CN109127886B - 一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法 - Google Patents
一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压‑模压复合成形方法，它属于机械制造技术领域，具体涉及一种难变形材料矩形截面空心构件的成形方法。本发明的目的是要解决现有难变形材料矩形截面空心构件的棱边小圆角气压成形存在压力高、内型面精度差、壁厚不均匀，焊接成形存在的可靠性差、型面精度低的问题。方法：一、预成形得到预制坯；二、管端密封，气压成形，得到纯胀管件；三、气压‑模压复合成形，得到矩形截面空心件。优点：避免了多片焊接过程中产生的形状畸变；降低了圆角成形所需的气体压力，并避免了圆角局部减薄，提高内型面的精度，避免应力集中危险点。本发明主要用于制备棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件。
Description
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种难变形材料矩形截面空心构件的成形方法。
背景技术
在飞机和火箭发动机等热端部件中，常用钛合金或金属间化合物材料制造空心变截面构件，其中一类典型构件如图1所示，是沿轴线有高度变化的矩形截面构件(图1)，其特点是棱边圆角很小、内型面精度要求高。例如，要求棱边外圆角半径为R≤2t(t为构件的壁厚)，构件内型面偏差小于0.2mm，壁厚最大减薄率小于10％。由于此类构件内部往往受高速高压气流冲刷，或者由内型面构成具有特定气动性能的流场，因此需同时满足高尺寸精度和高温承载能力要求，构件的圆角精度和壁厚均匀性非常重要，高精度的成形制造技术是相关装备成功研制的关键。
由于此类构件的棱边外圆角R≤2t，其内侧圆角r将小于t，已经超出了传统气压成形的极限(r＝2t)，对于这么小的棱边圆角，如果直接进行气压成形，存在三方面问题：1)需要很高的压力，例如：当材料流动应力为100MPa时，成形R＝2t的外圆角半径需要的压力达50MPa；2)圆角局部减薄严重，例如：当外侧圆角由R＝4t胀形到R＝2t时，减薄率达到35.5％，即使在胀形过程中不发生开裂，也将在服役时造成应力集中，不能满足服役性能要求；3)由于壁厚减薄严重，还导致构件内型面与标准型面偏差过大，如果壁厚2mm的管壳成形后局部减薄15％，则内型面偏差达到0.3mm，不能满足内型面偏差小于0.2mm的要求。
目前此类构件常用的典型材料是钛合金或Ti2AlNb金属间化合物板材，传统的制造技术是：由平板坯切割出4个分片，机械加工出内侧圆角轮廓和焊接边，再将四片对接在一起焊接成矩形箱体，然后再进行多次加热校形，消除焊接造成的形状畸变和尺寸精度偏差。这种工艺存在的主要问题是：1)焊缝长度大，易发生焊接缺陷，可靠性差，目前产品要求尽量消除焊缝，采用整体结构；2)焊接热易造成构件形状畸变，难以满足内型面精度要求；3)为了消除型面精度偏差，需多次加热校形，不但效率低，而且易导致组织性能恶化。
发明内容
本发明的目的是要解决现有难变形材料矩形截面空心构件的棱边小圆角气压成形存在压力高、内型面精度差、壁厚不均匀，焊接成形存在的可靠性差、型面精度低的问题，而提供一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法。
一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，具体是按以下步骤完成的：
一、预成形：先将模具预热至温度T1，T1为难变形材料管坯的成形温度，然后将难变形材料管坯放入模具中，通过模具热传导将难变形材料管坯加热至T1，在温度为T1下然后利用模具将难变形材料管坯模压成预制坯形状，得到预制坯；所述难变形材料管坯的壁厚为t，所述难变形材料管坯的外径为D，预制坯的高度为h1，且0.1D≤h1≤0.9D；
二、气压成形：用密封结构将预制坯两端密封，然后向预制坯内通入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0和温度为T1下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件，纯胀管件的棱边外侧圆角半径为R1，且5t≤R1≤3t；
三、气压-模压复合成形：在维持纯胀管件内气体压力P0不变，在温度为T1下利用模具对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件，所述矩形截面空心件的棱边圆角的半径R≤2t。
本发明优点：一、本发明采用难变形材料管坯制造小圆角矩形截面构件，通过气压成形和模压复合成形获得棱边外圆角，有效避免了多片焊接过程中产生的形状畸变，减少了焊缝长度，提高构件可靠性；二、本发明利用气压成形和模压复合分阶段成形出矩形截面棱边小圆角，降低了圆角成形所需的气体压力，并避免了圆角局部减薄，有助于提高内型面的精度，避免应力集中危险点；本发明采用较低气体压力就可成形出棱边外圆角半径R≤2t的小圆角矩形截面构件，而传统胀形方法在同等气压下获得的棱边外圆角半径R≥3t。
附图说明
图1是沿轴线有高度变化的矩形截面构件；
图2是难变形材料管坯立体结构示意图；
图3是具体实施方式三中模具结构示意图；图中1表示难变形材料管坯，2表示上模具，3表示下模具；
图4是图3沿A-A的剖视图；
图5是步骤一中预制坯立体结构示意图；
图6是具体实施方式四步骤二中气压胀形示意图；；图中1表示难变形材料管坯，2表示上模具，3表示下模具；
图7是图6沿B-B的剖视图；图中4表示密封结构，5表示带进气管的密封结构，7表示进气管；
图8是具体实施方式五步骤三中复合成形示意图；
图9是具体实施方式六中模具结构示意图；图中1表示难变形材料管坯，6表示上模具，13表示下模具，8表示侧模具，9表示弹簧，10表示底座，11表示弹簧槽，12表示配合槽，8-1表示配合凸台；
图10是具体实施方式八中成形出截面上表面棱边圆角示意图；图中1表示难变形材料管坯，6表示上模具，13表示下模具，8表示侧模具，9表示弹簧，10表示底座，11表示弹簧槽，12表示配合槽，8-1表示配合凸台；
图11是具体实施方式八中成形出截面下表面棱边圆角示意图；图中1表示难变形材料管坯，6表示上模具，13表示下模具，8表示侧模具，9表示弹簧，10表示底座，11表示弹簧槽，12表示配合槽，8-1表示配合凸台。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，具体是按以下步骤完成的：
一、预成形：先将模具预热至温度T1，T1为难变形材料管坯的成形温度，然后将难变形材料管坯放入模具中，通过模具热传导将难变形材料管坯加热至T1，在温度为T1下然后利用模具将难变形材料管坯模压成预制坯形状，得到预制坯；所述难变形材料管坯的壁厚为t，所述难变形材料管坯的外径为D，预制坯的高度为h1，且0.1D≤h1≤0.9D；
二、气压成形：用密封结构将预制坯两端密封，然后向预制坯内通入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0和温度为T1下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件，纯胀管件的棱边外侧圆角半径为R1，且5t≤R1≤3t；
三、气压-模压复合成形：在维持纯胀管件内气体压力P0不变，在温度为T1下利用模具对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件，所述矩形截面空心件的棱边圆角的半径R≤2t。
本发明原理：采用钛合金或金属间化合物圆截面管坯，放入模具中，在加热到一定温度的条件下，首先通过模具下压将圆管坯压成预制坯形状，再用密封结构将管坯两端密封，然后向管坯内通入高压气体，利用气体压力使管坯初步变形为矩形截面，控制气体压力使棱边外侧圆角达到胀形圆角半径R1(5t≤R1≤3t)，然后，维持气体压力不变，使上模具向下运动，对管坯施加压力，使管坯圆角部位发生胀-压复合的二次变形，直至棱边外侧圆角半径达到设计要求的R。这样即可获得带有棱边小圆角的难变形材料矩形截面空心构件，由于采用较低的气体压力，筒坯胀形量较小，壁厚减薄和内型面精度均可得到有效控制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的难变形材料管坯为钛合金圆截面管坯或金属间化合物圆截面管坯。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3、图6和7所示，本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述模具由上模具2和下模具3组成，先将上模具2和下模具3预热至温度T1，然后将难变形材料管坯1放入上模具2和下模具3构成的模腔中，通过模具热传导将难变形材料管坯1加热至温度T1，在温度为T1下然后利用上模具2向下移动将难变形材料管坯1模压成预制坯形状，得到预制坯。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3、图6和7所示，本实施方式与具体实施方式三的不同点是：步骤二中采用密封结构4和带进气管的密封结构5将预制坯两端密封，由进气管7向预制坯内充入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0和温度为T1下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件。其他与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3、图6和7所示，本实施方式与具体实施方式三或四之一不同点是：步骤三中维持纯胀管件内气体压力P0不变，在温度为T1下驱动上模具2向下运动对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件。其他与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述模具由上模具6、下模具13、侧模具8、弹簧9、底座10、弹簧槽11和配合槽12组成，下模具13嵌入底座10中，底座10设有弹簧槽11，弹簧9安装在弹簧槽11内，侧模具8上部设有配合凸台8-1，将侧模具8安装在弹簧9上，以配合凸台8-1嵌入配合槽12形式将上模具6安装在侧模具8上，先将上模具6、下模具13、侧模具8和底座10预热至温度T1，然后将难变形材料管坯1放入上模具6、下模具13、侧模具8和底座10构成的模腔中，通过模具热传导将难变形材料管坯1加热至温度T1，在温度为T1下然后利用上模具6向下移动将难变形材料管坯1模压成预制坯形状，得到预制坯。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式七：结合图9至图11所示，本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤二中采用密封结构4和带进气管的密封结构5将预制坯两端密封，由进气管7向预制坯内充入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0和温度为T1下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同点是：步骤三中由于纯胀管件使上模具6与侧模具8之间存在间隙，由于弹簧9的支撑使侧模具8与底座10之间存在间隙，下模具13、侧模具8、弹簧9和底座10保持静止情况，且气体压力P0不变，在温度为T1下使上模具6向下移动至与侧模具8完全贴合，先成形出截面上表面棱边圆角；然后下模具13和底座10保持静止情况，且气体压力P0不变，在温度为T1下使上模具6和侧模具8一起压缩弹簧9，至侧模具8与底座10完全贴合，成形出截面下表面棱边圆角，得到矩形截面空心件。其他与具体实施方式六或七相同。
本实施方式在侧模具8和上模具6完全贴合之前，侧模具8对管坯有向上作用的摩擦力，利于上表面棱边圆角成形；侧模具8和上模具6完全贴合后，侧模具8对管坯有向下作用的摩擦力，利于下表面棱边圆角成形；通过改变管坯和侧模具8之间摩擦力的作用方向，提高成形后截面上下圆角尺寸的一致性。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：当难变形材料管坯为钛合金圆截面管坯时，步骤一中700℃≤T1≤800℃，步骤二中35MPa≤P0≤45MPa。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：当难变形材料管坯为Ti2AlNb圆截面管坯时，步骤一中950℃≤T1≤1000℃，步骤二中5MPa≤P0≤10MPa。其他与具体实施方式二相同。
实施例1：结合图6和图7所示，一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，具体是按以下步骤完成的：
一、预成形：所述模具由上模具2和下模具3组成，先将上模具2和下模具3预热至温度750℃，然后将钛合金圆截面管坯1放入上模具2和下模具3构成的模腔中，通过模具热传导将钛合金圆截面管坯1加热至温度750℃，在温度为750℃然后利用上模具2向下移动将钛合金圆截面管坯1模压成预制坯形状，得到预制坯；所述钛合金圆截面管坯的壁厚为t＝2mm，所述钛合金圆截面管坯的外径为D＝40mm，预制坯的高度为h1＝27mm；
二、气压成形：采用密封结构4和带进气管的密封结构5将预制坯两端密封，由进气管7向预制坯内充入气体，直至气体压力达到40MPa，在气体压力为40MPa和温度为750℃下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件，纯胀管件的棱边外侧圆角半径为R1＝6.5mm；
三、气压-模压复合成形：在维持纯胀管件内气体压力为40MPa不变，在温度为750℃下驱动上模具2向下运动对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件，所述矩形截面空心件的棱边圆角的半径R＝2.8mm。
实施例2：结合图6和图7所示，一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，具体是按以下步骤完成的：
一、预成形：所述模具由上模具2和下模具3组成，先将上模具2和下模具3预热至温度970℃，然后将Ti2AlNb圆截面管坯1放入上模具2和下模具3构成的模腔中，通过模具热传导将Ti2AlNb圆截面管坯1加热至温度970℃，在温度为970℃然后利用上模具2向下移动将Ti2AlNb圆截面管坯1模压成预制坯形状，得到预制坯；所述Ti2AlNb圆截面管坯的壁厚为t＝3mm，所述Ti2AlNb圆截面管坯的外径为D＝171mm，预制坯的高度为h1＝76mm；
二、气压成形：采用密封结构4和带进气管的密封结构5将预制坯两端密封，由进气管7向预制坯内充入气体，直至气体压力达到8MPa，在气体压力为8MPa和温度为970℃下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件，纯胀管件的棱边外侧圆角半径为R1＝10.7mm；
三、气压-模压复合成形：在维持纯胀管件内气体压力为8MPa不变，在温度为970℃下驱动上模具2向下运动对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件，所述矩形截面空心件的棱边圆角的半径R＝6mm。
实施例3：结合图9至图11所示，一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，具体是按以下步骤完成的：
一、预成形：所述模具由上模具6、下模具13、侧模具8、弹簧9、底座10、弹簧槽11和配合槽12组成，下模具13嵌入底座10中，底座10设有弹簧槽11，弹簧9安装在弹簧槽11内，侧模具8上部设有配合凸台8-1，将侧模具8安装在弹簧9上，以配合凸台8-1嵌入配合槽12形式将上模具6安装在侧模具8上，先将上模具6、下模具7、侧模具8和底座10预热至温度750℃，然后将钛合金圆截面管坯1放入上模具6、下模具7、侧模具8和底座10构成的模腔中，通过模具热传导将钛合金圆截面管坯1加热至温度750℃，在温度为750℃下，然后利用上模具6向下移动将钛合金圆截面管坯1模压成预制坯形状，得到预制坯；所述钛合金圆截面管坯的壁厚为t＝2mm，所述钛合金圆截面管坯的外径为D＝40mm，预制坯的高度为h1＝24.5mm；
二、气压成形：采用密封结构4和带进气管的密封结构5将预制坯两端密封，由进气管7向预制坯内充入气体，直至气体压力达到40MPa，在气体压力为40MPa和温度为750℃下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件，纯胀管件的棱边外侧圆角半径为R1＝6.1mm；
三、气压-模压复合成形：由于纯胀管件支撑使上模具6与侧模具8之间存在间隙，由于弹簧9的支撑使侧模具8与底座10之间存在间隙，下模具13、侧模具8、弹簧9和底座10保持静止情况，且气体压力为40MPa不变，在温度为750℃下使上模具6向下移动至与侧模具8完全贴合，成形出截面上表面棱边圆角半径；然后下模具13和底座10保持静止情况，且气体压力为40MPa不变，在温度为750℃下使上模具6和侧模具8一起压缩弹簧9，至侧模具8与底座10完全贴合，成形出截面下表面棱边圆角，得到矩形截面空心件，所述矩形截面空心件的上下表面棱边圆角的半径均为R＝2.1mm。
Claims (10)
1.一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、预成形：先将模具预热至温度T1，T1为难变形材料管坯的成形温度，然后将难变形材料管坯放入模具中，通过模具热传导将难变形材料管坯加热至T1，在温度为T1下然后利用模具将难变形材料管坯模压成预制坯形状，得到预制坯；所述难变形材料管坯的壁厚为t，所述难变形材料管坯的外径为D，预制坯的高度为h1，且0.1D≤h1≤0.9D；
二、气压成形：用密封结构将预制坯两端密封，然后向预制坯内通入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0和温度为T1下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件，纯胀管件的棱边外侧圆角半径为R1，且3t≤R1≤5t；
三、气压-模压复合成形：在维持纯胀管件内气体压力P0不变，在温度为T1下利用模具对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件，所述矩形截面空心件的棱边外侧圆角的半径R≤2t。
2.根据权利要求1所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤一中所述的难变形材料管坯为钛合金圆截面管坯或金属间化合物圆截面管坯。
3.根据权利要求2所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤一中所述模具由上模具(2)和下模具(3)组成，先将上模具(2)和下模具(3)预热至温度T1，然后将难变形材料管坯(1)放入上模具(2)和下模具(3)构成的模腔中，通过模具热传导将难变形材料管坯(1)加热至温度T1，然后利用上模具(2)向下移动将难变形材料管坯(1)模压成预制坯形状，得到预制坯。
4.根据权利要求3所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤二中采用密封结构一(4)和带进气管的密封结构二(5)将预制坯两端密封，由进气管(7)向预制坯内充入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件。
5.根据权利要求4所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤三中维持纯胀管件内气体压力P0不变，在温度为T1下驱动上模具(2)向下运动对纯胀管件进行模压，得到矩形截面空心件。
6.根据权利要求2所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤一中所述模具由上模具(6)、下模具(13)、侧模具(8)、弹簧(9)、底座(10)、弹簧槽(11)和配合槽(12)组成，下模具(13)嵌入底座(10)中，底座(10)设有弹簧槽(11)，弹簧(9)安装在弹簧槽(11)内，侧模具(8)上部设有配合凸台(8-1)，将侧模具(8)安装在弹簧(9)上，以配合凸台(8-1)嵌入配合槽(12)形式将上模具(6)安装在侧模具(8)上，先将上模具(6)、下模具(13)、侧模具(8)和底座(10)预热至温度T1，然后将难变形材料管坯(1)放入上模具(6)、下模具(13)、侧模具(8)和底座(10)构成的模腔中，通过模具热传导将难变形材料管坯(1)加热至温度T1，然后利用上模具(6)向下移动将难变形材料管坯(1)模压成预制坯形状，得到预制坯。
7.根据权利要求6所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤二中采用密封结构一(4)和带进气管的密封结构二(5)将预制坯两端密封，由进气管(7)向预制坯内充入气体，直至气体压力达到P0，在气体压力为P0下利用气体压力使预制坯初步胀形为矩形截面，得到纯胀管件。
8.根据权利要求7所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于步骤三中由于纯胀管件使上模具(6)与侧模具(8)之间存在间隙，由于弹簧(9)的支撑使侧模具(8)与底座(10)之间存在间隙，下模具(13)、侧模具(8)、弹簧(9)和底座(10)保持静止情况，且气体压力P0不变，在温度为T1下使上模具(6)向下移动至与侧模具(8)完全贴合，成形出截面上表面棱边圆角；然后下模具(13)和底座(10)保持静止情况，且气体压力P0不变，在温度为T1下使上模具(6)和侧模具(8)一起压缩弹簧(9)，至侧模具(8)与底座(10)完全贴合，成形出截面下表面棱边圆角，得到矩形截面空心件。
9.根据权利要求2所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于当难变形材料管坯为钛合金圆截面管坯时，步骤一中700℃≤T1≤800℃，步骤二中35MPa≤P0≤45MPa。
10.根据权利要求2所述的一种棱边圆角R≤2t难变形材料矩形截面空心件的气压-模压复合成形方法，其特征在于当难变形材料管坯为Ti2AlNb圆截面管坯时，步骤一中950℃≤T1≤1000℃，步骤二中5MPa≤P0≤10MPa。
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