CN105234235B - 一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，属于材料加工技术领域将钛合金板材制作成筒形件，将筒形件放置在内模具外侧，外模具套在筒形件外侧，将冲头放置在外模具预留加载通道中冲头自定位，然后将模具整体放置于热成形设备中进行点阵位置的冲压成形，成形结束后卸载压力并降温，最终获得筒形点阵轻量化结构件。本发明针对一种新型钛合金点阵轻量化结构提出了高精高效的成形方法，采用镂空板材热成形的方式，突破了复合材料点阵结构成形思路限制，成功解决了钛合金等金属材料难以形成三维点阵结构的技术难题，填补了点阵结构在钛合金领域应用的空白，极具前瞻性。

Description

一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法及应用

技术领域

本发明涉及一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

轻量化对于飞行器的装载、运输以及射程、飞行速度等方面均有较大影响。高速率飞行器对材料要求严格，传统镁铝合金零件在高速摩擦产生的高温下极易氧化，通常选用钛合金材料。点阵结构借用了晶体点阵的概念，其实际意义为具有周期性重复单元的空间网络结构。点阵结构与单一材料相比，最大的不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙率，因而其具有许多特有的优良性能：轻质、高强；抗爆炸、抗弹道冲击；高效散热、隔热；吸收电磁波性能；吸声性能及多功能可设计性。点阵结构是当前国际学术界公认的最有前景的新一代超轻质高强结构之一。相比于其他轻量化结构，点阵结构更适用于航空航天飞行器高承载、轻重量的关键部件中。

点阵结构主要承力部位在于其芯层三维结构，根据不同芯层构型可分为Kagome点阵、单层金字塔点阵、双层金字塔点阵、单层波纹板及双层波纹板等。

目前，点阵结构的研究主要为复合材料领域，其成形方式多为纤维缠绕、多杆粘结等；由于金属材料可成形性能远不如复合材料，因此对于金属材料点阵结构的研究相对较少，主要采用熔模铸造、冲压成型等方式。熔模铸造是将石蜡或挥发性聚合物等材料作为模板，其加热挥发后留下复杂型腔，通过浇注金属液的方式得到复杂三维点阵结构，该方法由于金属液流经通道狭小复杂，易出现浇不足等缺陷，此外，复杂结构难以通过后续机加处理，因此对于金属表面化学反应控制的要求极高，通常其成品率与承载能力较低。冲压成形时通过冷冲压的方式将镂空板折叠成三维复杂结构，该方法主要用于优异室温塑性材料(如Ni合金、不锈钢等)的平面型点阵结构的成形，对于钛合金等室温成形性能较差材料的筒形点阵结构常出现断裂、过度减薄引起的承载能力不足等诸多缺陷，导致钛合金点阵结构成形精度极差、成品率极低。目前，尚未见有关钛合金筒形点阵结构高精度、高成品率、高承载性能的成形工艺的报道。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种钛合金筒形点阵轻量化结构的成形方法，采用的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，该方法是将钛合金板材制作成筒形件，将筒形件放置在内模具外侧，外模具套在筒形件外侧，将冲头放置在外模具预留加载通道中冲头自定位，然后将模具整体放置于热成形设备中进行点阵位置的冲压成形，成形结束后卸载压力并降温，最终获得筒形点阵轻量化结构件。

所述方法，步骤如下：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧，内模具设有定位导向机构；

3)然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合；

4)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，获得组合后的模具；

5)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

6)加热模具至工艺温度，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，对点阵位置进行冲压成形；

7)成形结束后，卸压降温，通过控制降温速率，实现零件自退火，最终获得精度较高的结构件产品。

优选地，步骤1)所述板材，厚度为0.06mm-0.2mm，材质可为TC4、TA15、Ti55或Ti2AlNb。

优选地，步骤2)所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为圆环凸起，位于内模具底座上，用于内外模具装配。

更优选地，所述凹槽为15°梯形圆环凸起。

优选地，步骤3)所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽。

更优选地，装配槽位置设有15°斜面。

优选地，步骤4)所述预留加载通道，为尺寸大于所成形阵点尺寸且方向与阵点中心法向相同的通孔；所述冲头，一侧带有锥面，一侧与所成形阵点曲率相同且位置匹配。

更优选地，所述冲头，一侧带有15°锥面。

优选地，步骤6)所述加载模具，内侧带有锥面，与冲头锥面相配合；所述工艺温度，为500℃-700℃；所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.01mm/s-0.1mm/s。

更优选地，所述加载模具，内侧带有15°锥面。

优选地，步骤7)所述卸压，是将施加在加载模具的合模力降为5MPa；降温是在氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为400℃以下；平均降温速率为40℃/h。

优选地，所述方法具体步骤为：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；所述板材，长度为251mm，宽度为100mm，厚度为0.06mm；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧，内模具设有定位导向机构；所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为设有15°梯形圆环凸起，用于内外模具装配；

3)然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合；所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽，装配槽位置设有15°斜面；

4)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，获得组合后的模具；所述预留加载通道，为尺寸大于所成形阵点尺寸且方向与阵点中心法向相同的通孔；

5)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

6)加热模具至工艺温度500℃-700℃，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，对点阵位置进行冲压成形；所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.01mm/s-0.1mm/s；

7)成形结束后，将施加在加载模具的合模力降为5MPa，降温，通过控制降温速率，氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为200℃以下，平均降温速率为40℃/h，实现零件自退火，最终获得精度较高的结构件产品。

以上所述任一方法在钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形工艺中的应用。

本发明针对一种筒形点阵轻量化结构零件，开展了钛合金热成形加载方式对材料变形流动的影响规律、热成形温度对钛合金成形极限的影响规律、芯板结构形式对工艺性的影响等专题研究。采用均匀化方法来模拟多孔胞元类芯子，以得到等效本构模型，并运用有限元分析方法验证了均匀化模型的正确性和精度，综合考虑质量效率和失效模式，设计出一种更轻质高强的，适用于钛合金筒形结构件成形的三维点阵结构。并通过反复试验，探索出一种可实现钛合金筒形点阵结构高精度、高效率生产的热成形工艺方案，利用多镶块协同进给，通过一次加载实现所有点阵晶格的同步成形。通过对结构件成形质量的测量，发现该方法所得零件尺寸精度高、无残余应力、产品质量可重复性好。综合考虑尺寸精度、机械性能、成形效率等因素，本发明方案在成形钛合金筒形点阵轻量化结构零件制造方面，具有良好的应用前景。

本发明有益效果：

本发明针对一种新型钛合金点阵轻量化结构提出了高精高效的成形方法，采用镂空板材热成形的方式，突破了复合材料点阵结构成形思路限制，成功解决了钛合金等金属材料难以形成三维点阵结构的技术难题，填补了点阵结构在钛合金领域应用的空白，极具前瞻性。

附图说明

图1为钛合金点阵结构零件示意图；

(a1，钛合金点阵结构零件立体图；a2，钛合金点阵结构零件正视图)。

图2为成形过程示意图；

(a，将激光切割后的管材套于内模具外侧；b，放置外模具；c，将冲头与准预留加载通道配合；d，下压加载模具使材料变形)。

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。

实施例1：对照实施例

本实施例提供了一种金属金字塔点阵结构的成形方法，具体步骤如下：

1)采用注模成形或快速成形工艺制造挥发性石蜡或聚合物作为模板骨架；

2)在挥发性点阵体上涂覆陶瓷浆料，干燥后融化或蒸发将挥发物去除；

3)在空模中充入液态金属，冷却凝固并清除陶瓷铸模后即可得到金属点阵结构；

4)采用手工修整的方法打磨点阵结构表面(特别是配合面)，得到最终产品。

实施例2：对照实施例

本实施例提供了一种金属筒形点阵轻量化结构件的成形方法，具体步骤如下：

1)按照三维点阵结构展开图切割金属板材；

2)采用冷冲压的方式将金属板材折叠成带有连接面的三维结构；

3)将三维结构金属板材卷圆至设计尺寸；

4)在板材两端接口处焊接，形成最终筒形结构件。

以下实施例3-5所用模具具体形状结构(图2)为：内模具呈圆柱形，圆柱形底部设有底座，圆柱形柱体上设有向柱体内部凹陷的、呈周期点阵排列的凹槽，底座上表面设有与柱体底面同心的定位导向机构；外模具呈圆筒形，外模具一端设有与定位导向机构相配合的装配槽，外模具表面设有与凹槽相对应的预留加载通道；冲头呈直角梯形，直角腰所在的矩形平面上设有与矩形平面垂直的凸起，凸起顶端平面与凹槽底面相吻合。外模具套于内模具外部，冲头与外模具连接，加载模具扣在内模具、外模具和冲头的外部。

实施例3

本实施例提供了一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，具体步骤如下：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；所述板材，壁厚为0.06mm，材质为TC4；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧(如附图2(a)所示)，内模具设有定位导向机构；所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为设有15°梯形圆环凸起，用于内外模具装配；由于选用模具材料热膨胀系数略大于钛合金，因此筒形件装卸时均有较大间隙。然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合，如附图2(b)所示；所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽，装配槽位置设有15°斜面。

3)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，如附图2(c)所示，获得组合后的模具；所述预留加载通道，为略大于所成形阵点尺寸，方向与阵点中心法向相同的通孔；

4)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

5)加热模具至工艺温度700℃，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，如附图2(d)所示，对点阵位置进行冲压成形；所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.01mm/s；

6)成形结束后，将施加在加载模具的合模力降为5MPa；降温，是在氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为400℃以下；平均降温速率，40℃/h。

图1为利用本发明方法加工得到的钛合金点阵结构零件的立体图和正视图。

实施例4

本实施例提供了一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，具体步骤如下：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；所述板材，壁厚为0.2mm，材质为TA15；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧(如附图2(a)所示)，内模具设有定位导向机构；所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为设有15°梯形圆环凸起，用于内外模具装配；由于选用模具材料热膨胀系数略大于钛合金，因此筒形件装卸时均有较大间隙。然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合，如附图2(b)所示；所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽，装配槽位置设有15°斜面。

3)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，如附图2(c)所示，获得组合后的模具；所述预留加载通道，为略大于所成形阵点尺寸，方向与阵点中心法向相同的通孔；

4)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

5)加热模具至工艺温度500℃，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，如附图2(d)所示，对点阵位置进行冲压成形；所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.1mm/s；

6)成形结束后，将施加在加载模具的合模力降为5MPa；降温，是在氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为400℃以下；平均降温速率，40℃/h。

实施例5

本实施例提供了一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，具体步骤如下：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；所述板材，壁厚为0.15mm，材质为Ti55；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧(如附图2(a)所示)，内模具设有定位导向机构；所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为设有15°梯形圆环凸起，用于内外模具装配；由于选用模具材料热膨胀系数略大于钛合金，因此筒形件装卸时均有较大间隙。然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合，如附图2(b)所示；所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽，装配槽位置设有15°斜面。

3)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，如附图2(c)所示，获得组合后的模具；所述预留加载通道，为略大于所成形阵点尺寸，方向与阵点中心法向相同的通孔；

4)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

5)加热模具至工艺温度700℃，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，如附图2(d)所示，对点阵位置进行冲压成形；所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.05mm/s；

6)成形结束后，将施加在加载模具的合模力降为5MPa；降温，是在氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为400℃以下；平均降温速率，40℃/h。

实施例6

本实施例对实施例1-4所制备的钛合金筒形点阵轻量化结构件的质量进行了测定，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可以看出，本发明所提供的成型方法在成品率、成形精度、承压性能等方面明显优于现有方法。

本发明首先将板材切割成为镂空板的结构形式，通过卷焊的方式将镂空板材制作成筒形件。然后将筒形件放置在内模具外侧，由于选用模具材料热膨胀系数略大于钛合金，因此筒形件装卸时均有较大间隙。将外模具套在筒形件外侧，并通过内模具设置的定位导向机构，使内外模具配合。将冲头放置在外模具预留加载通道中，以实现冲头自定位。将模具整体放置于热成形设备中，将加载模具与压机上台面连接，通过导向机构调节其与其他模具配合位置。加热模具至工艺温度，缓慢加载，实现对点阵位置的冲压成形。成形结束后，卸压降温。通过控制降温速率，实现零件自退火，最终获得精度较高的结构件产品。

本发明针对一种筒形点阵轻量化结构零件，开展了钛合金热成形加载方式对材料变形流动的影响规律、热成形温度对钛合金成形极限的影响规律、芯板结构形式对工艺性的影响等专题研究。采用均匀化方法来模拟多孔胞元类芯子，以得到等效本构模型，并运用有限元方法验证了均匀化模型的正确性和精度，综合考虑质量效率和失效模式，设计出一种更轻质高强的，适用于钛合金筒形结构件成形的三维点阵结构。并通过反复试验，探索出一种可实现钛合金筒形点阵结构高精度、高效率生产的热成形工艺方案，利用多镶块协同进给，通过一次加载实现所有点阵晶格的同步成形。通过对结构件成形质量的测量，发现该方法所得零件尺寸精度高、无残余应力、产品质量可重复性好。综合考虑尺寸精度、机械性能、成形效率等因素，本发明方案在成形钛合金筒形点阵轻量化结构零件制造方面，具有良好的应用前景。

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)

1.一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，其特征在于，步骤如下：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧，内模具设有定位导向机构；

3)然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合；

4)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，获得组合后的模具；

5)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

6)加热模具至工艺温度，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，对点阵位置进行冲压成形；

7)成形结束后，卸压降温，通过控制降温速率，实现零件自退火，最终获得精度较高的结构件产品。

2.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)所述板材，厚度为0.06mm-0.2mm，材质为TC4、TA15、Ti55或Ti2AlNb。

3.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面；步骤2)所述定位导向机构，为圆环形凸起，位于内模具底座上。

4.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3)所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽。

5.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)所述预留加载通道，为尺寸大于所成形阵点尺寸且方向与阵点中心法向相同的通孔；步骤4)所述冲头，一侧带有锥面，一侧与所成形阵点曲率相同且位置匹配。

6.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤6)所述加载模具，内侧带有锥面，与冲头锥面相配合；所述工艺温度，为500℃-700℃；步骤6)所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.01mm/s-0.1mm/s。

7.权利要求1所述方法，其特征在于，步骤7)所述卸压，是将施加在加载模具的合模力降为5MPa；降温是在氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为400℃以下；平均降温速率为40℃/h。

8.权利要求1所述方法，其特征在于，具体步骤为：

1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；所述板材，长度为251mm，宽度为100mm，厚度为0.06mm；

2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧，内模具设有定位导向机构；所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为设有15°梯形圆环凸起，用于内外模具装配；

3)然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合；所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽，装配槽位置设有15°斜面；

4)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，获得组合后的模具；所述预留加载通道，为尺寸大于所成形阵点尺寸且方向与阵点中心法向相同的通孔；

5)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使各模具有效配合；

6)加热模具至工艺温度500℃-700℃，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合使各冲头的同步进给，对点阵位置进行冲压成形；所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为0.01mm/s-0.1mm/s；

7)成形结束后，将施加在加载模具的合模力降为5MPa，降温，通过控制降温速率，氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为200℃以下，平均降温速率为40℃/h，实现零件自退火，最终获得精度较高的结构件产品。

9.权利要求1-8所述任一方法在钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形工艺中的应用。