CN108672705A - 一种复杂结构件的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂结构件的成形方法，属于精密成形加工技术领域，所述的复杂结构件为带有横筋或凸台的等截面结构(除去横筋或凸台外，其他为等截面结构)或为带有腹板的双侧非对称深腔结构。本发明的“电弧增材+热挤压”的复合制造方法充分利用热挤压和电弧增材制造技术高效低成本的特点，避开了两者能成形结构较简单的不足，实现了复杂结构件的快速高效制造；其次，利用基于活性剂增加熔深的机理在挤压基体上待电弧增材区域涂覆一层活性剂，进一步提升界面的连接性能，实现了复杂结构件的高性能制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂结构件的成形方法，属于精密成形加工技术领域，所述的复杂结构件为带有横筋或凸台的等截面结构(除去横筋或凸台外，其他为等截面结构)或为带有腹板的双侧非对称深腔结构。
背景技术
新一代武器装备对于研制周期的要求逐渐提升，且结构件多为双侧非对称深腔结构或者变截面结构，传统的铸造等工艺技术难以适应对于结构迭代设计的快速响应。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种复杂结构件的成形方法，该方法用于成形带有横筋或凸台的等截面结构(除去横筋或凸台外，其他为等截面结构)或带有腹板的双侧非对称深腔结构的复杂结构件。
本发明的技术解决方案是：
一种复杂结构件的成形方法，该方法的步骤包括：
(1)将待成形结构件分为两部分，分别为第一基体和第二基体，待成形结构件为带有横筋或凸台的等截面结构时，等截面结构为第一基体，横筋或凸台为第二基体；待成形结构件为带有腹板的双侧非对称深腔结构时，选择腹板及其任意一侧的侧部作为第一基体，另一侧部则为第二基体；所述的第一基体使用热挤压技术直接成形，所述的第二基体采用电弧增材制造技术在第一基体上进行成形；
(2)采用热挤压成形方法制造步骤(1)中的第一基体；
(3)采用电弧增材制造技术在步骤(2)制造得到的第一基体之上制造所述的第二基体；
所述的步骤(3)中，制造第二基体的详细步骤为：
首先，将第一基体上待增材区域打磨平整；其次，在第一基体上打磨平整后的待增材区域涂覆一层活性剂；最后，采用电弧增材制造技术制造第二基体；
所述的步骤(2)中，采用热挤压成形方法制造第一基体时，热挤压成形速度在1-6mm/s。待成形结构件的材料为钛合金时，热挤压成形速度优选1-3mm/s；待成形结构件的材料为铝合金或镁合金时，热挤压成形速度优选3-5mm/s。
所述的采用电弧增材制造技术制造第二基体时的工艺参数为：送丝速度为4-8m/min，成形电流为80-120A，行走速度为5-7mm/s；
待成形结构件的材料为铝合金时，活性剂的成分包括SiO2、TiO2、BaCl2、Cr2O3和CaF2，以活性剂的总质量为100％计算，SiO2的质量百分含量为25％-35％，TiO2的质量百分含量为10％-25％，BaCl2的质量百分含量为25％-40％，Cr2O3和CaF2的质量百分含量为10％-30％；
待成形结构件的材料为钛合金时，活性剂的成分包括为NaF、CaF2、SiO2、TiO2和Al2O3，以活性剂的总质量为100％计算，NaF和CaF2的质量百分含量为50％-60％，SiO2和TiO2的质量百分含量为25％-35％，Al2O3的质量百分含量为10％-20％；
待成形结构件的材料为镁合金时，活性剂的成分包括TiO2、AlF3和CdCl2，以活性剂的总质量为100％计算，TiO2的质量百分含量为40％-50％，AlF3的质量百分含量为25％-35％，CdCl2的质量百分含量为20％-30％。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的“电弧增材+热挤压”的复合制造方法充分利用热挤压和电弧增材制造技术高效低成本的特点，避开了两者能成形结构较简单的不足，实现了复杂结构件的快速高效制造；其次，利用基于活性剂增加熔深的机理在挤压基体上待电弧增材区域涂覆一层活性剂，进一步提升界面的连接性能，实现了复杂结构件的高性能制造。
对于研制周期要求的提升，热挤压和铸造等单一制造技术难以实现对预研型号结构迭代设计的快速响应，“电弧增材+热挤压”复合制造无疑是一种全新的制造理念。
其次，高端武器装备对结构件的承载能力、型面精度、机动性等也提出了更苛刻的要求，该方法中采用在待电弧增材的挤压基体部位涂覆一层活性剂以实现复合制造界面处的高性能连接。
“电弧增材+热挤压”的复合制造思路和基于活性剂提升界面连接性能的方法很好地实现了复杂结构件的高效高性能制造。
该方法克服了现有单一制造技术快速响应能力的不足，提供了一种“电弧增材+热挤压”的复合制造思路以及基于活性剂提升界面连接性能的方法，实现了单一技术难以直接成形的结构件的。
一种复杂结构件的成形方法。对于复杂结构件，热挤压技术难以一次成形，该方法提出“热挤压成形局部+在挤压基体电弧增材剩余结构”的复合制造思路，并采用在挤的第一压基体上待电弧增材区域涂覆一层特殊化学成分的活性剂以提升界面的连接性能，以此完成复杂结构件的高效高性能制造。首先，根据待制造结构件的结构特征，对其进行区域划分：第一基体(热挤压部分)和第二基体(电弧增材部分)；其次，采用热挤压成形方法制造第一基体；最后，采用电弧增材制造技术在所述第一基体之上制造所述第二基体，电弧增材前先确保第一基体上待电弧增材区域平整并均匀涂覆一层特殊化学成分的活性剂。热挤压技术能快速高效成形形状较简单的结构件，对于复杂结构件则可以考虑采用热挤压技术成形某一局部，再以热挤压部分作为第一基体，在此基体上进行电弧增材，以完成整个结构件的复合制造，且采用在待电弧增材的第一基体区域涂覆一层特殊化学成分的活性剂以提升界面的连接性能，复合制造方法和基于活性剂提升界面连接性能的方法能实现复杂结构件的高效高性能制造。该复合制造思路和基于活性剂提升界面连接性能的方法充分利用了电弧增材和热挤压技术高效低成本的特点，实现了带有横筋或凸台的等截面结构和双侧非对称深腔结构件的高效高质量制造。
附图说明
图1为实施例1中双侧非对称深腔铝合金结构件的示意图；
图2为实施例1中第一基体的结构示意图；
图3为实施例1中第二基体的结构示意图；
图4为实施例2中带有圆形凸台的等截面铝合金结构件的示意图；
图5为实施例2中第一基体的结构示意图；
图6为实施例2中第二基体的结构示意图。
具体实施方式
本发明具体实施方案为：
一种基于活性剂提升电弧增材与热挤压复合制造界面连接性能的方法。对于复杂结构件，热挤压技术难以一次成形，该方法提出“热挤压成形局部+在挤压基体电弧增材剩余结构”的复合制造思路，并采用在第一基体的待电弧增材区域涂覆一层特殊化学成分的活性剂以提升界面的连接性能，以此完成复杂结构件的高效高性能制造。
(1)根据待制造结构件的结构特征，对其进行区域划分：第一基体(热挤压部分)和第二基体(电弧增材部分)；
(2)采用热挤压成形方法制造第一基体；
(3)采用电弧增材制造技术在所述第一基体之上制造所述第二基体。首先，将挤压基体上待增材区域打磨平整；其次，选择好成形所需的电弧增材工艺参数；然后，在挤压基体上待增材区域均匀涂覆一层特殊化学成分的活性剂；最后，利用所选参数完成第二基体的电弧增材制造。
以薄壁双侧非对称深腔结构零件为例，其结构示意图如图1所示，基本壁厚10mm；
按如下步骤进行制造：
(1)复合制造总体方案设计：根据薄壁双侧非对称深腔结构零件特征(见图1)，制定采用电弧增材与热挤压复合制造方法的总体方案，分别划分出两个侧部以及横筋(见图1)。
(2)热挤压基体设计：根据总体方案，计算得到热挤压基体(即第一基体)在腹板(对应于横向连接部)以及侧壁的工艺余量，对热挤压基体成形模具进行设计，根据产品体积及尺寸设计热挤压坯料尺寸，第一基体底部进行了增厚20mm设计，环向位置进行了补强设计。
(3)热挤压基体成形：完成热挤压模具制造后，将模具放入挤压设备中并加热至490℃，将5A06坯料放入加热炉加热到480℃，保温约1小时，再将坯料放入模具内，在成形速度为4mm/s内实施坯料热挤压成形，获得满足尺寸精度及性能要求的热挤压基体；
(4)电弧增材剩余结构：送丝速度设定在6m/min，成形电流设定在100A，行走速度设定在7mm/s进行电弧增材成形，并于增材前在第一基体待电弧增材区域均匀涂覆一层厚度均匀的活性剂以增加熔深，实现电弧增材制造材料与挤压成形件界面的高性能连接。
内部质量及力学性能均满足HB 5480《高强度铝合金优质铸件》的要求，测试结果表明复合制造能够满足航空航天等高端武器装备结构件高效高性能的研制需求。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
待成形结构件为：薄壁双侧非对称深腔结构，材料为5A06铝合金，结构示意图如图1所示，基本壁厚10mm，该待成形结构件包括侧部1、侧部2和横筋；该待成形结构件的成形方法的步骤包括：
(1)将待成形结构件分为两部分，侧部2和横筋作为第一基体，如图1所示，侧部1作为第二基体，如图2所示；
(2)采用热挤压成形方法制造步骤(1)中的第一基体；
(3)采用电弧增材制造技术在步骤(2)制造得到的第一基体之上制造所述的第二基体；
所述的步骤(3)中，制造第二基体的详细步骤为：
首先，将第一基体上待增材区域打磨平整；其次，在第一基体上打磨平整后的待增材区域涂覆一层活性剂；最后，采用电弧增材制造技术制造第二基体；
所述的步骤(2)中，采用热挤压成形方法制造第一基体时，热挤压成形速度为4mm/s。
所述的采用电弧增材制造技术制造第二基体时的工艺参数为：送丝速度为6m/min，成形电流为100A，行走速度为7mm/s；
活性剂的成分包括SiO2、TiO2、BaCl2、Cr2O3和CaF2，以活性剂的总质量为100％计算，SiO2的质量百分含量为30％，TiO2的质量百分含量为20％，BaCl2的质量百分含量为35％，Cr2O3和CaF2的质量百分含量为15％(Cr2O3：CaF2＝1:1质量比)。
内部质量经过X射线检测，按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能的检测：抗拉强度305MPa，延伸率10％，内部质量及力学性能均满足HB 5480《高强度铝合金优质铸件》的要求，测试结果表明复合制造能够满足航空航天等高端武器装备结构件高效高性能的研制需求。
实施例2
待成形结构件为：带有圆形凸台的等截面结构，材料为5A06铝合金，结构示意图如图4所示，基本壁厚10mm，该待成形结构件的成形方法的步骤包括：
(1)将待成形结构件分为两部分，等截面方框作为第一基体，如图5所示，圆形凸台作为第二基体，如图6所示；
(2)采用热挤压成形方法制造步骤(1)中的第一基体；
(3)采用电弧增材制造技术在步骤(2)制造得到的第一基体之上制造所述的第二基体；
所述的步骤(3)中，制造第二基体的详细步骤为：
首先，将第一基体上待增材区域打磨平整；其次，在第一基体上打磨平整后的待增材区域涂覆一层活性剂；最后，采用电弧增材制造技术制造第二基体；
所述的步骤(2)中，采用热挤压成形方法制造第一基体时，热挤压成形速度为4mm/s。
所述的采用电弧增材制造技术制造第二基体时的工艺参数为：送丝速度为5m/min，成形电流为90A，行走速度为7mm/s；
活性剂的成分包括SiO2、TiO2、BaCl2、Cr2O3和CaF2，以活性剂的总质量为100％计算，SiO2的质量百分含量为30％，TiO2的质量百分含量为20％，BaCl2的质量百分含量为35％，Cr2O3和CaF2的质量百分含量为15％(Cr2O3：CaF2＝1:1质量比)。
内部质量经过X射线检测，按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能的检测：抗拉强度310MPa，延伸率9％，内部质量及力学性能均满足HB 5480《高强度铝合金优质铸件》的要求，测试结果表明复合制造能够满足航空航天等高端武器装备结构件高效高性能的研制需求。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种复杂结构件的成形方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)将待成形结构件分为两部分，分别为第一基体和第二基体；
(2)采用热挤压成形方法制造步骤(1)中的第一基体；
(3)采用电弧增材制造技术在步骤(2)制造得到的第一基体之上制造所述的第二基体。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，待成形结构件为带有横筋或凸台的等截面结构，等截面结构为第一基体，横筋或凸台为第二基体。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，待成形结构件为带有腹板的双侧非对称深腔结构，腹板及其任意一侧的侧部作为第一基体，另一侧部为第二基体。
4.根据权利要求1所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，采用热挤压成形方法制造第一基体时，热挤压成形速度为1-6mm/s。
5.根据权利要求4所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：待成形结构件的材料为钛合金时，热挤压成形速度为1-3mm/s；待成形结构件的材料为铝合金或镁合金时，热挤压成形速度为3-5mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，制造第二基体的步骤为：
首先，将第一基体上待增材区域打磨平整；其次，在第一基体上打磨平整后的待增材区域涂覆一层活性剂；最后，采用电弧增材制造技术制造第二基体。
7.根据权利要求6所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：所述的采用电弧增材制造技术制造第二基体时的工艺参数为：送丝速度为4-8m/min，成形电流为80-120A，行走速度为5-7mm/s。
8.根据权利要求6所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：待成形结构件的材料为铝合金时，活性剂的成分包括SiO2、TiO2、BaCl2、Cr2O3和CaF2，以活性剂的总质量为100％计算，SiO2的质量百分含量为25％-35％，TiO2的质量百分含量为10％-25％，BaCl2的质量百分含量为25％-40％，Cr2O3和CaF2的质量百分含量为10％-30％。
9.根据权利要求6所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：待成形结构件的材料为钛合金时，活性剂的成分包括为NaF、CaF2、SiO2、TiO2和Al2O3，以活性剂的总质量为100％计算，NaF和CaF2的质量百分含量为50％-60％，SiO2和TiO2的质量百分含量为25％-35％，Al2O3的质量百分含量为10％-20％。
10.根据权利要求6所述的一种复杂结构件的成形方法，其特征在于：待成形结构件的材料为镁合金时，活性剂的成分包括TiO2、AlF3和CdCl2，以活性剂的总质量为100％计算，TiO2的质量百分含量为40％-50％，AlF3的质量百分含量为25％-35％，CdCl2的质量百分含量为20％-30％。
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