CN109622713B - 难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法 - Google Patents

难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，可在室温条件下成形复杂形状的难变形金属曲母线构件，成形过程中无需加热，有利于提高生产效率、降低成本，可广泛应用于金属材料的塑性成形领域。本发明步骤如下：将毛坯在1141℃～1250℃下保温60min进行固溶处理，再冷却；设计锥形芯模与蝶形旋轮，对毛坯剪切旋压，成形出预制锥形件；设计曲母线芯模及复合型面旋轮，将预制锥形件作为预制坯，采用圆弧往程轨迹进行多道次普通旋压，成形出复合曲母线构件；对复合曲母线构件的直筒口部进行修边，修边余量为10‑15mm。

Description

难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法
技术领域
本发明涉及金属材料的塑性成形技术领域，特别涉及难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法。
背景技术
难变形金属是指化学成分复杂、合金元素含量高，在室温加工过程中具有变形抗力大、塑性低或加工硬化严重等特点的一类金属材料，如镍基高温合金。难变形金属因具备高强、良好的抗氧化和抗腐蚀性能等优点被广泛用于航空、航天、化工、舰船等高端技术领域。曲母线构件是一类应用领域十分广泛的零件，如航空发动机燃烧室壳体用的锥-筒复合曲母线构件。但因其形状复杂的特点，使得该类零件加工难度大，实际生产受到制约。
由于难变形金属具有室温变形抗力大、曲母线构件具有形状复杂的特点，目前通常采用热冲压、热旋压等热塑性成形方法来制备难变形金属曲母线构件。但采用热塑性成形方法制备该类零件时，需要专用的加热设备，因而热塑性成形设备占用空间大、成本高；同时，热塑性成形设备存在加热温度难以控制、温度分布不均匀的问题，使得成形过程中容易出现各种缺陷。这些因素严重阻碍了难变形金属曲母线构件的生产应用。
在实际制造生产难变形金属曲母线构件时，一方面需要零件具有优异的性能与精度，以满足零件在特定服役环境下的使用要求，同时又希望其塑性成形条件容易满足、成形工艺简单，以实现工业高效率生产，降低制造成本。
发明内容
为了克服现有技术中制备难变形金属曲母线构件需要加热成形的局限，本发明提供一种难变形镍基高温合金复合曲母线构件的室温旋压成形方法，既能制备出精度与性能满足使用要求的零件，又能省去成形过程中的专用加热设备、简化成形条件，达到提高生产效率、降低制造成本的目的。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，包括如下步骤，
A-1、将毛坯在1141℃～1250℃下保温60min进行固溶处理，再冷却；
A-2、设计锥形芯模与蝶形旋轮，对毛坯进行剪切旋压，成形出预制锥形件；
A-3、设计曲母线芯模及复合型面旋轮，将预制锥形件作为预制坯，采用圆弧往程轨迹进行多道次普通旋压，成形出复合曲母线构件；
A-4、对复合曲母线构件的直筒口部进行修边。
进一步，步骤A-1中固溶处理温度要高于主要强化相碳化物的溶解温度，使合金中严重偏聚的碳化物均匀地溶入基体中。
进一步，步骤A-2中采用的剪切旋压，要在小进给比及负偏移率下进行，偏移率Δt′＝-20％，蝶形旋轮的进给比为0.2mm/r。
进一步，步骤A-3中采用的旋压成形方法是圆弧往程轨迹的多道次普通旋压。
进一步，步骤A-4中的口部切除工序由切边轮完成。
进一步，步骤A-3中曲母线芯模采用锥-筒形芯模，采用道次间距p＝4mm、道次仰角θ逐渐减小的圆弧往程轨迹进行多道次拉深旋压成形口部筒形部分。
进一步，步骤A-3中曲母线芯模采用筒-锥-筒形芯模，先采用缩径旋压成形出小直径筒形部分和锥形部分，再采用道次间距p＝4mm、道次仰角θ逐渐减小的圆弧往程轨迹进行多道次拉深旋压成形口部筒形部分。
进一步，在步骤A-1之前，根据曲母线构件壁厚、直径及修边余量等参数，按照体积不变原理及剪切旋压正弦定律，预制毛坯。
本发明设计合理，可广泛应用于金属材料的塑性成形技术领域，具有如下有益效果：
1、本发明可以实现难变形金属构件的室温成形，在成形过程中无需加热，能极大的提高生产效率并降低制造成本；
2、本发明通过相对简单的旋压工艺，即剪切旋压结合多道次普通旋压，无需中间热处理工艺，能实现复杂曲母线构件的精准成形；
3、采用本发明方法加工曲母线构件，能极大的节省材料、降低材料成本。
附图说明
图1是本发明制备出的一种难变形金属锥-筒复合曲母线构件的示意图；
图2是本发明中毛坯热处理温度的变化曲线；
图3是本发明中剪切旋压成形预制锥形件的成形示意图；
图4是本发明采用多道次普通旋压成形图1所示零件的成形示意图；
图5是本发明制备图1所示零件时切边轮进行修边时的示意图；
图6是本发明制备出的一种难变形金属筒-锥-筒复合曲母线构件的示意图；
图7是本发明采用多道次普通旋压成形图6所示零件的成形示意图；
图8是本发明制备图6所示零件时切边轮进行修边时的示意图。
附图标记：2、尾顶；3、圆形板料；6、主轴。
具体实施方式
下面结合图1至图8对本发明做进一步的说明。
难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法可用于成形锥-筒复合曲母线构件和筒-锥-筒复合曲母线构件两种复杂形状的零件，其具体步骤分别如实施例一和实施例二。实施例一为成形锥-筒复合曲母线构件的步骤，根据曲母线构件的几何形状，采用剪切旋压结合多道次拉深旋压的方式成形。实施例二为成形筒-锥-筒复合曲母线构件的步骤，根据曲母线构件的几何形状，采用剪切旋压结合缩径旋压及多道次拉深旋压的方式成形。实施例一和实施例二中各步骤中的旋压成形步骤均在室温条件下进行。
实施例一：
图1是某种难变形镍基高温合金锥-筒复合曲母线构件的示意图，其材料为Haynes230镍基高温合金，要求零件筒壁壁厚t＝1.73mm、底部直径D1＝96mm、口部内径D2＝176mm及锥形部分的半锥角为α＝60°。
根据剪切旋压正弦定律得出毛坯原始壁厚为t0＝t/sinα＝2mm；毛坯为圆形板料，按照体积不变原理，通过理论分析及三维软件绘图，并结合10mm的修边余量，计算圆形板料的直径为243mm。
A-1、将毛坯放入加热炉中，以10℃/s的速度升温到T0＝1230℃进行保温60min，然后出炉水冷，毛坯热处理时温度变化如图2所示。
A-2、剪切旋压成形预制锥形件的示意图如图3所示。设计制造出半锥角α＝60°、小端直径D1＝96mm的锥形芯模与两个圆角半径rρ＝2.5mm的蝶形旋轮。采用偏移率Δt′＝-20％及蝶形旋轮进给比0.2mm/r进行剪切旋压，计算得蝶形旋轮与锥形芯模的间隙c＝t×(1+Δt′)＝1.39mm。
成形过程如下：先将锥形芯模通过螺栓连接固定在主轴6上；然后圆形板料3对中安装在锥形芯模上，并由尾顶2顶紧。由主轴6带动锥形芯模及圆形板料3进行高速旋转，对称布置的两个蝶形旋轮沿锥形芯模的母线方向进给。
A-3、图4为多道次普通旋压成形图1所示锥-筒复合曲母线构件的示意图，曲母线芯模采用锥-筒形芯模。设计一个筒身直径为D2＝176mm的锥-筒形芯模与两个圆角半径为小径rρ＝10mm、大径rρ′＝25mm的复合型面旋轮。
以剪切旋压成形后的锥形件作为预制坯，采用首道次仰角θ0＝50°、道次间距p＝4mm的圆弧往程轨迹多道次拉深旋压成形口部筒形部分，旋压过程中，道次仰角θ按5°间隔逐渐减小。
A-4、如图5所示，采用切边轮对多道次拉深旋压成形后的锥-筒形件口部进行修边，修边余量l＝10mm。
至此，即可获得满足使用要求的难变形Haynes230镍基高温合金锥-筒复合曲母线构件。
实施例二：
图6是某种难变形镍基高温合金筒-锥-筒复合曲母线构件的示意图，其材料为Haynes230镍基高温合金，要求零件筒壁壁厚t＝2mm、底部内径D1＝68mm、口部内径D2＝200mm、锥形部分半锥角α1＝60°、零件总高H＝80mm及口部筒高H1＝30mm。
为使剪切旋压后的预制锥形件在进行多道次普旋时，凸缘部分不出现失稳起皱，设计预制锥形件与曲母线形芯模圆角处相切。根据几何关系，可得剪切旋压时的半锥角为α＝arctan[(D2-D1)/2(H-H1)]＝53°，而多道次普通旋压成形后零件壁厚不变，即可得毛坯壁厚为t0＝t/sinα＝2.5mm；毛坯为圆形板料，按照体积不变原理，通过理论分析及三维软件绘图，并结合10mm的修边余量，计算圆形板料的直径为259mm。
A-1、将毛坯放入加热炉中，以10℃/s的速度升温到T0＝1230℃进行保温60min，然后出炉水冷，毛坯热处理时温度变化如图2所示。
A-2、剪切旋压成形预制锥形件的示意图如图3所示，成形过程与实施例一中相同。设计制造出半锥角α＝53°、小端直径D1＝68mm的锥形芯模与两个圆角半径为rρ＝4mm的蝶形旋轮。采用偏移率Δt′＝-20％及旋轮进给比0.2mm/r进行剪切旋压，计算得旋轮与芯模的间隙c＝t×(1+Δt′)＝1.6mm。
A-3、图7为多道次普通旋压成形图6所示筒-锥-筒复合曲母线构件的示意图，曲母线芯模采用筒-锥-筒形芯模。设计一个小筒直径D1＝68mm、大筒直径D2＝200mm、锥形部分半锥角α1＝60°的筒-锥-筒形芯模与两个圆角半径为小径rρ＝12mm、大径rρ′＝25mm的复合型面旋轮。
以剪切旋压成形后的锥形件作为预制坯，首先采用缩径旋压成形出小直径筒形部分及锥形部分；然后采用首道次仰角θ0＝50°、道次间距p＝4mm的圆弧往程轨迹多道次拉深旋压成形口部筒形部分，旋压过程中，道次仰角θ按6°间隔逐渐减小。
A-4、如图8所示，采用切边轮对拉深旋压成形后的锥筒形件口部进行修边，修边余量l＝10mm。
至此，即可获得满足使用要求的难变形Haynes230镍基高温合金筒-锥-筒复合曲母线构件。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，其特征在于：包括如下步骤，
A-1、将毛坯在1141℃～1250℃下保温60min进行固溶处理，再冷却；
A-2、设计锥形芯模与蝶形旋轮，对毛坯进行剪切旋压，成形出预制锥形件；
A-3、设计曲母线芯模及复合型面旋轮，将预制锥形件作为预制坯，采用圆弧往程轨迹进行多道次普通旋压，根据零件的结构特点，曲母线芯模采用筒-锥-筒形芯模，先采用缩径旋压成形出小直径筒形部分和锥形部分，再采用道次间距
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、道次仰角θ逐渐减小的圆弧往程轨迹进行多道次拉深旋压成形口部筒形部分，成形出复合曲母线构件；
A-4、对复合曲母线构件的直筒口部进行修边。
2.根据权利要求1所述的难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，其特征在于：步骤A-1中固溶处理温度要高于主要强化相碳化物的溶解温度，使合金中严重偏聚的碳化物均匀地溶入基体中。
3.根据权利要求1所述的难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，其特征在于：步骤A-2中采用的剪切旋压，要在小进给比及负偏移率下进行，偏移率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，蝶形旋轮的进给比为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
4.根据权利要求1所述的难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，其特征在于：步骤A-3中采用的旋压成形方法是圆弧往程轨迹的多道次普通旋压。
5.根据权利要求1所述的难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，其特征在于：步骤A-4中的口部切除工序由切边轮完成。
6.根据权利要求1所述的难变形镍基高温合金复合曲母线构件室温旋压成形方法，其特征在于：在步骤A-1之前，根据曲母线构件壁厚、直径及修边余量，按照体积不变原理及剪切旋压正弦定律，预制毛坯。
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