CN110666457A - 一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法。本发明采用钛合金扩散连接与超塑成形工艺方法，先采用平板扩散焊接，然后热压超塑成形，可确保扩散焊接区域两层板材充分扩散连接。本发明采用气体进行扩散焊接，能够保证成形零件100％的扩散焊合率；在平板扩散焊接时采用在模具上开密封槽方式进行密封，可保证热压超塑成形气路畅通；制备的钛合金轻量化结构口盖将四周用加强框形式进行预置，能够实现安装面和中间部位的不等厚度，保证零件的强度刚度，也有利于减重；口盖扩散焊合率高，能够实现轻量化高强度要求，零件整体性好，无后续校形，成形精度高。

Description

一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法
技术领域
本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法。
背景技术
轻量化、高强度的薄壁类构件在弹体结构上得到越来越广泛应用。为满足较高的性能要求，同时又能实现大幅度减重，钛合金超塑成形与扩散连接复合整体成形技术已经成为制造薄壁空心类构件的主要方案。口盖主要作为安装测试窗口使用，从弹体结构上口盖破坏了弹体结构整体性，但从功能实现上口盖是弹体结构上不可或缺的一部分。为维持弹体结构的整体结构强度和刚度，口盖也必须满足轻量化和高强度的要求。传统口盖形式采用蒙皮+点焊加强筋结构形式，这种传统工艺方法采用整体厚度为t3的板材热压成形成所需要的形状，将零件中间区域化铣减薄到t2厚度，厚度为t3的Ω加强筋单独成形，最后将Ω加强筋和中间区域点焊连接。这种工艺方法的缺点，首先是Ω加强筋和本体点焊时零件焊接变形大，需要后续校形，零件精度差，其次是化铣效率低且为淘汰落后工艺，再者加强筋和本体点焊连接，零件整体性差，加强筋必须分多段成形，强度低。
目前弹体主要选材为钛合金，钛合金自身优越的超塑性和扩散连接性能为这种新的封闭式变厚度口盖结构开辟了一条新的成形方法——钛合金扩散连接/超塑成形一体化成形。采用这种方法可获得整体性能更好、工艺流程简捷、材料利用率更高、减重贡献率更大的空心薄壁类整体构件，而且不受尺寸限制，可实现整体成形。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法，以解决如何制备钛合金薄壁轻量化口盖类零件的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S1、模具设计：根据零件最终理论外形，设计平板扩散焊接模具及热压超塑成形模具，模具设计时确保两次成形时基准能够传递，平板扩散焊接模具和热压超塑成形模具采用同一缩放系数；
S2、坯料设计：将坯料设计为三层，包括外层板、中间加强板和内层板；外层板、中间加强板和内层板的厚度之和，与口盖类零件的四周安装面的厚度相同；外层板和内层板的厚度之和，与口盖类零件的中间扩散焊接区域的厚度相同；
S3、样板设计：根据口盖需要成形和扩散焊接部位设计芯层刻形样板，刻形样板样板中的切除部位对应零件中的加强筋成形部位；
S4、芯层止焊剂图形制备：在外层板上涂覆化铣胶，待化铣胶完全干透后将刻形样板和外层板完全贴合，用划破化铣胶，将需要喷涂止焊剂地方的化铣胶撕掉，喷涂止焊剂；
S5、封装焊接：将外层板、中间加强板和内层板整齐叠放后，四周用氩弧焊接封口焊接，进气位置焊接进气管；
S6、扩散焊接：将封装后的三层板装入平板扩散焊接模具中，加热升温，扩散焊接过程中，模具内部保持真空状态，到达设定温度后，压力机加载，在模具型腔中进气，使得三层板在气压作用下扩散焊接；
S7、超塑成形装模：扩散焊后的平板坯料装入热压超塑成形模具中随炉升温，装炉时热压超塑成形模具的凹模固定在设备的上平台，坯料放在凸模上；
S8、超塑成形：热压超塑成形模具到温后，将热压超塑成形模具合模，然后进气超塑成形，得到需要的口盖类零件。
进一步地，在步骤S1中，模具材料选用耐热钢，热压超塑成形模具的缩放系数为0.995。
进一步地，在步骤S1中，将平板扩散焊接模具和热压超塑成形模具的导柱直径、导柱间距、导柱离零件理论轮廓线距离设计得完全一致。
进一步地，在步骤S1中，平板扩散焊接模具采用密封槽方式进行密封。
进一步地，在步骤S2中，将定位半圆孔设计在外层板上，定位孔间距、孔径与热压超塑成形模具完全一致。
进一步地，在步骤S6中，设定温度为920℃；进行扩散焊接时，气体加载压力为2.5MPa，保压时间为120min。
进一步地，在步骤S7中，加热到920℃装炉。
进一步地，在步骤S8中，超塑成形时最大进气压力2.0MPa。
进一步地，制备方法还包括步骤S9、切除工艺端：成形完毕后用工装装卡后去掉工艺端。
(三)有益效果
本发明提出的钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法，包括模具设计、坯料设计、样板设计、芯层止焊剂图形制备、封装焊接、扩散焊接、超塑成形装模和超塑成形多个步骤。本发明采用钛合金扩散连接与超塑成形工艺方法，先采用平板扩散焊接，然后热压超塑成形，可确保扩散焊接区域两层板材充分扩散连接。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明采用两步法成形实现曲面加强筋口盖制备，采用气体进行扩散焊接，能够保证成形零件100％的扩散焊合率。
(2)本发明在平板扩散焊接时采用在模具上开密封槽方式进行密封，这种密封方式可保证热压超塑成形气路畅通，是两步法成形的关键。
(3)本发明制备的钛合金轻量化结构口盖将四周用加强框形式进行预置，能够实现安装面和中间部位的不等厚度，保证零件的强度刚度，也有利于减重。
(4)本发明制备的钛合金轻量化结构口盖扩散焊合率高，能够实现轻量化高强度要求，零件整体性好，无后续校形，成形精度高。
附图说明
图1为本发明实施例钛合金薄壁轻量化口盖类零件整体图；
图2为本发明实施例中平板扩散焊接模具三视图及局部放大图；
图3为本发明实施例中超塑成形凸模结构示意图；
图4为本发明实施例中三层板装配示意图；
图5为本发明实施例中刻形样板结构示意图；
图6为本发明实施例中刻形效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种钛合金薄壁轻量化口盖制备方法，制备出的口盖形状如图1所示，具有四周安装面1、中间扩散焊接区域2和加强筋区域3。其中，四周安装面1的厚度t1为4mm，中间扩散焊接区域2的厚度t2为2mm，加强筋区域3的厚度t3为0.5mm。
该钛合金薄壁轻量化口盖制备方法具体包括如下步骤：
S1、模具设计
根据零件最终理论外形，设计平板扩散焊接模具及热压超塑成形模具，模具设计时首先确保两次成形时基准能够传递，平板扩散焊接模具和热压超塑成形模具采用同一缩放系数。本实施例中，模具材料选用耐热钢，耐热钢和钛合金成形时存在膨胀系数差异，耐热钢的膨胀系数大于钛合金膨胀系数，所以热压超塑成形模具设计时需要考虑缩放系数，一般将缩放系数确定为0.995。
根据坯料尺寸设计平板扩散焊接模具，平板扩散焊接模具(如图2所示)的导柱孔和热压超塑成形模具(如图3所示)的导柱孔4位置及孔径完全一致，作为零件基准传递。平板扩散焊接时采用模具中进气使得平板坯料在气体加载下扩散连接，平板模具设计要考虑坯料和模具之间形成密封，本实施例中的平板扩散焊接模具采用密封槽方式进行密封，在模具上设计出密封槽5，密封槽5的宽度t4为1.5mm、深度t5为1.0mm，根据坯料厚度进行设计。模具采用导柱作为模具合模导向，同时通过导柱传递基准，因此将平板扩散焊接模具和热压超塑成形模具的导柱直径、导柱间距、导柱离零件理论轮廓线6距离设计得完全一致。
S2、坯料设计
根据热压超塑成形模具尺寸，设计坯料尺寸，将坯料设计为三层，如图4所示。其中，外层板7的厚度为δ1、将定位半圆孔设计在外层板上，定位孔间距、孔径与热压超塑成形模具完全一致。中间加强板8的厚度为δ2，内层板9的厚度为δ3，根据零件的尺寸，δ1＝1mm，δ2＝2mm，δ3＝1mm，δ1+δ2+δ3＝t1，δ1+δ3＝t2。
S3、样板设计
根据口盖需要成形和扩散焊接部位设计芯层刻形样板，如图5所示，样板中阴影所示的切除部位对应成形零件中需要变形的部位，即Ω加强筋成形部位；
S4、芯层止焊剂图形制备
在外层板上涂覆化铣胶，待化铣胶完全干透后将刻形样板和外层板完全贴合，用刻刀划破化铣胶，然后将需要喷涂止焊剂地方的化铣胶撕掉，用喷枪喷涂止焊剂，如图6中阴影部分所示。
S5、封装焊接
将外层板7、中间加强板8和内层板9整齐叠放后，四周用氩弧焊接封口焊接，进气位置焊接进气管。
S6、扩散焊接
将封装后的三层板装入平板扩散焊接模具中，加热升温，扩散焊接过程中，模具内部保持真空状态，到达设定温度920℃后，压力机加载，在模具型腔中进气，使得三层板材在气压作用下扩散焊接，气体加载压力2.5MPa，保压时间120min。
S7、超塑成形装模
扩散焊后的平板坯料装入热压超塑成形模具中随炉升温，加热到920℃，装炉时热压超塑成形模具的上模(凹模)需固定在设备的上平台，坯料放在凸模上。
S8、超塑成形
模具到温后将热压超塑成形模具合模，然后进气超塑成形，最大进气压力2.0MPa，得到需要的口盖类零件。
S9、切除工艺端
成形完毕后用工装装卡后去掉工艺端。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钛合金薄壁轻量化口盖类零件制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1、模具设计：根据零件最终理论外形，设计平板扩散焊接模具及热压超塑成形模具，模具设计时确保两次成形时基准能够传递，平板扩散焊接模具和热压超塑成形模具采用同一缩放系数；
S2、坯料设计：将坯料设计为三层，包括外层板、中间加强板和内层板；外层板、中间加强板和内层板的厚度之和，与口盖类零件的四周安装面的厚度相同；外层板和内层板的厚度之和，与口盖类零件的中间扩散焊接区域的厚度相同；
S3、样板设计：根据口盖需要成形和扩散焊接部位设计芯层刻形样板，刻形样板样板中的切除部位对应零件中的加强筋成形部位；
S4、芯层止焊剂图形制备：在外层板上涂覆化铣胶，待化铣胶完全干透后将刻形样板和外层板完全贴合，用划破化铣胶，将需要喷涂止焊剂地方的化铣胶撕掉，喷涂止焊剂；
S5、封装焊接：将外层板、中间加强板和内层板整齐叠放后，四周用氩弧焊接封口焊接，进气位置焊接进气管；
S6、扩散焊接：将封装后的三层板装入平板扩散焊接模具中，加热升温，扩散焊接过程中，模具内部保持真空状态，到达设定温度后，压力机加载，在模具型腔中进气，使得三层板在气压作用下扩散焊接；
S7、超塑成形装模：扩散焊后的平板坯料装入热压超塑成形模具中随炉升温，装炉时热压超塑成形模具的凹模固定在设备的上平台，坯料放在凸模上；
S8、超塑成形：热压超塑成形模具到温后，将热压超塑成形模具合模，然后进气超塑成形，得到需要的口盖类零件。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，模具材料选用耐热钢，热压超塑成形模具的缩放系数为0.995。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将平板扩散焊接模具和热压超塑成形模具的导柱直径、导柱间距、导柱离零件理论轮廓线距离设计得完全一致。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，平板扩散焊接模具采用密封槽方式进行密封。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将定位半圆孔设计在外层板上，定位孔间距、孔径与热压超塑成形模具完全一致。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S6中，设定温度为920℃；进行扩散焊接时，气体加载压力为2.5MPa，保压时间为120min。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S7中，加热到920℃装炉。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S8中，超塑成形时最大进气压力2.0MPa。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤S9、切除工艺端：成形完毕后用工装装卡后去掉工艺端。
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