CN109482700B - 一种钛合金半球旋压成型方法及成型工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金半球旋压成型方法及成型工装，该方法包括以下步骤：坯料加工，将钛合金板料加工成圆形坯料，对得到的圆形坯料进行热处理及探伤处理；墩压预成型；旋压成型；将墩压后得到的工件装夹于成型工装，启动旋压设备，在旋压设备施加于成型工装的旋轮上的轴向力和径向力作用下，使圆形坯料发生连续的塑性变形，以完成圆形坯料的旋压成型并得到半球形的钛合金半球；该方法在设备行程受限条件下，实现变壁厚、小体积的钛合金半球旋压成形，成型后工件达到设计图纸尺寸要求，精度较高，保证机械加工工作量。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金半球加工技术领域，特别涉及一种钛合金半球旋压成型方法及成型工装。
背景技术
钛合金球类燃料贮存器是航空航天类产品常用燃料类贮存工具，具有性能稳定、燃料存放量大、同比柱状贮存器体积小等优点。而我国目前对钛合金对产品旋压技术仍有限，大多小体积钛合金半球采用铸件加机械加工成型。近年，我国旋压类产品日益丰富，为控制成本、提高产品质量，我国钛合金类产品旋压技术亟待提高。
由于零件形状复杂，体积小、壁厚不均，精度高，技术难度大，目前很少采用旋压技术成形过类似产品。若采用一道次强旋成形，旋压至球面中段旋轮前端坯料立边严重，造成材料流动困难，进而因过大的旋压轴向拉应力导致已旋压减薄区域出现裂纹。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金半球旋压成型方法及成型工装，以解决上述至少一个问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种钛合金半球旋压成型方法，包括以下步骤：
坯料加工；将钛合金板料加工成圆形坯料，对得到的圆形坯料进行热处理及探伤处理；
墩压预成型；将经探伤处理合格的圆形坯料通过中心直径孔12mm吊装在芯模与墩压尾顶之间，并将圆形坯料与芯模固定，圆形坯料准确放置到位后，将圆心坯料的圆心处加热至700℃～750℃，采用带球面内腔的尾顶墩压对圆形坯料进行预成型加工，墩压压力为10Mpa；
旋压成型；将墩压后得到的工件装夹于成型工装，启动旋压设备，在旋压设备施加于成型工装的旋轮上的轴向力和径向力作用下，使圆形坯料发生连续的塑性变形，以完成圆形坯料的旋压成型并得到半球形的钛合金半球；
退火处理；对经旋压成型得到的钛合金半球进行热处理，以去应力退火；
机加工；将经过退火处理后的钛合金半球进行机加工，以去除双面加工余量。
进一步地，
在所述墩压预成型步骤中，墩压开始之前，使用百分表检查成型工装的旋轮外圆最高点、找正芯模柱面和顶部球面的圆跳动，旋轮外圆最高点和找正芯模柱面的圆跳动均不大于0.1mm，顶部球面的圆跳动不大于0.2mm，调节旋轮与芯模球面之间的间隙，使得该间隙为6.5mm。
进一步地，
在坯料加工步骤中，所述圆形坯料的坯料直径为390mm、壁厚8mm，所述圆形坯料的中心圆孔直径为12mm。
进一步地，在坯料加工步骤中，所述对得到的圆形坯料进行热处理具体为：
热处理的退火温度为750℃±5℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；
进一步地，在坯料加工步骤中，所述对得到的圆形坯料进行探伤处理具体为：
探伤处理为超声波探伤，超声波探伤按GB/T8651进行检测，要求坯料无裂纹。
进一步地，在旋压成型步骤中，所述旋压成型包括以下步骤：
配置好二硫化钼油剂，在芯模的外圆表面涂覆二硫化钼油剂涂层，旋压过程连续对旋轮进行润滑；
采用加热旋压，旋压前先对圆形坯料进行预热，预热时间为10min～15min，红外测温仪检测加热温度在750℃～800℃后开始旋压，旋压过程时应控制旋轮前端坯料温度在700℃～750℃；
经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球；
旋压结束后松开旋压尾顶，待零件冷却后脱模。
进一步地，在旋压成型步骤中，所述经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球包括：
采用R20圆角单旋轮分多道次旋压成形，先旋压2/3球面；
采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式，将圆形坯料于芯模夹角由90°减小为7.19°；
采用R15单旋轮进行后段球面旋压，此段为一道次强旋成形，壁厚由球面旋压至贴胎时的约7mm逐步减薄至最终壁厚6.5mm，旋压过程中主轴转速为80r/min，旋压进给速度为200mm/min。
进一步地，在旋压成型步骤中，采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式具体为：
采用五道强旋与五段普旋组合的旋压方式，强旋逐段贴胎、普旋逐步降低坯料外径，旋压过程中，主轴转速为80r/min，强旋进给速度为110mm/min，普旋进给速度为140mm/min，球面旋压90°至切向角度7.19°完全贴胎。
进一步地，在退火处理步骤中，退火温度为700℃±5℃，保温时间为30min。
本发明还提供一种成型工装，用于如上所述的钛合金半球旋压成型方法中，其特征在于，所述成型工装包括芯模、转接盘、墩压尾顶、旋压尾顶、旋轮和旋轮基座；
所述芯模与所述转接盘固定连接，所述转接盘具有U形缺口和凸台，所述U形缺口用于与旋压设备的卡盘T形槽相对齐，所述凸台装入所述旋压设备的卡盘中心圆孔中，并与所述卡盘固定连接；
所述墩压尾顶和所述旋压尾顶分别与圆形坯料可拆卸地固定连接，并带动所述圆形坯料随芯模运动；
所述旋轮包括第一旋轮和第二旋轮，所述第一旋轮为球面R20单旋轮，所述第二旋轮为球面R15单旋轮，所述第一旋轮和所述第二旋轮均安装在45°设置的旋轮基座上。
本发明提供一种钛合金半球旋压成型方法，可在设备行程受限条件下，实现变壁厚、小体积的钛合金半球旋压成形，成型后工件达到设计图纸尺寸要求，精度较高，保证机械加工工作量。同时，该成型方法实用性强，采用该工艺方法和工装旋压过程稳定可靠，零件表面质量好，无质量缺陷。该方法根据零件球面回转体的结构特点，制订了球面剪切旋压、并铺以加热旋压的旋压成形方案，球面旋压时采用多道次强旋与普旋相组合的成形方式，逐段贴模，逐步收口最后实现产品与模胎的贴合，实现了变壁厚钛合金半球的旋压成形，提高了加工精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的钛合金半球旋压成型方法一种具体实施方式的流程示意图；
图2为本发明所提供的成型方法所需加工成型的钛合金半球旋压产品示意图；
图3为图2所示产品的坯料示意图；
图4为本发明所提供的成型工装一种具体实施方式的结构示意图；
图5为图4所示成型工装中转接盘的结构示意图；
图6为图4所示成型工装中墩压尾顶的结构示意图；
图7为图4所示成型工装中旋压尾顶的结构示意图；
图8为图4所述成型工装中第一旋轮的结构示意图；
图9为图4所述成型工装中第二旋轮的结构示意图。
附图标记说明：
100-钛合金半球 200-坯料
1-转接盘 2-旋压尾顶 3-第一旋轮 4-第二旋轮 5-芯模
6-墩压尾顶
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的钛合金半球旋压成型方法一种具体实施方式的结构示意图。
在一种具体实施方式中，本发明提供的钛合金半球旋压成型方法用于加工如图2所示的钛合金半球100，该实施例以TC4钛合金半球为例，该钛合金半球100为标准球面结构，球面半径R137.5mm，总高度157.19mm，球面壁厚6.5mm。
该旋压成型方法包括以下步骤：
S1：坯料加工；将钛合金板料加工成圆形坯料200(如图3所示)，对得到的圆形坯料200进行热处理及探伤处理。
在S1坯料加工步骤中，所述圆形坯料200的坯料直径为390mm、壁厚8mm，所述圆形坯料的中心圆孔直径为12mm，所述对得到的圆形坯料200进行热处理具体为：热处理的退火温度为750℃±5℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；所述对得到的圆形坯料200进行探伤处理具体为：探伤处理为超声波探伤，超声波探伤按GB/T8651进行检测，要求坯料200无裂纹。
S2：墩压预成型；将经探伤处理合格的圆形坯料吊装在芯模与墩压尾顶之间，并将圆形坯料与芯模固定，圆形坯料准确放置到位后，将圆心坯料的圆心处加热至700℃～750℃，采用带球面内腔的尾顶墩压对圆形坯料中心100mm进行预成型加工，墩压压力为10Mpa。
在S2墩压预成型步骤中，墩压开始之前，使用百分表检查成型工装的旋轮外圆最高点、找正芯模柱面和顶部球面的圆跳动，旋轮外圆最高点和找正芯模柱面的圆跳动均不大于0.1mm，顶部球面的圆跳动不大于0.2mm，调节旋轮与芯模球面之间的间隙，使得该间隙为6.5mm。
S3：旋压成型；将墩压后得到的工件装夹于成型工装，启动旋压设备，在旋压设备施加于成型工装的旋轮上的轴向力和径向力作用下，使圆形坯料200发生连续的塑性变形，以完成圆形坯料200的旋压成型并得到半球形的钛合金半球100；
在S3旋压成型步骤中，所述旋压成型包括以下步骤：
S31：配置好二硫化钼油剂，在芯模5的外圆表面涂覆二硫化钼油剂涂层，旋压过程连续对旋轮进行润滑；
S32：采用加热旋压，旋压前先对圆形坯料200进行预热，预热时间为10min～15min，红外测温仪检测加热温度在750℃～800℃后开始旋压，旋压过程时应控制旋轮前端坯料200温度在700℃～750℃；
S33：经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球100；
S34：旋压结束后松开旋压尾顶2，待零件冷却后脱模。
进一步地，在S3旋压成型步骤中，所述经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球100包括：
采用R20圆角单旋轮分多道次旋压成形，先旋压2/3球面；
采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式，将圆形坯料于芯模夹角由90°减小为7.19°；
采用R15单旋轮进行后段球面旋压，此段为一道次强旋成形，壁厚由球面旋压至贴胎时的约7mm逐步减薄至最终壁厚6.5mm，旋压过程中主轴转速为80r/min，旋压进给速度为200mm/min。
在S3旋压成型步骤中，采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式具体为：
采用五道强旋与五段普旋组合的旋压方式，强旋逐段贴胎、普旋逐步降低坯料外径，旋压过程中，主轴转速为80r/min，强旋进给速度为110mm/min，普旋进给速度为140mm/min，球面旋压90°至切向角度7.19°完全贴胎。
S4：退火处理；对经旋压成型得到的钛合金半球100进行热处理，以去应力退火；在S5退火处理步骤中，退火温度为700℃±5℃，保温时间为30min。
S5：机加工；将经过退火处理后的钛合金半球100进行机加工，以去除双面加工余量。
本发明提供一种钛合金半球旋压成型方法，可在设备行程受限条件下，实现变壁厚、小体积的钛合金半球旋压成形，成型后工件达到设计图纸尺寸要求，精度较高，保证机械加工工作量。同时，该成型方法实用性强，采用该工艺方法和工装旋压过程稳定可靠，零件表面质量好，无质量缺陷。该方法根据零件球面回转体的结构特点，制订了球面剪切旋压、并铺以加热旋压的旋压成形方案，球面旋压时采用多道次强旋与普旋相组合的成形方式，逐段贴模，逐步收口最后实现产品与模胎的贴合，实现了变壁厚钛合金半球的旋压成形，提高了加工精度。该方法适用于设备行程受限，零件形状复杂，壁厚不均匀，精度高的小体积钛合金回转类产品的旋压成形通过对镦压尾顶、旋压尾顶、转接盘、旋压芯模、旋压轨迹、旋压温度、旋轮半径等工艺参数的设定，制订了球面剪切旋压、并铺以加热旋压的旋压成形方案，实现了变壁厚钛合金半球的旋压成形。
除了上述内衬旋压成型方法，本发明还提供一种用于该方法的成型工装，该成型工装安装在旋压设备上，实现钛合金半球100的夹紧和安装。
在一种具体实施方式中，本发明提供的成型工装用于如上所述的钛合金半球旋压成型方法中，如图4-图9所示，所述成型工装包括芯模5、转接盘1、旋压尾顶2、墩压尾顶6、旋轮和旋轮基座；其中，所述芯模5与所述转接盘1固定连接，所述转接盘1具有U形缺口和凸台，所述U形缺口用于与旋压设备的卡盘T形槽相对齐，所述凸台装入所述旋压设备的卡盘中心圆孔中，并与所述卡盘固定连接；所述墩压尾顶6和所述旋压尾顶2分别与圆形坯料200可拆卸地固定连接，并带动所述圆形坯料200随芯模5运动；所述旋轮包括第一旋轮3和第二旋轮4，所述第一旋轮3为球面R20单旋轮，所述第二旋轮4为球面R15单旋轮，所述第一旋轮和所述第二旋轮均安装在45°设置的旋轮基座上。
具体地，芯模5与转接盘1通过螺钉连接，将转接盘1的U形缺口与设备卡盘的T形槽对齐，转接盘1的凸台装入设备卡盘中心圆孔中，并后通过螺栓进行固定，芯模5与转接盘1的组合体随设备主轴旋转运动；墩压尾顶用于在墩压过程中、所述旋压尾顶2用于在旋压过程中固定坯料200随芯模5同步运动，旋轮安装在45°旋轮基座上，通过设备施加在旋轮上的轴向力和径向力作用下，使坯料200发生连续的塑性变形，最终实现零件的旋压成型。
在上述墩压预成型步骤中，将经探伤处理合格的圆形坯料吊装在芯模5与墩压尾顶2之间，并将圆形坯料200与芯模5固定，圆形坯料200准确放置到位后，将圆心坯料200的圆心处加热至700℃～750℃，采用带球面内腔的尾顶墩压对圆形坯料中心直径10mm位置进行预成型加工，墩压压力为10Mpa。
在上述旋压成型步骤中，将墩压后得到的工件装夹于成型工装，启动旋压设备，在旋压设备施加于成型工装的旋轮上的轴向力和径向力作用下，使圆形坯料200发生连续的塑性变形，以完成圆形坯料200的旋压成型并得到半球形的钛合金半球100。
在上述旋压成型步骤中，配置好二硫化钼油剂，在芯模5的外圆表面涂覆二硫化钼油剂涂层，旋压过程连续对旋轮进行润滑；采用加热旋压，旋压前先对圆形坯料200进行预热，预热时间为10min～15min，红外测温仪检测加热温度在750℃～800℃后开始旋压，旋压过程时应控制旋轮前端坯料200温度在700℃～750℃；经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球100；旋压结束后松开旋压尾顶2，待零件冷却后脱模。采用R20圆角单旋轮分多道次旋压成形，先旋压2/3球面；采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式，将圆形坯料于芯模夹角由90°减小为7.19°；采用R15单旋轮进行后段球面旋压，此段为一道次强旋成形，壁厚由球面旋压至贴胎时的约7mm逐步减薄至最终壁厚6.5mm，旋压过程中主轴转速为80r/min，旋压进给速度为200mm/min。采用五道强旋与五段普旋组合的旋压方式，强旋逐段贴胎、普旋逐步降低坯料外径，旋压过程中，主轴转速为80r/min，强旋进给速度为110mm/min，普旋进给速度为140mm/min，球面旋压90°至切向角度7.19°完全贴胎。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
坯料加工；将钛合金板料加工成圆形坯料，对得到的圆形坯料进行热处理及探伤处理；
墩压预成型；将经探伤处理合格的圆形坯料通过中心直径孔12mm吊装在芯模与墩压尾顶之间，并将圆形坯料与芯模固定，圆形坯料准确放置到位后，将圆心坯料的圆心处加热至700℃～750℃，采用带球面内腔的尾顶墩压对圆形坯料进行预成型加工，墩压压力为10Mpa；
旋压成型；将墩压后得到的工件装夹于成型工装，启动旋压设备，在旋压设备施加于成型工装的旋轮上的轴向力和径向力作用下，使圆形坯料发生连续的塑性变形，以完成圆形坯料的旋压成型并得到半球形的钛合金半球；
所述旋压成型包括以下步骤：
配置好二硫化钼油剂，在芯模的外圆表面涂覆二硫化钼油剂涂层，旋压过程连续对旋轮进行润滑；
采用加热旋压，旋压前先对圆形坯料进行预热，预热时间为10min～15min，红外测温仪检测加热温度在750℃～800℃后开始旋压，旋压过程时应控制旋轮前端坯料温度在700℃～750℃；
经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球；
旋压结束后松开旋压尾顶，待零件冷却后脱模；
所述经过多道次旋压以得到成型的钛合金半球包括：
采用R20圆角单旋轮分多道次旋压成形，先旋压2/3球面；
采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式，将圆形坯料于芯模夹角由90°减小为7.19°；
采用R15单旋轮进行后段球面旋压，此段为一道次强旋成形，壁厚由球面旋压至贴胎时的约7mm逐步减薄至最终壁厚6.5mm，旋压过程中主轴转速为80r/min，旋压进给速度为200mm/min；
退火处理；对经旋压成型得到的钛合金半球进行热处理，以去应力退火；
机加工；将经过退火处理后的钛合金半球进行机加工，以去除双面加工余量。
2.如权利要求1所述的钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，
在所述墩压预成型步骤中，墩压开始之前，使用百分表检查成型工装的旋轮外圆最高点、找正芯模柱面和顶部球面的圆跳动，旋轮外圆最高点和找正芯模柱面的圆跳动均不大于0.1mm，顶部球面的圆跳动不大于0.2mm，调节旋轮与芯模球面之间的间隙，使得该间隙为6.5mm。
3.如权利要求1所述的钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，
在坯料加工步骤中，所述圆形坯料的坯料直径为390mm、壁厚8mm，所述圆形坯料的中心圆孔直径为12mm。
4.如权利要求1所述的钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，在坯料加工步骤中，所述对得到的圆形坯料进行热处理具体为：
热处理的退火温度为750℃±5℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷。
5.如权利要求1所述的钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，在坯料加工步骤中，所述对得到的圆形坯料进行探伤处理具体为：
探伤处理为超声波探伤，超声波探伤按GB/T8651进行检测，要求坯料无裂纹。
6.如权利要求1所述的钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，在旋压成型步骤中，采用多道次普旋与强旋相结合的组合旋压方式具体为：
采用五道强旋与五段普旋组合的旋压方式，强旋逐段贴胎、普旋逐步降低坯料外径，旋压过程中，主轴转速为80r/min，强旋进给速度为110mm/min，普旋进给速度为140mm/min，球面旋压90°至切向角度7.19°完全贴胎。
7.如权利要求1所述的钛合金半球旋压成型方法，其特征在于，在退火处理步骤中，退火温度为700℃±5℃，保温时间为30min。
8.一种成型工装，用于如权利要求1-7任一项所述的钛合金半球旋压成型方法中，其特征在于，所述成型工装包括芯模、转接盘、墩压尾顶、旋压尾顶、旋轮和旋轮基座；
所述芯模与所述转接盘固定连接，所述转接盘具有U形缺口和凸台，所述U形缺口用于与旋压设备的卡盘T形槽相对齐，所述凸台装入所述旋压设备的卡盘中心圆孔中，并与所述卡盘固定连接；
所述墩压尾顶和所述旋压尾顶分别与圆形坯料可拆卸地固定连接，并带动所述圆形坯料随芯模运动；
所述旋轮包括第一旋轮和第二旋轮，所述第一旋轮为球面R20单旋轮，所述第二旋轮为球面R15单旋轮，所述第一旋轮和所述第二旋轮均安装在45°设置的旋轮基座上。
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