CN110508660B - 钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钛合金环壳结构冷拉深‑真空热蠕变复合成形方法，包括备料步骤、冷拉深成形步骤和真空热蠕变成形步骤；备料步骤是将钛合金平板板料切成环壳成形所需坯料；冷拉深成形步骤是将切割好的坯料置于冷拉深凹模上方，通过内外压边圈压紧，凸模在液压机的带动下与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳直接冷拉深成形；真空热蠕变成形步骤是将冷拉深成形后的大尺寸钛合金环壳进行真空热蠕变精密成形，实现钛合金环壳表面无氧化成形，改变传统热拉深成形后通过酸洗方式去除表面氧化膜的状况，简化了工序，同时实现了成形过程无粉尘和废液排放，为大尺寸钛合金环壳结构零件提供一种精密、高效、绿色成形新方法。

Description

钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法
技术领域
本发明涉及零件成形领域，具体地，涉及一种钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法。
背景技术
上面级是多级运载火箭中独立于基础级的末级火箭，是运载火箭的重要组成部分，它和有效载荷(卫星)一起进入目标轨道后再将有效载荷分离。上面级最早用来完成地球低轨道发射任务，如今，它的功能已经发展到完成从低轨道到同步转移轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等各种轨道的有效载荷运送任务，并成为在轨机动、在轨服务、战时值备、再入返回等航天活动的主角。世界上主要航天大国，如美国、俄罗斯、欧洲空间局，均把发展上面级作为提高航天运输系统能力的重点进行开发。目前国外正在使用或正在进一步研制和发展的上面级有10多种型号。
随着太空军事化需求日益突显，我国空间能力建设正面临严重挑战，空间信息获取能力不足，缺乏空间环境的全方位感知能力，空间资源防护不足，缺乏对抗形势下的生存能力，太空资源威胁不足，缺乏应对不同战争态势下的威慑与实战能力。迫切需要建立一个可灵活配置、高度集成、适应快速集成灵活发射、在轨机动能力强、满足多种有效载荷要求的上面级通用平台，满足我国在空间防卫、空间控制领域的需求，提高我国对局部突发事件的空间侦查能力。
大尺寸或超大尺寸环形贮箱作为上面级通用平台在国外上面级上已有成功应用，如Briz-M，Fregat-SB上面级。上面级使用环形贮箱后，不仅能够使原上面级的技术状态得以全部继承，同时将大幅提高上面级的运载能力。另外，环形贮箱推进剂用完后抛离，能够减轻整器的飞行质量，最大幅度提高载荷的速度增量。随着航天技术的快速发展，对具有大容量的大尺寸/超大尺寸钛合金环形贮箱提出了迫切需求。
目前，大尺寸/超大尺寸环形贮箱大都采用轻质高强的钛合金材料，采用分块成形与拼接的方式制造，对大尺寸钛合金环壳结构的精密成形提出了具体需求。传统热拉深成形钛合金三维曲面件成形后需要通过酸洗方式去除表面氧化膜；专利文献CN107537876A公开了一种大口径薄壁钛无缝管的生产方法。包括以下步骤：a、制备外径200～400mm、壁厚16～40mm钛管；b、去除钛管内外表面渗气层，抛光钛管外表面；c、在钛管内表面涂抹润滑剂；d、在钛管所用原料相变温度以下对钛管进行感应加热并推制；e、再结晶退火，然后酸洗；f、重复步骤b-e直至得到外径400～800mm的钛管；g、将酸洗后的钛管内外表面涂抹润滑剂，然后进行冷拔；h、再结晶退火，然后酸洗；i、重复步骤g、h直至得到壁厚3～16mm的钛管；j、所得钛管进行真空退火处理得到钛管成品。但该发明工艺道次多、成形过程存在粉尘和废液排放等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法。
根据本发明提供的一种钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法，包括备料步骤、冷拉深成形步骤以及真空热蠕变成形步骤，
备料步骤：将钛合金平板板料切成环壳成形所需扇形坯料；
冷拉深成形步骤：将切割好的扇形坯料置于冷拉深凹模上方，通过内外压边圈压紧，凸模在液压机的带动下与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳直接拉深成形；
真空热蠕变成形步骤：将冷拉深成形后的大尺寸钛合金环壳进行真空热蠕变成形。
优选地，所述备料步骤是通过展开计算获得钛合金坯料的四条边长，利用水切割、激光切割或线切割方式并对其进行裁剪；
若现有钛合金板料尺寸小于钛合金环壳坯料尺寸，则通过激光拼接方式获得大尺寸钛合金坯料，其焊缝设置在工艺余边或压边区域，待成形后对其进行切除。
优选地，所述冷拉深成形步骤是将涂覆水溶性或油性润滑剂的钛合金坯料放置在冷拉深凹模上，内外压边圈在油缸的作用下实现压紧；
凸模在液压机的作用下贴合板料、拉深板料、直至凸模与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳结构冷拉深成形。
优选地，所述真空热蠕变成形步骤包括抽真空步骤、加热和保温步骤以及冷却步骤；
抽真空步骤：将上下模进行螺接紧固，然后将装配好的钛合金环壳结构件整体置于真空热蠕变炉，通过抽真空系统对其进行抽真空处理；
加热和保温步骤：当真空度达到5×10-3Pa时，对装配好的钛合金环壳结构件进行阶梯升温方式加热至钛合金热蠕变温度680℃，保温150min；
冷却步骤：待钛合金环壳结构件蠕变成形完成，采用随炉水冷却方式降温，待工件温度低于60℃，将其取出自然冷却至室温，获得最终的工件。
优选地，所述加热和保温步骤分为三个阶段：
第一阶段：加热60min，待炉内温度达到300℃时保温40min；
第二阶段：加热60min，待炉内温度达到500℃，保温40min；
第三阶段：加热50min，待炉内温度达到680℃时保温150min。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、简化了钛合金环壳结构成形的工序，提高了效率。
2、绿色环保，避免了粉尘和废液排放的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为钛合金环壳结构扇形坯料图；
图2为钛合金环壳结构冷拉深成形示意图；
图3为钛合金环壳结构真空热蠕变成形模具装配示意图；
图4为钛合金环壳结构真空热蠕变成形工艺曲线图。
图中示出：
1--钛合金坯料 2--凸模 3--外压边圈 4--内压边圈 5--凹模 6--螺柱 7--螺帽8--凸膜通孔 9--凹膜通孔
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法，包括备料步骤、冷拉深成形步骤以及真空热蠕变成形步骤，备料步骤是将钛合金平板板料切成环壳成形所需扇形坯料；冷拉深成形步骤是将切割后的扇形坯料置于冷拉深凹模上方，通过内外压边圈压紧，凸模在液压机的带动下与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳直接拉深成形；真空热蠕变成形步骤：将冷拉深成形后的大尺寸钛合金环壳进行真空热蠕变成形。
具体地，备料步骤是通过展开计算获得钛合金坯料的四条边长，利用水切割、激光切割或线切割方式并对其进行裁剪；若现有钛合金板料尺寸小于钛合金环壳坯料尺寸，则通过激光拼接方式获得大尺寸钛合金坯料，其焊缝设置在工艺余边或压边区域，待成形后对其进行切除。在一个优选例中，如图1所示，是一种钛合金环壳结构成形坯料图，主要包括非拼接坯料和拼接坯料两种。如图1中1-1所示为非拼接坯料，非拼接坯料主要用于中大尺寸钛合金环壳结构成形，其获得方式主要是通过展开计算获得钛合金坯料的四条边长，利用水切割、激光切割或线切割方式并对其进行裁剪；如图1中1-2所示为拼接坯料，拼接坯料用于超大尺寸钛合金环壳结构成形，其获得方式主要是通过激光拼接方式获得大尺寸钛合金坯料，其焊缝设置在工艺余边或压边区域，待成形后对其进行切除。
具体地，所述冷拉深成形步骤是将涂覆水溶性或油性润滑剂的钛合金坯料放置在冷拉深凹模上，内外压边圈在油缸的作用下实现压紧；凸模在液压机的作用下贴合板料、拉深板料、直至凸模与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳结构冷拉深成形。在一个优选例中，如图2所示，钛合金环壳结构冷拉深成形示意图，主要包括钛合金坯料1、凸模2、外压边圈3、内压边圈4、凹模5以及螺杆6，钛合金环壳结构冷拉深成形具体操作步骤如下：成形坯料1成形前在表面涂覆水溶性或油性润滑剂，用于减少冷拉深成形时板料与模具之间的摩擦，将涂覆润滑剂的坯料置于凹模5上台面，然后外压边圈3和内压边圈4在压边油缸的作用下对坯料1进行压紧。凸模2采用耐高温不锈钢材料，在模具装配面留有4个凸膜通孔8，用于放置螺杆6，成形时，将凸模2固定在液压机上平台，在油缸的带动下快速向下运动，待凸模2接近钛合金坯料1时，减缓液压机上平台的下降速度，凸模2在液压机上平台的带动下与钛合金坯料1接触，并带动钛合金坯料1贴合凹模5。如图3所示，外压边圈3和内压边圈4均为扇形结构，采用耐高温不锈钢材料，外压边圈3上的压延筋高度小于内压边圈4上的压延筋高度，其目的是抑制钛合金坯料1内侧流动，防止起皱现象发生。凹模5采用耐高温不锈钢材料，模具环向两端分别留有2个凹膜通孔9，用于螺杆6穿透，凹模5下平台安装面环向留有镂空区域，用于螺帽7与螺杆6紧固连接。
具体地，真空热蠕变成形步骤是将冷拉深成形步骤后的上下模进行螺接紧固，然后将装配好的钛合金环壳结构件整体置于真空炉，对其进行抽真空处理；当真空度达到5×10-3Pa时，对其进行阶梯升温方式加热至钛合金热蠕变温度680℃，保温150min，待其蠕变成形完成，通过水冷方式对其冷却降温，待工件温度低于60℃，将其取出自然冷却至室温，获得最终的工件。在一个优选例中，如图3所示，为钛合金环壳结构真空热蠕变成形模具装配图，主要包括钛合金坯料1、凸模2、外压边圈3、内压边圈4、凹模5、螺杆6和螺帽7。所述钛合金环壳结构真空热蠕变成形是将冷拉深成形后完全贴合的钛合金坯料1、凸模2、外压边圈3、内压边圈4、凹模5通过螺杆6和螺帽7强制连接成一个整体，螺杆6和螺帽7采用耐高温不锈钢材料，通过螺帽7的旋转圈数调节钛合金坯料1、凸模2、凹模5之间的连接力；然后将其送入真空热蠕变炉，通过抽真空和加热对冷拉深成形的钛合金坯料1进行蠕变时效成形，消除钛合金坯料1的弹性应变，防止钛合金坯料1发生回弹。
图4为本发明中的钛合金环壳结构真空热蠕变成形工艺曲线图，真空热蠕变成形步骤主要包括抽真空步骤、加热和保温步骤以及冷却步骤：抽真空步骤是待装配好的钛合金环壳结构件送入真空热蠕变炉后，通过抽真空系统将炉内真空度抽至5×10-3Pa；加热和保温步骤分三个阶段进行，第一阶段加热60min，待炉内温度达到300℃时保温40min；第二阶段加热60min，待炉内温度达到500℃，保温40min；第三阶段加热50min，待炉内温度达到680℃时保温150min。在一个优选例中，冷却步骤采用随炉水冷却方式，待炉内温度低于60℃时，取出零件；在一个变化例中，冷却步骤采用随炉风冷却方式。
根据本发明提供的一种钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法将常温状态实现强制贴模成形与高真空条件下热蠕变成形相结合，实现钛合金环壳表面无氧化成形，改变传统成形后需要通过酸洗方式去除表面氧化膜的状况，减少工序数量，实现钛合金三维构件成形过程无粉尘和废液排放，为大尺寸钛合金环壳结构零件提供一种精密、高效、绿色成形新方法。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法，其特征在于，包括备料步骤、冷拉深成形步骤以及真空热蠕变成形步骤，
备料步骤：将钛合金平板板料切成环壳成形所需扇形坯料；
冷拉深成形步骤：将切割好的扇形坯料置于冷拉深凹模上方，通过内外压边圈压紧，凸模在液压机的带动下与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳直接拉深成形；
真空热蠕变成形步骤：将冷拉深成形后的大尺寸钛合金环壳进行真空热蠕变成形；
所述冷拉深成形步骤是将涂覆水溶性或油性润滑剂的钛合金坯料放置在冷拉深凹模上，内外压边圈在油缸的作用下实现压紧；
凸模在液压机的作用下贴合板料、拉深板料、直至凸模与凹模贴合，实现大尺寸钛合金环壳结构冷拉深成形；
所述凸模采用耐高温不锈钢材料，在模具装配面留有个凸模通孔，用于放置螺杆，成形时，将凸模固定在液压机上平台，在油缸的带动下快速向下运动，待凸模接近钛合金坯料时，减缓液压机上平台的下降速度，凸模在液压机上平台的带动下与钛合金坯料接触，并带动钛合金坯料贴合凹模；
所述外压边圈和内压边圈均为扇形结构，采用耐高温不锈钢材料，外压边圈上的压延筋高度小于内压边圈上的压延筋高度，能够抑制钛合金坯料内侧流动，防止起皱现象发生；所述凹模采用耐高温不锈钢材料，模具环向两端分别留有2个凹模通孔，用于螺杆穿透，凹模下平台安装面环向留有镂空区域，用于螺帽与螺杆紧固连接；
所述真空热蠕变成形步骤包括抽真空步骤、加热和保温步骤以及冷却步骤；
抽真空步骤：将上下模进行螺接紧固，然后将装配好的钛合金环壳结构件整体置于真空热蠕变炉，通过抽真空系统对其进行抽真空处理；
加热和保温步骤：当真空度达到5×10-3Pa时，对装配好的钛合金环壳结构件进行阶梯升温方式加热至钛合金热蠕变温度680℃，保温150min；
冷却步骤：待钛合金环壳结构件蠕变成形完成，采用随炉水冷却方式降温，待工件温度低于60℃，将其取出自然冷却至室温，获得最终的工件；
所述加热和保温步骤分为三个阶段：
第一阶段：加热60min，待炉内温度达到300℃时保温40min；
第二阶段：加热60min，待炉内温度达到500℃，保温40min；
第三阶段：加热50min，待炉内温度达到680℃时保温150min。
2.根据权利要求1所述的钛合金环壳结构冷拉深-真空热蠕变复合成形方法，其特征在于，所述备料步骤是通过展开计算获得钛合金坯料的四条边长，利用水切割、激光切割或线切割方式并对其进行裁剪；
若现有钛合金板料尺寸小于钛合金环壳坯料尺寸，则通过激光拼接方式获得大尺寸钛合金坯料，其焊缝设置在工艺余边或压边区域，待成形后对其进行切除。
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