CN105382489B - 一种钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺，所述钛合金板料成型环形件热定型装置构成如下：胀型锥环(1)、定位支承立柱(2)、压紧楔块(3)、上限位板(4)、定型块(5)、限位环(6)、定位底板(7)；所述定型块(5)位于上限位板(4)和定位底板(7)之间，定型块(5)的上下端通过压紧楔块(3)与定位支承立柱(2)压紧，定型块(5)的侧端通过胀型锥环(1)和限位环(6)压紧，钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺解决了大直径、内“U”形截面、钛合金板料环形件常规方法无法成型问题，并大大提高成型精度。保证定型后的零件精度符合要求。

Description

一种钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺
技术领域
本发明涉及热定型装置的结构设计和应用技术领域，特别提供了一种钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺。
背景技术
环形件是飞机发动机上的重要零件，由1.0mm厚的钛合金TA1板料制成，截面为槽口向内的“U”型截面，直径Φ769～8150mm，型面尺寸及形状精度非常高，要求成型后自由状态下零件型面的直径公差±0.2mm，型面轮廓度不大于0.2mm，限制状态下型面对基准面A的跳动量不大于0.1mm。
由于截面为槽口向内的“U”型截面，上、下端口直径小于中间型面直径，通常的整环成型模具无法取出，所以采用原有的通常的整环模具成型是无法实现此类零件的加工。而该零件又是由钛合金制成，因钛合金室温状态下材料延展率低、弹性模量大、屈强比高，所以无法冷成型，必须采用550℃以上的热成型。又因零件的尺寸和型面轮廓精度要求非常高，精度等级已高于机械加工件，所以必须提高零件的成型精度，达到精密成型的水平。按传统的工艺和工艺装置加工，从未合格过，严重制约发动机的研制和生产。
人们迫切希望获得一种技术效果优良的钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果优良的钛合金板料成型环形件热定型装置及工艺。针对大直径、内“U”形截面、钛合金板料成型环形件精密热成型。
所述钛合金板料成型环形件热定型装置构成如下：胀型锥环1、定位支承立柱2、压紧楔块3、上限位板4、定型块5、限位环6、定位底板7；所述定型块5位于上限位板4和定位底板7之间，定型块5的上下端通过压紧楔块3与定位支承立柱2压紧，定型块5的侧端通过胀型锥环1和限位环6压紧，所述上限位板4和定位底板7上均设置有起重螺钉8。
钛合金板料成型环形件热定型工艺，采用所述的钛合金板料成型环形件热定型装置，具体步骤如下：
①采用应力松弛热成型工艺方法，在室温冷态下通过定型块5将零件胀紧，使零件产生预胀紧应力，并产生弹性应变，保证零件内型面与定型块5贴合，胀紧力均匀；通过起重螺钉8将定型装置和零件一起置于真空液压机或真空热处理炉中加热到650℃-750℃；因胀型锥环1和定型块5材料的热膨胀系数大于零件材料的热膨胀系数，随着温度的升高，零件材料屈服强度的降低，胀紧弹塑性应力逐渐松弛，胀型锥环1和定型块5将零件逐渐胀大至与定型块5完全紧密贴合；冷却到室温之后，零件的型面和尺寸被精确固化下来；
②按应力松弛热成型原理设计零件的加工工艺路线；激光切割板材成四段扇环形毛料，用热成型机热成型出1/4弧段，将4个1/4弧段拼焊成整环，应力松弛热定型，车加工零件上、下止口，激光切割零件型面上的叶型孔；按应力松弛热成型原理设计零件的工艺参数，根据零件最终的型面直径尺寸和热定型温度，反推零件定型前冷态下的直径和型面尺寸；
③按应力松弛热成型原理设计热成型装置，设计关键点为：
尺寸设计：通过零件最终室温冷型面直径尺寸，反算零件在定型温度时的热态尺寸，零件定型温度的热态尺寸就是定型装置的热态尺寸，再反推算定型装置的室温冷态尺寸，再根据定型装置的室温冷态尺寸减去室温冷态弹性应变胀量，确定零件定型前的室温冷态尺寸；
例如要求零件成型后内表面直径为φ815±0.2，定型温度为750℃，选择定型装置的材料为1Cr18Ni9Ti。TA1材料20～750℃线膨胀系数为9.626，1Cr18Ni9Ti材料线膨胀系数为18.8。按照在750℃时零件内表面直径尺寸与定型装置型面外表面直径尺寸相等的原则，反推定型装置在20℃时的外表面直径尺寸为：
φJ＝φL×(1-D)＝φ815×0.9933937＝φ809.62
D＝(αJ-αL)/(1+αJ×ΔT)×ΔT
其中：
φJ——胎具室温冷态直径
φL——零件定型后的室温冷态直径
αJ——胎具材料线膨胀系数
αL——零件材料线膨胀系数
ΔT——热定型温度增量
D——胎具的缩放系数
因定型装置为刚性件，其直径精度可以达到很高，可以选取H7级精度，公差为+0.035；
结构设计：因零件结构为内“U”型截面，定型装置须能收缩和胀紧，定型面应能沿径向移动，保证零件能够取下，定型面不能有周向和轴向的移动，沿径向移动应能严格向心，并保证相应的圆度；
因零件结构为内“U”型截面，上、下端口直径小于型面直径，所以定型装置必须能收缩和胀大，即直径可变，装夹和拆卸时，定型装置的直径要小于上端口直径值，工作时，定型块5的直径要与零件型面的直径值接近。所以将定型装置的工作部分设计成8个扇形块，其中4个优弧块，4个劣弧块，相间排列，并保证在定型状态直径下，块与块之间的间隙不大于0.2mm。
为保证定型块不能沿周向移动，沿径向移动严格向心，在每块定型块的下表面设计出定位键，在装置的定位底板上设计出8条向心的键槽，定位块与底板之间靠键槽配合。
定型装置的收缩和胀大依靠胀型锥环的上下运动实现，定型块与胀型锥环之间为锥面配合，锥度为莫氏锥度，保证压紧后锥面能自锁。用液压机压定位锥环向下移动时，定型块沿径向向外移动，定型块直径变大，抬起定位锥环后，定型块可沿径向向里滑移。
在定位底板上设置限位销钉，用来限制定位锥环的轴向移动量，从而限制定型块的最大直径。限位销钉的另一个作用是尺寸微调机构，如果实验后需要调大定型块直径，则可向下修磨限位销钉，使定位锥环能多向下移动微量距离。
④通过实验修正零件的热成型工艺参数和热成型装置型面尺寸，提高成型精度，因理论计算时都会简化一些次要的边界限制条件，所以计算出的尺寸与实际都会有微小的差距，通过试验件热定型实验，对理论数据进行微细修正，微细增大或减小定型块5的直径尺寸，修正后再次进行实验，直至保证零件要求的尺寸和型面精度。
所述钛合金板料成型环形件热定型工艺，针对大直径、内U形截面，基于钛合金板料成型环形件的结构特点和材料特点，改变传统的成型工艺，引入新的应力松弛热成型工艺方法，即对零件在室温冷态下给于小于材料屈服强度的预胀紧应力，随着加热温度的上升，预应力缓释，驱动零件与热成型装置的型面完全紧密贴合，减小零件热成型误差；并按此原理开发设计了新的应力松弛热成型工艺，和结构巧妙的应力松弛热成型装置，解决了这种大直径、内“U”形截面、钛合金板料环形件常规方法无法成型问题，并大大提高成型精度。保证定型后的零件精度符合要求。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为钛合金板料成型环形件热定型装置结构示意图；
图2为钛合金板料成型环形件热定型装置定型块分布示意图；
图3为钛合金板料成型环形件截面图；
图4为为扇环形毛料图；
具体实施方式
实施例1
所述钛合金板料成型环形件热定型装置构成如下：胀型锥环1、定位支承立柱2、压紧楔块3、上限位板4、定型块5、限位环6、定位底板7；所述定型块5位于上限位板4和定位底板7之间，定型块5的上下端通过压紧楔块3与定位支承立柱2压紧，定型块5的侧端通过胀型锥环1和限位环6压紧，所述上限位板4和定位底板7上均设置有起重螺钉8。
钛合金板料成型环形件热定型工艺，采用所述的钛合金板料成型环形件热定型装置，具体步骤如下：
①采用应力松弛热成型工艺方法，在室温冷态下通过定型块5将零件胀紧，使零件产生预胀紧应力，并产生弹性应变，保证零件内型面与定型块5贴合，胀紧力均匀；通过起重螺钉8将定型装置和零件一起置于真空液压机或真空热处理炉中加热到650℃-750℃；因胀型锥环1和定型块5材料的热膨胀系数大于零件材料的热膨胀系数，随着温度的升高，零件材料屈服强度的降低，胀紧弹塑性应力逐渐松弛，胀型锥环1和定型块5将零件逐渐胀大至与定型块5完全紧密贴合；冷却到室温之后，零件的型面和尺寸被精确固化下来；
②按应力松弛热成型原理设计零件的加工工艺路线；激光切割板材成四段扇环形毛料，用热成型机热成型出1/4弧段，将4个1/4弧段拼焊成整环，应力松弛热定型，车加工零件上、下止口，激光切割零件型面上的叶型孔；按应力松弛热成型原理设计零件的工艺参数，根据零件最终的型面直径尺寸和热定型温度，反推零件定型前冷态下的直径和型面尺寸；
③按应力松弛热成型原理设计热成型装置，设计关键点为：
尺寸设计：通过零件最终室温冷型面直径尺寸，反算零件在定型温度时的热态尺寸，零件定型温度的热态尺寸就是定型装置的热态尺寸，再反推算定型装置的室温冷态尺寸，再根据定型装置的室温冷态尺寸减去室温冷态弹性应变胀量，确定零件定型前的室温冷态尺寸；
例如要求零件成型后内表面直径为φ815±0.2，定型温度为750℃，选择定型装置的材料为1Cr18Ni9Ti。TA1材料20～750℃线膨胀系数为9.626，1Cr18Ni9Ti材料线膨胀系数为18.8。按照在750℃时零件内表面直径尺寸与定型装置型面外表面直径尺寸相等的原则，反推定型装置在20℃时的外表面直径尺寸为：
φJ＝φL×(1-D)＝φ815×0.9933937＝φ809.62
D＝(αJ-αL)/(1+αJ×ΔT)×ΔT
其中：
φJ——胎具室温冷态直径
φL——零件定型后的室温冷态直径
αJ——胎具材料线膨胀系数
αL——零件材料线膨胀系数
ΔT——热定型温度增量
D——胎具的缩放系数
因定型装置为刚性件，其直径精度可以达到很高，可以选取H7级精度，公差为+0.035；
结构设计：因零件结构为内“U”型截面，定型装置须能收缩和胀紧，定型面应能沿径向移动，保证零件能够取下，定型面不能有周向和轴向的移动，沿径向移动应能严格向心，并保证相应的圆度；
因零件结构为内“U”型截面，上、下端口直径小于型面直径，所以定型装置必须能收缩和胀大，即直径可变，装夹和拆卸时，定型装置的直径要小于上端口直径值，工作时，定型块5的直径要与零件型面的直径值接近。所以将定型装置的工作部分设计成8个扇形块，其中4个优弧块，4个劣弧块，相间排列，并保证在定型状态直径下，块与块之间的间隙不大于0.2mm。
为保证定型块不能沿周向移动，沿径向移动严格向心，在每块定型块的下表面设计出定位键，在装置的定位底板上设计出8条向心的键槽，定位块与底板之间靠键槽配合。
定型装置的收缩和胀大依靠胀型锥环的上下运动实现，定型块与胀型锥环之间为锥面配合，锥度为莫氏锥度，保证压紧后锥面能自锁。用液压机压定位锥环向下移动时，定型块沿径向向外移动，定型块直径变大，抬起定位锥环后，定型块可沿径向向里滑移。
在定位底板上设置限位销钉，用来限制定位锥环的轴向移动量，从而限制定型块的最大直径。限位销钉的另一个作用是尺寸微调机构，如果实验后需要调大定型块直径，则可向下修磨限位销钉，使定位锥环能多向下移动微量距离。
④通过实验修正零件的热成型工艺参数和热成型装置型面尺寸，提高成型精度，因理论计算时都会简化一些次要的边界限制条件，所以计算出的尺寸与实际都会有微小的差距，通过试验件热定型实验，对理论数据进行微细修正，微细增大或减小定型块5的直径尺寸，修正后再次进行实验，直至保证零件要求的尺寸和型面精度。
所述钛合金板料成型环形件热定型工艺，针对大直径、内U形截面，基于钛合金板料成型环形件的结构特点和材料特点，改变传统的成型工艺，引入新的应力松弛热成型工艺方法，即对零件在室温冷态下给于小于材料屈服强度的预胀紧应力，随着加热温度的上升，预应力缓释，驱动零件与热成型装置的型面完全紧密贴合，减小零件热成型误差；并按此原理开发设计了新的应力松弛热成型工艺，和结构巧妙的应力松弛热成型装置，解决了这种大直径、内“U”形截面、钛合金板料环形件常规方法无法成型问题，并大大提高成型精度。保证定型后的零件精度符合要求。

Claims (1)

1.一种钛合金板料成型环形件热定型工艺，采用钛合金板料成型环形件热定型装置，所述钛合金板料成型环形件热定型装置构成如下：胀型锥环(1)、定位支承立柱(2)、压紧楔块(3)、上限位板(4)、定型块(5)、限位环(6)、定位底板(7)；所述定型块(5)位于上限位板(4)和定位底板(7)之间，定型块(5)的上下端通过压紧楔块(3)与定位支承立柱(2)压紧，定型块(5)的侧端通过胀型锥环(1)和限位环(6)压紧，所述上限位板(4)和定位底板(7)上均设置有起重螺钉(8)；其特征在于：钛合金板料成型环形件热定型工艺具体步骤如下：
①采用应力松弛热成型工艺方法，在室温冷态下通过定型块(5)将零件胀紧，使零件产生预胀紧应力，并产生弹性应变，保证零件内型面与定型块(5)贴合，胀紧力均匀；通过起重螺钉(8)将定型装置和零件一起置于真空液压机或真空热处理炉中加热到650℃-750℃；因胀型锥环(1)和定型块(5)材料的热膨胀系数大于零件材料的热膨胀系数，随着温度的升高，零件材料屈服强度的降低，胀紧弹塑性应力逐渐松弛，胀型锥环(1)和定型块(5)将零件逐渐胀大至与定型块(5)完全紧密贴合；冷却到室温之后，零件的型面和尺寸被精确固化下来；
②按应力松弛热成型原理设计零件的加工工艺路线；激光切割板材成四段扇环形毛料，用热成型机热成型出1/4弧段，将4个1/4弧段拼焊成整环，应力松弛热定型，车加工零件上、下止口，激光切割零件型面上的叶型孔；按应力松弛热成型原理设计零件的工艺参数，根据零件最终的型面直径尺寸和热定型温度，反推零件定型前冷态下的直径和型面尺寸；
③按应力松弛热成型原理设计热成型装置，设计关键点为：
尺寸设计：通过零件最终室温冷型面直径尺寸，反算零件在定型温度时的热态尺寸，零件定型温度的热态尺寸就是定型装置的热态尺寸，再反推算定型装置的室温冷态尺寸，再根据定型装置的室温冷态尺寸减去室温冷态弹性应变胀量，确定零件定型前的室温冷态尺寸；
结构设计：因零件结构为内“U”型截面，定型装置须能收缩和胀紧，定型面应能沿径向移动，保证零件能够取下，定型面不能有周向和轴向的移动，沿径向移动应能严格向心，并保证相应的圆度；
④修正零件的热成型工艺参数和热成型装置型面尺寸，提高成型精度，因理论计算时都会简化一些次要的边界限制条件，所以计算出的尺寸与实际都会有微小的差距，通过试验件热定型实验，对理论数据进行微细修正，增大或减小定型块(5)的直径尺寸，修正后再次进行实验，直至保证零件要求的尺寸和型面精度。
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Patentee before: Liming Aeroplane Engine (Group) Co., Ltd., Shenyang City

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