CN109731975B - 一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，包括以下步骤：S1：热定型模具的制造；S2：钛合金双曲面板的成型；S3：上述所有工作完成后，高强度钛合金双曲面薄壁宽板的仿形模压冷成形+热定型工作已全部完成，并具备后续装配工艺要求。本发明高强度钛合金双曲面薄壁宽板仿形模压冷成形+热定型的成形方法，兼顾了冷压、热压或无模多点成形的优点，无需专用场地，且成形后的双曲面板宽度增加一倍且应力较小，成形精度相对较高等，仿形模压冷成形+热定型主要为仿形压制模具，同时也是钛合金双曲面板的热定型模具的制造以及钛合金板成形后的炉内热定型工作。

Description

一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法。

背景技术

钛合金具有耐高温、耐腐蚀、比强度小、综合力学性能好等优点，现已广泛应用与航空航天、医药、船舶、化工等各个领域。钛合金的强度高、各向异性指数大，单位成形压力高，同时钛合金的弹性模量小，回弹大，受压时的稳定性较低，约为一般材料的50％左右，易失稳起皱，且弯曲能力差，只有普通材料的20％。因此研究高强度钛合金的成形技术对钛合金的使用与推广具有非常重要的意义。

现有的钛合金双曲面板成形方式主要有三种，一为冷成形，即钛合金板材在常温状态下通过专用设备或模具压制成形；二为热成形，即将钛合金板材加热到其再结晶温度以上并保温一定时间，使得其温度较为均匀后通过专用设备或模具压制成形；三为无模多点成形方式，即钛合金板材在常温状态下通过专用无模多点压制成形模具和专有压机配合下压制成形。冷压成形的优点是节能环保，无需配置加热装置，但其成形精度较差，成形区间小，一般只用于成形曲率较大零部件的加工；热压成形的优点是成形能力较好、精度较高，但因其对加热装置及成形设备有较高的要求，成本相对较高，且须有固定的场地、专用的加热装置及相关配套送料机构或设备。无模多点成形的优点是免去传统模具设计、制造与调试工作，节约大量的模具材料及制造模具所需的时间、空间和费用，可改善变形条件，提高板材的成形极限，扩大加工范围，实现难加工材料的塑性变形；但因其由CAD系统、微机控制系统和机械系统等三大系统组成，需投入大量的人力、物力、财务及精力并通过大量的试验验证才可实现，从而使得其优势大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，仿形模压冷成形+热定型的钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，其具有冷成形的优点，即无需专用的加热装置、场地及配套的送料机构或设备，同时又具有热成形和无模多点成形的成形精度高，回弹变形小的优点，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，包括以下步骤：

S1：热定型模具的制造，具体步骤如下：

A：根据高强度钛合金双曲面板的型线建造出相关三维模型；检查确认其三维模型的线型精度符合技术文件要求；

B：根据高强度钛合金双曲面薄壁宽板的板幅对三维模型进行分片剖切并编号，模型分片剖切的原则是保证高强度钛合金双曲面薄壁宽板的板幅能够满足其成型尺寸要求且具有一定的二次加工余量；

C：根据剖切出的高强度钛合金双曲面薄壁宽板三维模型，在三维软件中偏移出所需要的仿形压模暨热定型模具的上、下模具曲面，并根据模具内部支撑加强筋板布置图剖切出相关模具曲面，从而得出上、下仿形压模内部支撑加强筋板的线型以作为仿形压模的建造依据；

D：建造工艺流程，步骤如下：

a：上、下仿形压模的底板、左右侧板、前后侧板及内部各支撑加强筋板下料加工，为保证上下仿形压模型线的精准度，要求上述各零部件均使用数控水刀或数控等离子下料成形；

b：在上、下仿形压模的底板上分别划内部各纵横向支撑加强筋板位置线，并依次组对、找正点固各纵横向支撑加强筋，确认其合格后再施焊成形；

c：修磨上、下仿形压模各支撑加强筋板弧形表面成形，并使用仿形样板进行检测合格，以保证各支撑加强筋板型线无影响钛合金薄壁宽板成型精度的偏差；

d：在上、下仿形压模各支撑加强筋板上分别覆盖一层面板，并使用仿形检测样板对面板进行检测合格，并对上、下仿形压模面板进行二次数控机加工成型；

e：对加工完成后的上、下仿形压模进行配对标识，标识内容包括对应的零件号、压模中心线及前、后、左、右方位；

S2：钛合金双曲面板的成型，上、下仿形压模暨热定型模具建造完成后，对预卷后的高强度钛合金薄壁宽板进行双曲面模压并热定型成形，其具体步骤如下：

A：依据高强度钛合金双曲面宽板的三维图型展开得到高强度钛合金薄壁板材的下料尺寸图；下料时高强度钛合金板各边需预留足够的切割余量，并根据放样图形进行水切割下料；

B：标识清楚高强度钛合金薄壁板的中线及方位，以便于与仿形压模暨热定型模具装夹、找正；

C：采用胶辊卷板机对高强度钛合金薄壁宽板进行长度方向的单曲率预卷成形；

D：将上、下仿形压模暨热定型模具整体安装至指定的油压机上并找正固定，保证上、下仿形压模中心位置对正，以确保后续高强度钛合金薄壁宽板压制时受力均匀；

E：将预卷后的高强度钛合金薄壁宽板按照标识找正后放入上、下仿形压模暨热定型模具中间；

F：使用油压机将上、下仿形压模暨热定型模具与高强度钛合金薄壁宽板压紧贴实，保证仿形压模与高强度钛合金薄壁宽板之间基本无缝隙；

G：上、下仿形压模与高强度钛合金薄壁宽板压紧贴实后，在上、下仿形压模四周分别施焊多块工装连接板以固定上、下仿形压模；

H：将已焊接固定后的上、下仿形压模暨热定型模具整体放入指定的电加热炉内，并将相关热电偶与上、下仿形压模暨热定型模具进行连接固定；

I：根据前期消应力热处理试验确定的的热定型工艺制度对高强度钛合金双曲面薄壁宽板进行整体炉内热定型处理，以有效消除模压成形应力，防止高强度钛合金双曲面薄壁宽板与仿形压模分离后的回弹变形；

J：炉内热定型完成后，拆除工装连接板并将上、下仿形压模分离，并采用仿形样板对热定型后的高强度钛合金双曲面薄壁宽板进行线型检测，以确定其双曲面符合技术文件要求；

K：对检验合格的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面进行全部渗透检测至合格；

L：根据高强度钛合金双曲面薄壁宽板的最终成型尺寸要求，标识其工艺外形线及检查线，并通过多次切割、修配以达到其最终工艺装配要求；

M：对达到工艺装配要求的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面依次进行喷砂、酸洗处理，并对其边部及焊接边缘区域进行抛光处理，以使其达到焊接要求；

N：对已表面处理合格的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面进行全部渗透检测至合格，并清洗干净后备用；

S3：上述所有工作完成后，高强度钛合金双曲面薄壁宽板的仿形模压冷成形+热定型工作已全部完成，并具备后续装配工艺要求。

优选的，所述步骤S1中的B步骤中切割后的模型分片的长宽深比例为4:2:1。

优选的，所述步骤S1中的C步骤中下仿形压模内部支撑加强筋板布置于模具底板与面板之间。

优选的，所述步骤S1中的D步骤中上、下仿形压模采取整体焊接模具，通过数控机床分别加工上、下仿形压模双曲面成形，检测合格后再进行配对标识。

本发明提出的一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用仿形模压冷成形+热定型工艺方案成形后的高强度钛合金双曲面薄壁宽板，其线型较理论线型偏差满足相关技术要求。高强度钛合金双曲面薄壁宽板的成形精度与钛合金双曲面板自身的曲率、仿形压模暨热定型模具的模面精度以及热定型工艺制度密切相关。高强度钛合金双曲面薄壁宽板的成型曲率较小、仿形压模暨热定型模具深度越深的，其双曲面板成形精度越差；仿形压模暨热定型模具模面的精度越高，与成形的双曲面板压紧贴实程度越好，则双曲面板的成形精度越高；炉内热定型的工艺制度越合理，残余应力消除效果越好，则双曲面板的成形精度也越高。

2、仿形模压冷成形+热定型的工艺成型方式，即有冷成形的便利性，无需专用场地，又兼顾了热成形的成形精度高，回弹变形小的优点；同时，也可避免无模多点成形为有效集成三大系统而必须投入的大量的人力、物力、财务及精力，大大减少了其繁琐的试验验证过程及试验验证时间。因此对于无专用热成形场地及配套装备，同时要求成形精度高，回弹变形小的高强度钛合金双曲面薄壁宽板的制造，仿形模压冷成形+热定型的成形方法应为一种较佳的解决方案；且双曲面板的成形精度可以通过热定型模具的模面精度予以控制，可基本满足不同成形精度要求。

附图说明

图1为本发明的仿形压模暨热定型的上压模结构示意图；

图2为本发明的仿形压模暨热定型的下压模结构示意图；

图3为本发明的高强度钛合金双曲面薄壁宽板示意图；

图4为本发明的仿形压模暨热定型模具内部支撑加强筋板布置图。

图中：1上底板、2前侧板、3左侧板、4上面板、5后侧板、6右侧板、7下底板、8左侧板、9后侧板、10下面板、11右侧板、12前侧板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

本发明提供了一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，包括以下步骤：

S1：热定型模具的制造，具体步骤如下：

A：根据高强度钛合金双曲面板的型线建造出相关三维模型；检查确认其三维模型的线型精度符合技术文件要求；

B：根据高强度钛合金双曲面薄壁宽板的板幅对三维模型进行分片剖切并编号，具体参见图3所示，模型分片剖切的原则是保证高强度钛合金双曲面薄壁宽板的板幅能够满足其成型尺寸要求且具有一定的二次加工余量；

C：根据剖切出的高强度钛合金双曲面薄壁宽板三维模型，在三维软件中偏移出所需要的仿形压模暨热定型模具的上、下模具曲面，并根据模具内部支撑加强筋板布置图剖切出相关模具曲面，参见图4所示，从而得出上、下仿形压模内部支撑加强筋板的线型以作为仿形压模的建造依据；

D：建造工艺流程，请参阅图1-2，步骤如下：

a：上、下仿形压模的底板、左右侧板、前后侧板及内部各支撑加强筋板下料加工，为保证上下仿形压模型线的精准度，要求上述各零部件均使用数控水刀或数控等离子下料成形；

b：在上、下仿形压模的底板上分别划内部各纵横向支撑加强筋板位置线，并依次组对、找正点固各纵横向支撑加强筋，确认其合格后再施焊成形；

c：修磨上、下仿形压模各支撑加强筋板弧形表面成形，并使用仿形样板进行检测合格，以保证各支撑加强筋板型线无影响钛合金薄壁宽板成型精度的偏差；

d：在上、下仿形压模各支撑加强筋板上分别覆盖一层面板，并使用仿形检测样板对面板进行检测合格，并对上、下仿形压模面板进行二次数控机加工成型；

e：对加工完成后的上、下仿形压模进行配对标识，标识内容包括对应的零件号、压模中心线及前、后、左、右等方位；

S2：钛合金双曲面板的成型，上、下仿形压模暨热定型模具建造完成后，对预卷后的高强度钛合金薄壁宽板进行双曲面模压并热定型成形，其具体步骤如下：

A：依据高强度钛合金双曲面宽板的三维图型展开得到高强度钛合金薄壁板材的下料尺寸图；下料时高强度钛合金板各边需预留足够的切割余量，并根据放样图形进行水切割下料；

B：标识清楚高强度钛合金薄壁板的中线及方位，以便于与仿形压模暨热定型模具装夹、找正；

C：采用胶辊卷板机对高强度钛合金薄壁宽板进行长度方向的单曲率预卷成形；

D：将上、下仿形压模暨热定型模具整体安装至指定的油压机上并找正固定，保证上、下仿形压模中心位置对正，以确保后续高强度钛合金薄壁宽板压制时受力均匀；

E：将预卷后的高强度钛合金薄壁宽板按照标识找正后放入上、下仿形压模暨热定型模具中间；

F：使用油压机将上、下仿形压模暨热定型模具与高强度钛合金薄壁宽板压紧贴实，保证仿形压模与高强度钛合金薄壁宽板之间基本无缝隙；

G：上、下仿形压模与高强度钛合金薄壁宽板压紧贴实后，在上、下仿形压模四周分别施焊多块工装连接板以固定上、下仿形压模；

H：将已焊接固定后的上、下仿形压模暨热定型模具整体放入指定的电加热炉内，并将相关热电偶与上、下仿形压模暨热定型模具进行连接固定；

I：根据前期消应力热处理试验确定的的热定型工艺制度对高强度钛合金双曲面薄壁宽板进行整体炉内热定型处理，以有效消除模压成形应力，防止高强度钛合金双曲面薄壁宽板与仿形压模分离后的回弹变形；

J：炉内热定型完成后，拆除工装连接板并将上、下仿形压模分离，并采用仿形样板对热定型后的高强度钛合金双曲面薄壁宽板进行线型检测，以确定其双曲面符合技术文件要求；

K：对检验合格的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面进行全部渗透检测至合格；

L：根据高强度钛合金双曲面薄壁宽板的最终成型尺寸要求，标识其工艺外形线及检查线，并通过多次切割、修配以达到其最终工艺装配要求；

M：对达到工艺装配要求的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面依次进行喷砂、酸洗处理，并对其边部及焊接边缘区域进行抛光处理，以使其达到焊接要求；

N：对已表面处理合格的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面进行全部渗透检测至合格，并清洗干净后备用；

S3：上述所有工作完成后，高强度钛合金双曲面薄壁宽板的仿形模压冷成形+热定型工作已全部完成，并具备后续装配工艺要求。

具体的，所述步骤S1中的B步骤中切割后的模型分片的长宽深比例为4:2:1。

具体的，所述步骤S1中的C步骤中下仿形压模内部支撑加强筋板布置于模具底板与面板之间。

具体的，所述步骤S1中的D步骤中上、下仿形压模采取整体焊接模具，通过数控机床分别加工上、下仿形压模双曲面成形，检测合格后再进行配对标识。

高强度钛合金双曲面薄壁宽板仿形模压冷成形+热定型的理论基础为钛合金具有一定的冷成形能力，只是成形后回弹变形量大，成形精度难以控制。因此只需在其仿形模压成形后使用工装连接板将成形模具与高强度钛合金板予以强制固定，以阻止其回弹变形；然后将其整体放入炉内进行热处理定型，以消除其成形回弹应力。当成形应力消除后再拆除相关固定工装连接板与成形模具，此时由于高强度钛合金双曲面薄壁宽板内部的应力已基本消除，因此其不会有较大的回弹变形，从而有效保证了其成形精度。

通过上述分析，该成形方案中，主要的部分在于仿形压模和热定型模具(一套模具、二次使用)的设计与制造。由于高强度钛合金双曲面薄壁宽板的最终成形精度主要是依靠仿形压模暨热定型模具的精度与刚度予以保证，因此用来模压成形及热定型的仿形模具的模面需保证其能够与高强度钛合金板的弧面完全压紧贴实；同时，仿形压模需具有较高的刚度与强度，以防止在炉内热定型过程中因仿形模具的刚度或强度不够而导致高强度钛合金双曲面薄壁宽板的成形尺寸及精度超差。另，本成形方案中，需通过相关消应力热处理试验以确定科学、合理的高强度钛合金热定型工艺制度，从而在有效保证高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形后的化学成分、力学性能及金相组织符合原材料技术要求的前提下，高强度钛合金双曲面薄壁宽板的残余应力越小越好。

综上所述：本发明采用仿形模压冷成形+热定型工艺方案成形后的高强度钛合金双曲面薄壁宽板，其线型较理论线型偏差满足相关技术要求。高强度钛合金双曲面薄壁宽板的成形精度与钛合金双曲面板自身的曲率、仿形压模暨热定型模具的模面精度以及热定型工艺制度密切相关。高强度钛合金双曲面薄壁宽板的成型曲率较小、仿形压模暨热定型模具深度越深的，其双曲面板成形精度越差；仿形压模暨热定型模具模面的精度越高，与成形的双曲面板压紧贴实程度越好，则双曲面板的成形精度越高；炉内热定型的工艺制度越合理，残余应力消除效果越好，则双曲面板的成形精度也越高。

仿形模压冷成形+热定型的工艺成型方式，即有冷成形的便利性，无需专用场地，又兼顾了热成形的成形精度高，回弹变形小的优点；同时，也可避免无模多点成形为有效集成三大系统而必须投入的大量的人力、物力、财务及精力，大大减少了其繁琐的试验验证过程及试验验证时间。因此对于无专用热成形场地及配套装备，同时要求成形精度高，回弹变形小的高强度钛合金双曲面薄壁宽板的制造，仿形模压冷成形+热定型的成形方法应为一种较佳的解决方案；且双曲面板的成形精度可以通过热定型模具的模面精度予以控制，可基本满足不同成形精度要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：热定型模具的制造，具体步骤如下：

A：根据高强度钛合金双曲面板的型线建造出相关三维模型；检查确认其三维模型的线型精度符合技术文件要求；

B：根据高强度钛合金双曲面薄壁宽板的板幅对三维模型进行分片剖切并编号，模型分片剖切的原则是保证高强度钛合金双曲面薄壁宽板的板幅能够满足其成型尺寸要求且具有一定的二次加工余量；

C：根据剖切出的高强度钛合金双曲面薄壁宽板三维模型，在三维软件中偏移出所需要的仿形压模暨热定型模具的上、下模具曲面，并根据模具内部支撑加强筋板布置图剖切出相关模具曲面，从而得出上、下仿形压模内部支撑加强筋板的线型以作为仿形压模的建造依据；

D：建造工艺流程，步骤如下：

a：上、下仿形压模的底板、左右侧板、前后侧板及内部各支撑加强筋板下料加工，为保证上下仿形压模型线的精准度，要求上述各零部件均使用数控水刀或数控等离子下料成形；

b：在上、下仿形压模的底板上分别划内部各纵横向支撑加强筋板位置线，并依次组对、找正点固各纵横向支撑加强筋，确认其合格后再施焊成形；

c：修磨上、下仿形压模各支撑加强筋板弧形表面成形，并使用仿形样板进行检测合格，以保证各支撑加强筋板型线无影响钛合金薄壁宽板成型精度的偏差；

d：在上、下仿形压模各支撑加强筋板上分别覆盖一层面板，并使用仿形检测样板对面板进行检测合格，并对上、下仿形压模面板进行二次数控机加工成型；

e：对加工完成后的上、下仿形压模进行配对标识，标识内容包括对应的零件号、压模中心线及前、后、左、右方位；

S2：钛合金双曲面板的成型，上、下仿形压模暨热定型模具建造完成后，对预卷后的高强度钛合金薄壁宽板进行双曲面模压并热定型成形，其具体步骤如下：

A：依据高强度钛合金双曲面宽板的三维图型展开得到高强度钛合金薄壁板材的下料尺寸图；下料时高强度钛合金板各边需预留足够的切割余量，并根据放样图形进行水切割下料；

B：标识清楚高强度钛合金薄壁板的中线及方位，以便于与仿形压模暨热定型模具装夹、找正；

C：采用胶辊卷板机对高强度钛合金薄壁宽板进行长度方向的单曲率预卷成形；

D：将上、下仿形压模暨热定型模具整体安装至指定的油压机上并找正固定，保证上、下仿形压模中心位置对正，以确保后续高强度钛合金薄壁宽板压制时受力均匀；

E：将预卷后的高强度钛合金薄壁宽板按照标识找正后放入上、下仿形压模暨热定型模具中间；

F：使用油压机将上、下仿形压模暨热定型模具与高强度钛合金薄壁宽板压紧贴实，保证仿形压模与高强度钛合金薄壁宽板之间基本无缝隙；

G：上、下仿形压模与高强度钛合金薄壁宽板压紧贴实后，在上、下仿形压模四周分别施焊多块工装连接板以固定上、下仿形压模；

H：将已焊接固定后的上、下仿形压模暨热定型模具整体放入指定的电加热炉内，并将相关热电偶与上、下仿形压模暨热定型模具进行连接固定；

I：根据前期消应力热处理试验确定的的热定型工艺制度对高强度钛合金双曲面薄壁宽板进行整体炉内热定型处理，以有效消除模压成形应力，防止高强度钛合金双曲面薄壁宽板与仿形压模分离后的回弹变形；

J：炉内热定型完成后，拆除工装连接板并将上、下仿形压模分离，并采用仿形样板对热定型后的高强度钛合金双曲面薄壁宽板进行线型检测，以确定其双曲面符合技术文件要求；

K：对检验合格的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面进行全部渗透检测至合格；

L：根据高强度钛合金双曲面薄壁宽板的最终成型尺寸要求，标识其工艺外形线及检查线，并通过多次切割、修配以达到其最终工艺装配要求；

M：对达到工艺装配要求的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面依次进行喷砂、酸洗处理，并对其边部及焊接边缘区域进行抛光处理，以使其达到焊接要求；

N：对已表面处理合格的高强度钛合金双曲面薄壁宽板正、反表面进行全部渗透检测至合格，并清洗干净后备用；

S3：上述所有工作完成后，高强度钛合金双曲面薄壁宽板的仿形模压冷成形+热定型工作已全部完成，并具备后续装配工艺要求。

2.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，其特征在于：所述步骤S1中的B步骤中切割后的模型分片的长宽深比例为4:2:1。

3.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，其特征在于：所述步骤S1中的C步骤中下仿形压模内部支撑加强筋板布置于模具底板与面板之间。

4.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金双曲面薄壁宽板成形方法，其特征在于：所述步骤S1中的D步骤中上、下仿形压模采取整体焊接模具，通过数控机床分别加工上、下仿形压模双曲面成形，检测合格后再进行配对标识。

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