CN110153217B - 钛合金微齿轮的微塑性成形方法 - Google Patents

钛合金微齿轮的微塑性成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金微齿轮的微塑性成形方法，属于微型零件微塑性成形技术领域。本发明包括如下步骤：将钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为5℃/s～100℃/s的条件下对装有钛合金坯料的模具通交流电，通过电流流过钛合金坯料产生的焦耳热加热钛合金坯料；在升温到900℃～1300℃时保温30s‑240s，然后在模具两端施加挤压力，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮；最后断电空冷后取出微齿轮。该方法成形过程可控，模具结构简单，加工成本低，微齿轮成型精度高。

Description

钛合金微齿轮的微塑性成形方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金微齿轮的微塑性成形方法，属于微型零件微塑性成形技术领域。
背景技术
随着现代科学技术的发展，尤其是微细加工技术及微机电系统的飞速发展，在21世纪的军事斗争多样化的需求牵引下，武器装备也得到迅速发展，例如战场侦察传感器、智能军用机器人等。其中军用武器装备的小型化是最重要的发展趋势。由于微型传感器、微型机器人及微型飞行器等的体积小，这就要求其结构的零部件必须是微型的。目前，在驱动电机方面，已能制造出转子直径为0.5mm、外径为几毫米的微型电机。但是由于这种微型电机速度高、扭矩小，要充分发挥其性能，则需在电机和负载(执行元件)之间加入传动比为几百的微型减速器，要使减速器微型化，就必须要实现齿轮的微型化。
更重要的是，随着军事工业对高强低密度材料需求的日益迫切，钛作为一种性能优异、资源丰富的高强度低密度金属，其产业化进程显著加快。在国外，先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的30％～35％。我国研发的钛基非晶复合材料已用于某卫星遥感器(相机)整机侧板用蜗轮蜗杆齿轮与减速器齿轮，解决了现有45钢齿轮材料密度过高、热膨胀系数偏高以及耐磨性低等缺陷，耐磨性和使用寿命比现用45钢齿轮提高15％以上。
钛合金塑性加工需要加热材料，目前常用的加热坯料的方法为电阻炉加热、生物燃料加热等方式，由于加热方式的限制，需在加热后将坯料放入模具中而不能将坯料放入模具后再进行加热，工序繁琐耗时耗力。公开号为CN109047610A的专利文献“一种钛合金微型齿轮脉冲电流辅助微成型浮动模具”采用脉冲电流的方式加热，解决了坯料不能放入模具中加热的问题，但是其使用的脉冲电流响应慢，模具结构复杂，生产成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种生产周期短、加工成本低的钛合金微齿轮的微塑性成形方法。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：钛合金微齿轮的微塑性成形方法，包括如下步骤：将钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa、升温速度为5℃/s～100℃/s的条件下对装有钛合金坯料的模具通交流电，通过电流流过钛合金坯料产生的焦耳热加热钛合金坯料；在升温到900℃～1300℃时保温30s～240s，然后对钛合金坯料施加挤压力，形成微齿轮；停止对模具通电，待模具及微齿轮冷却后，取出微齿轮。
进一步的是：模具加热时，升温速度控制为30℃/s～80℃/s。
进一步的是：模具保温时，保温温度控制为1000℃～1200℃。
进一步的是：模具保温时，保温时间控制为60s～180s。
进一步的是：模具通交流电进行加热时，交流电的电压为3V～10V,电流为3000A～30000A。
进一步的是：模具包括上凸模、凹模和下凸模，凹模具有贯穿凹模两端面的中空结构作为凹模模腔，凹模模腔的一端具有装配上凸模的导向结构、另一端具有装配下凸模的导向结构，凹模模腔的中部为成形部位，成形部位总的齿数与待成形的微齿轮的齿数相同、并且齿面形状与待成形的微齿轮相适配，凹模模腔的成形部位、上凸模的下端面、下凸模的上端面组成微齿轮成形的型腔；对装有钛合金坯料的模具通交流电进行加热时，在上凸模和下凸模这两个部件中，其中一个部件通过导线连通零线、另一个部件通过导线连通火线以形成电路回路；对钛合金坯料施加的挤压力，通过同时对上凸模及下凸模施加轴向作用力实现。
进一步的是：凹模模腔中用于装配上凸模的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径，凹模模腔与上凸模的压头部位形成间隙配合；凹模模腔中用于装配下凸模的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径，凹模模腔与下凸模的压头部位形成间隙配合；上凸模具有第一定位凸台，第一定位凸台与凹模的上端面组成上凸模的定位结构；下凸模具有第二定位凸台，第二定位凸台与凹模的下端面组成下凸模的定位结构。
进一步的是：模具的材料硬度为90HR～105HR。
进一步的是：模具材料采用弹性模量为10.5GPa～13.5GPA的石墨材料。
进一步的是：钛合金坯料的抗拉强度大于800Mpa,断后伸长率大于20％；微齿轮的分度圆直径为1mm～10mm。
本发明的有益效果是：
1.本发明摒弃了传统的电阻炉加热、生物燃料加热等坯料加热方式，采用低电压大电流的交流电来作用于模具两端，通过电流流过钛合金坯料产生的焦耳热直接加热钛合金坯料。同时由于电流和挤压力的作用，在模具上产生一种由电场、温度场和力场耦合作用形成的耦合场，钛合金坯料在耦合场的作用下促进了钛合金的相变和动态再结晶，降低了钛合金的流变应力，钛合金较之前的等轴性更好，塑性成形性能提高，甚至出现了超塑性。在成形过程中填充质量明显提升，齿尖、齿角等难以填充的部位填充饱满均匀；加工出的微齿轮齿形完整表面平滑。
2.本发明模具结构简单，加工成本低，装配方便，并且钛合金微齿轮成形精度高。
3.本发明的成形过程易于控制，由于本发明可以通过调节电流、升温速度、成形温度和保温时间等参数，灵活方便的控制微齿轮的成形过程，解决了现有技术中难以对多个微齿轮成形物理参数进行实时控制的问题。
4.本发明利用低电压高电流的交流电对坯料进行加热，响应时间快，升温速度快，钛合金坯料在电场、温度场和力场的耦合作用下，升温速度可达100℃/s,在1200℃下成型只需12s即可达到所需温度，远远低于传统的坯料加热时间，大大减小了微齿轮的成型时间，所以本发明可以在30s-300s内完成钛合金微齿轮的微塑性成型。
5.本发明制得的微齿轮可用于微形减速器，军用微型机器人等领域。
附图说明
图1是本发明的钛合金微齿轮成形的加工结构示意图。
图2是本发明的钛合金微齿轮成形模具的凹模剖视图。
图3是本发明的钛合金微齿轮成形模具的凸模立体结构图。
图4是本发明的钛合金微齿轮成形模具的凹模齿形图。
图中零部件、部位及编号：1-交流电；2-挤压力；3-上凸模；4-凹模；5-钛合金坯料；6-下凸模。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明包括如下步骤：如图1所示，将钛合金坯料5装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa、升温速度为5℃/s～100℃/s的条件下对装有钛合金坯料5的模具通交流电1，通过电流流过钛合金坯料5产生的焦耳热加热钛合金坯料5进行加热；在升温到900℃～1300℃时保温30s～240s，然后对钛合金坯料5施加挤压力2，形成微齿轮；停止对模具通电，待模具及微齿轮冷却后，取出微齿轮。本发明通过电流流过钛合金坯料5产生的焦耳热直接加热钛合金坯料5。同时由于电流和挤压力2的作用，在模具上产生一种由电场、温度场和力场耦合作用形成的耦合场，钛合金坯料5在耦合场的作用下，微塑性成形得到微齿轮。冷却方式通常可采用空冷，自然冷却，无需附加设备。取出微齿轮时，可人工采用顶杆直接顶出。
为使成形微齿轮性能更好，模具加热时，升温速度优选控制为30℃/s～80℃/s；模具保温时，保温温度优选控制为1000℃～1200℃；模具保温时，保温时间优选控制为60s～180s；模具通交流电1进行加热时，交流电1的电压为3V～10V,电流为3000A～30000A。
模具可以采用常规的一件凹模、一件凸模的形式。为了简化模具结构，方便装配，降低加工成本，本发明对模具作了如下优化设计：如图1至图4所示，模具包括上凸模3、凹模4和下凸模6，凹模4具有贯穿凹模4两端面的中空结构作为凹模模腔，凹模模腔的一端具有装配上凸模3的导向结构、另一端具有装配下凸模6的导向结构，凹模模腔的中部为成形部位，成形部位总的齿数与待成形的微齿轮的齿数相同、并且齿面形状与待成形的微齿轮相适配，凹模模腔的成形部位、上凸模3的下端面、下凸模6的上端面组成微齿轮成形的型腔；对装有钛合金坯料5的模具通交流电1进行加热时，在上凸模3和下凸模6这两个部件中，其中一个部件通过导线连通零线、另一个部件通过导线连通火线以形成电路回路；对钛合金坯料5施加的挤压力2，通过同时对上凸模3及下凸模6施加轴向作用力实现。
为方便模具装配，同时保证微齿轮成形质量，凹模模腔中用于装配上凸模3的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径(即等于微齿轮的齿顶圆直径)，凹模模腔与上凸模3的压头部位形成间隙配合。下凸模6采用与上凸模3相同的装配结构，具体结构为：凹模模腔中用于装配下凸模6的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径(即等于微齿轮的齿顶圆直径)，凹模模腔与下凸模6的压头部位形成间隙配合。
此外，上凸模3具有第一定位凸台，第一定位凸台与凹模4的上端面组成上凸模3的定位结构；下凸模6具有第二定位凸台，第二定位凸台与凹模4的下端面组成下凸模6的定位结构。当第一定位凸台的定位面与凹模4的上端面接触时、第二定位凸台的定位面与凹模4的下端面接触时，表示上凸模3和下凸模6已运动到设计位置，微齿轮成形完成。
为使得模具不易变形，以保证微齿轮成形质量，本发明中模具的材料硬度为90HR～105HR。
模具材料采用弹性模量为10.5GPa～13.5GPA的石墨材料，导电性能好，在1000℃的高温环境中仍能保持性能稳定，强度高，模具不易损坏，可有效保证微齿轮成形质量。本发明摒弃了以往传统的热作模具钢，能在更高的温度下微塑性成型微齿轮而保证模具不被软化。
本发明对成形钛合金材料没有特别的限制，可以使用常见的各种钛合金材料作为坯料。为使成形微齿轮性能更好，优选地，钛合金坯料5的抗拉强度大于800Mpa,断后伸长率大于20％。本发明进一步优选采用TC4钛合金作为坯料。
本发明对微齿轮的直径规格没有特别的限制，可以使用常见的各种微齿轮。为使成形微齿轮性能更好，优选地，微齿轮的分度圆直径为1mm～10mm。
为了更好的理解本发明，以下结合实施例对本发明进行进一步的说明。
以下实施例采用的成型设备为美国DSI科技联合体研制的Gleeble-1500热模拟机。该套设备由真空系统、加热系统、加力系统和计算机控制系统组成。该设备对模具中的坯料的通电加热和施压方式如图1所示。模具采用本发明前文所述的优选方式，模具包括上凸模3、凹模4和下凸模6，凹模4具有贯穿凹模4两端面的中空结构作为凹模模腔，凹模模腔的一端具有装配上凸模3的导向结构、另一端具有装配下凸模6的导向结构，凹模模腔的中部为成形部位，成形部位总的齿数与待成形的微齿轮的齿数相同、并且齿面形状与待成形的微齿轮相适配，凹模模腔的成形部位、上凸模3的下端面、下凸模6的上端面组成微齿轮成形的型腔。凹模模腔中用于装配上凸模3的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径(即等于微齿轮的齿顶圆直径)，凹模模腔与上凸模3的压头部位形成间隙配合；下凸模6采用与上凸模3相同的装配结构。上凸模3具有第一定位凸台，第一定位凸台与凹模4的上端面组成上凸模3的定位结构；下凸模6具有第二定位凸台，第二定位凸台与凹模4的下端面组成下凸模6的定位结构。模具材料采用弹性模量为10.5GPa～13.5GPA的石墨材料。
将钛合金坯料5与模具组装完成后，通过现有夹具将凹模4固定即可实施。
以下实施例对钛合金微齿轮的性能检测，均采用如下方式：硬度检测按照国标GB/T4340.1-2009进行，采用HVS-1000速显显微硬度计进行测量，所加载荷为500g。尺寸精度由精密零件尺寸检测仪器测量。
实施例1
将TC4钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为30℃/s的条件下对装有TC4钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1000℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC4钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为374.4HV，尺寸精度误差≤100μm。
实施例2
将TC4钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为30℃/s的条件下对装有TC4钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC4钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为365.6HV，尺寸精度误差≤50μm。
实施例3
将TC4钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为50℃/s的条件下对装有TC4钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温120s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC4钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为360.6HV，尺寸精度误差≤30μm。
实施例4
将TC4钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为50℃/s的条件下对装有TC4钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1300℃时保温180s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC4钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为305.5HV，尺寸精度误差≤80μm。
实施例5
将TC4钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为80℃/s的条件下对装有TC4钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC4钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为323.6HV，尺寸精度误差≤60μm。
实施例6
将TC6钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为30℃/s的条件下对装有TC6钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC6钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为309.6HV，尺寸精度误差≤60μm。
实施例7
将TC6钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为50℃/s的条件下对装有TC6钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC6钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为311.3HV，尺寸精度误差≤60μm。
实施例8
将TC6钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为80℃/s的条件下对装有TC6钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TC6钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为305.2HV，尺寸精度误差≤60μm。
实施例9
将TA8钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为50℃/s的条件下对装有TA8钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1100℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TA8钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为220.2HV，尺寸精度误差≤50μm。
实施例10
将TA8钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为50℃/s的条件下对装有TA8钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1200℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TA8钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为213.7HV，尺寸精度误差≤50μm。
实施例11
将TA8钛合金坯料装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa，升温速度为50℃/s的条件下对装有TA8钛合金坯料的模具通交流电1进行加热，在升温到1300℃时保温60s，然后在模具两端施加挤压力2，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，TA8钛合金坯料发生微塑性变形，形成微齿轮，最后断电空冷后取出微齿轮。
经检测，所得的微齿轮零件维氏硬度为215.3HV，尺寸精度误差≤50μm。

Claims (5)

1.钛合金微齿轮的微塑性成形方法，其特征在于，包括如下步骤：将钛合金坯料(5)装填于模具中，然后在真空度≤0.01Pa、升温速度为30℃/s～80℃/s的条件下对装有钛合金坯料(5)的模具通交流电(1)，通过电流流过钛合金坯料(5)产生的焦耳热加热钛合金坯料(5)；在升温到1000℃～1200℃时保温60s～180s，然后对钛合金坯料(5)施加挤压力(2)，在电场、温度场和力场的持续耦合作用下，钛合金坯料(5)发生微塑性变形，形成微齿轮；停止对模具通电，待模具及微齿轮冷却后，取出微齿轮；
模具通交流电(1)进行加热时，交流电(1)的电压为3V～10V,电流为3000A～30000A；
模具包括上凸模(3)、凹模(4)和下凸模(6)，凹模(4)具有贯穿凹模(4)两端面的中空结构作为凹模模腔，凹模模腔的一端具有装配上凸模(3)的导向结构、另一端具有装配下凸模(6)的导向结构，凹模模腔的中部为成形部位，成形部位总的齿数与待成形的微齿轮的齿数相同、并且齿面形状与待成形的微齿轮相适配，凹模模腔的成形部位、上凸模(3)的下端面、下凸模(6)的上端面组成微齿轮成形的型腔；
对装有钛合金坯料(5)的模具通交流电(1)进行加热时，在上凸模(3)和下凸模(6)这两个部件中，其中一个部件通过导线连通零线、另一个部件通过导线连通火线以形成电路回路；
对钛合金坯料(5)施加的挤压力(2)，通过同时对上凸模(3)及下凸模(6)施加轴向作用力实现。
2.如权利要求1所述的钛合金微齿轮的微塑性成形方法，其特征在于：凹模模腔中用于装配上凸模(3)的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径，凹模模腔与上凸模(3)的压头部位形成间隙配合；
凹模模腔中用于装配下凸模(6)的导向结构包括由外到内依次设置的圆锥面和圆柱面，并且该圆锥面的大头端在外侧小头端在内侧、该圆柱面的直径等于凹模模腔成形部位的齿根圆直径，凹模模腔与下凸模(6)的压头部位形成间隙配合；
上凸模(3)具有第一定位凸台，第一定位凸台与凹模(4)的上端面组成上凸模(3)的定位结构；下凸模(6)具有第二定位凸台，第二定位凸台与凹模(4)的下端面组成下凸模(6)的定位结构。
3.如权利要求1所述的钛合金微齿轮的微塑性成形方法，其特征在于：模具的材料硬度为90HR～105HR。
4.如权利要求1所述的钛合金微齿轮的微塑性成形方法，其特征在于：模具材料采用弹性模量为10.5GPa～13.5GPA的石墨材料。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的钛合金微齿轮的微塑性成形方法，其特征在于：钛合金坯料(5)的抗拉强度大于800Mpa,断后伸长率大于20％；微齿轮的分度圆直径为1mm～10mm。
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