3

本实施例提供了一种利用本发明方法的成形装置和方法制备钛合金波纹加强的筒形零件，制备过程如下：

1)将0.1mm钛合金圆形焊管5套装在内模具1的导向筒11外侧，再将外模具2套在圆形焊管5的外侧，并将波纹型腔21与加载通道13对齐；

2)将冲头3安装到加载通道13内，使冲头3的斜面朝向导向筒11的内部，校正冲头3的位置并对齐导向筒11的端面；

3)将步骤2装配好的模具整体放置在热成型设备中，并将加载模具4与压机上台面连接，加热各个模具至750℃后下压加载模具4，控制加载速率为0.02mm/s，通过加载柱41的锥面挤压冲头3实现对圆形焊管5的加载成型，保压25min后，按照不大于50℃/h的降温速率降温至500℃，空冷至室温。

实施例4

本实施例提供了一种利用本发明方法的成形装置和方法制备钛合金波纹加强的筒形零件，制备过程如下：

1)将0.2mm钛合金圆形焊管5套装在内模具1的导向筒11外侧，再将外模具2套在圆形焊管5的外侧，并将波纹型腔21与加载通道13对齐；

2)将冲头3安装到加载通道13内，使冲头3的斜面朝向导向筒11的内部，校正冲头3的位置并对齐导向筒11的端面；

3)将步骤2装配好的模具整体放置在热成型设备中，并将加载模具4与压机上台面连接，加热各个模具至650℃后下压加载模具4，控制加载速率为0.05mm/s，通过加载柱41的锥面挤压冲头3实现对圆形焊管5的加载成型，保压20min后，按照不大于50℃/h的降温速率降温至500℃，空冷至室温。

实施例5

本实施例对实施例1-4所制备的管材的圆整度、精度、成型效率、成品率以及原料利用率等指标进行了测定，测定结果如表1所示。

表1 实施例1-4所制备折弯管材的质量

从表1可知，相对于实施例1的卷焊工艺，虽然利用实施例3和实施例4的方法制备零件所耗费的时间较长，但是在零件的圆整度、厚壁均匀性、外形尺寸精度和成品率等质量指标上明显优于卷焊工艺。与实施例2的SPF工艺相比，除了在波纹圆角尺寸上略逊以外，其他指标均优于SPF工艺，尤其是在材料的利用率和外形尺寸精度上。成型效率和壁厚均匀性也明显好于SPF工艺。上述结果说明，本发明的方法和工艺在综合性能上明显优于现有的卷焊工艺和SPF工艺，具有明显的技术进步。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置，其特征在于，包括内模具(1)、外模具(2)、冲头(3)和加载模具(4)，其中，内模具(1)设有导向筒(11)和底座(12)，导向筒(11)垂直固定在底座(12)上，在导向筒(11)上沿轴向设有加载通道(13)，加载通道(13)沿导向筒(11)的径向均匀分布且沿径向贯通导向筒(11)；外模具(2)内壁设有沿平行于轴向的凹槽，使外模具(2)的横截面呈波纹状，当外模具(2)套在内模具(1)后，内模具(1)和外模具(2)之间形成波纹型腔(21)；冲头(3)为薄板型，厚度不大于加载通道(13)的厚度，以便于在使用时将冲头(3)置于加载通道(13)内，冲头(3)的一面为斜面，所有冲头(3)放入加载通道(13)后在导向筒(11)内壁内围成一个锥面；加载模具(4)设有加载柱(41)，加载柱(41)的加载端设有锥面，加载时可通过与冲头(3)围成的锥面作用将冲头(3)挤入到波纹型腔(21)中；

所述冲头(3)为直角梯形，长度与导向筒(11)的长度相同，与模具装配时，平行长边与内模具(1)的底座(12)接触，平行短边与导向筒(11)的端面对齐，斜边朝向导向筒(11)的内部。

2.根据权利要求1所述一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置，其特征在于，所述加载通道(13)的数目与外模具(2)内壁上凹槽的数目相同。

3.根据权利要求1所述一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置，其特征在于，所述加载柱(41)的锥面的锥度与冲头(3)所围成的锥面的锥度相同。

4.根据权利要求1所述一种钛合金波纹加强筒形零件成形装置，其特征在于，所述导向筒(11)的长度与加载柱(41)的长度相同。

5.根据权利要求1-4任一所述成形装置在筒形件的波纹成形中的应用。

6.一种利用权利要求1所述成形装置加工钛合金波纹加强筒形零件的成型方法，其特征在于，将圆形焊管(5)套在内模具(1)的导向筒(11)外侧，再将外模具(2)套装在圆形焊管(5)的外侧，并将波纹型腔(21)与加载通道(13)对齐，将冲头(3)安装到加载通道(13)内，使冲头(3)的斜面朝向导向筒(11)的内部，校正冲头(3)的位置并对齐导向筒(11)的端面，将模具整体放置于热成型设备中，加热模具至工作温度，下压加载模具(4)，通过加载柱(41)的锥面挤压冲头(3)实现对圆形焊管(5)的加载，保压一段时间后，按照既定退火工艺降温。

7.根据权利要求6所述成型方法，其特征在于，步骤如下：

1)将钛合金圆形焊管(5)套装在内模具(1)的导向筒(11)外侧，再将外模具(2)套在圆形焊管(5)的外侧，并将波纹型腔(21)与加载通道(13)对齐；

2)将冲头(3)安装到加载通道(13)内，使冲头(3)的斜面朝向导向筒(11)的内部，校正冲头(3)的位置并对齐导向筒(11)的端面；

3)将步骤2)装配好的模具整体放置在热成型设备中，并将加载模具(4)与压机上台面连接，并调节位置使其中心线与内模具(1)、外模具(2)中心线重合，加热各个模具至工作温度后下压加载模具(4)，通过加载柱(41)的锥面挤压冲头(3)实现对圆形焊管(5)的加载成型，保压一段时间后，按照退火曲线泄压降温。

8.根据权利要求7所述成型方法，其特征在于，步骤3)所述工作温度为650℃-750℃。

9.根据权利要求7所述成型方法，其特征在于，步骤3)所述保压一段时间，是保压20-25min。