CN111014668B - 一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，包括步骤如下：设计激光熔化沉积专用基板；通过对氧加强框沿壁厚突变部位进行上下分段，选取较高功率、较大扫描速度激光熔化沉积工艺参数及相应扫描策略成形下段部位，然后借助切片软件获得上、下段各切片层激光加工程序代码，导入设备先进行下段部位激光熔化沉积成形，取出后进行去应力退火，再以下段端面为基底完成上段部位的沉积，后续进行热处理及机械加工得到最终状态零件，解决了当前锻造+机械加工方法中加工周期长、材料利用率低、应力变形严重的问题，实现了氧加强框零件的高性能、小变形、少余量的成形。

Description

一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法
技术领域
本发明涉及一种氧加强框整体制造方法，属于机械加工领域。
背景技术
共底贮箱作为液体火箭发动机的推进剂供应系统的重要部件，已在多个型号长征系列火箭及武器的飞行发射中得到成功应用。根据新一代液体火箭发动机大推力、短周期、低成本的研制需求，共底贮箱设计结构呈大尺寸、复杂、薄壁轻质化的特征，其中氧加强框零件作为共底贮箱装置中的主要承力构件，为大尺寸、薄壁环带类结构，对力学性能有较高要求，起保证薄壁贮箱的强度和安全稳定性的作用。
目前氧加强框零件现有制造方法为锻环毛坯整体机械加工，加工过程刀具损耗严重，加工周期长，生产效率低，材料利用率不足5％；且大尺寸锻件毛坯内部存在较大残余应力，机加过程中应力释放易导致翘曲变形，影响产品最终尺寸精度和装配质量。
激光熔化沉积成形技术作为增材制造技术的一种，可实现大尺寸构件的高性能、短周期、近净成形，有望快速提升产品的研制周期和可靠性，解决当前氧加强框制造加工过程中存在的瓶颈问题。
如图2所示，为幅面尺寸在Φ900mm以上、壁厚小于10mm的薄壁环带类构件氧加强框。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，采用激光熔化沉积成形技术制备出一种TC4钛合金大尺寸薄壁环带氧加强框，实现氧加强框构件的快速、高性能、小变形、小加工余量成形，为大尺寸薄壁环带氧加强框的制造提供一种全新方法。
本发明所采用的技术方案是：一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，包括步骤如下：
(1)制作满足氧加强框成形及机械加工装夹定位用基板；
(2)沿氧加强框的横截面将氧加强框三维模型分为上下I、II段，分别进行支撑设计及余量添加，获得适用于激光熔化沉积成形的氧加强框毛坯分段三维模型；
(3)对步骤(2)所得氧加强框分段三维模型分别进行切片处理，置入TC4钛合金激光熔化沉积工艺参数，获得对应各段的激光加工程序代码；
(4)在基板上成形氧加强框I段毛坯后，对带基板毛坯件进行去应力退火处理；
(5)装夹定位氧加强框，在I段顶端面成形氧加强框II段毛坯；
(6)对带基板氧加强框整体成形毛坯件进行固溶时效处理；
(7)去除氧加强框毛坯支撑，完成氧加强框的精加工。
所述步骤(1)中，基板包括多个同心圆形环与沿径向分布的加强筋构成，最外圈的圆环上沿周向设置有8组凸台，并钻有螺纹孔用于固定成形平台，中间圆环高度方向上设有夹紧装置，通过螺钉与涨环相互配合实现氧加强框的夹紧。
所述步骤(2)中，在氧加强框肋板上方沿水平方向对氧加强框三维模型进行分段，I段模型为从氧加强框底部至肋板上部壁厚过渡区域，II段模型为从氧加强框肋板上部壁厚过渡区域至顶部端面。
所述步骤(2)中，对I段模型内外弧面沿圆径向放置1.5mm～2mm的余量，在I段模型外弧面上的支耳及肋板位置添加与沉积方向呈68°的斜面实体支撑，对II段模型内外弧面沿圆径向放置0.2mm～0.5mm的余量。
所述步骤(3)中，对I、II段模型设置激光加工工艺参数，I段模型采用参数：激光功率为2600W～3000W，扫描速度为800mm/min～1100mm/min，分层厚度为0.7mm～1mm，扫描方式采用往复填充式扫描，扫描线与水平方向夹角为45°，扫描间距为2mm～2.5mm，扫描线段长度阀值设定为30～50mm；
II段模型采用参数：激光功率为600W～1000W，扫描速度400mm/min～600mm/min，分层厚度0.4mm～0.6mm，扫描方式采用沿径向方向由外至内的轮廓式扫描，扫描轮廓道与道间偏置距离为1mm～1.5mm。
步骤(4)中，将氧加强框I段的激光加工程序导入至激光熔化沉积设备中进行成形，成形完成后对氧加强框I段进行去应力退火热处理，热处理过程为：在真空热处理炉中以100℃/h速率升温至700±10℃，保温4h后炉冷至室温。
步骤(5)中，以基板成形面为水平基准面将氧加强框I段上端铣平，以I段上端面圆心为原点对氧加强框II段加工程序进行定位，前两层扫描速度降低10％～20％、送粉量降低5％～10％，后续成形层按照氧加强框II段加工程序完成氧加强框II段部分成形。
所述步骤(6)中，对带基板氧加强框整体成形毛坯件进行固溶时效热处理，过程如下：
将毛坯件装入真空热处理炉真空度抽至1.1×10-2Pa，进行固溶处理：以100℃/h速率升温至930℃±5℃，升温过程充氩气，氩气压力为10Pa，保温2h后充氩气冷却至室温后取出，氩气压力为2bar；时效处理过程如下：以100℃/h速率升温至520℃±5℃，升温过程充氩气，氩气压力为10Pa，保温4h后充氩气冷却至室温后取出，氩气压力为2bar。
所述步骤(7)中，固定氧加强框基板，以基板的上台阶面为基准面，找正底面跳动量在0.03内，加工内型加强肋板上平面及最上端平面，再将零件与基板锯切分离；将已加工上端面贴平在工作台上，四爪撑内孔，光平下法兰端面；将下法兰与工作台贴平，压板压紧后加工内外型及外型耳片、接嘴、支座；装夹下法兰，压板压实外型法兰，找正端面、内孔跳动量在0.03内，将下法兰切除，保证氧加强框零件总长。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，通过对氧加强框分段激光熔化沉积成形和易变形部位局部热处理，实现了氧加强框零件的高性能、小变形、少余量的成形，该制备方法解决了当前锻造+机械加工方法中加工周期长、材料利用率低、应力变形严重的问题，同时氧加强框激光熔化沉积专用基板的使用减少了后续机械加工的反复装夹和定位误差，保证了产品的最终尺寸精度和装配质量。
(2)本发明提出的激光熔化成形方法成形TC4钛合金内部质量良好，组织细密，各项力学性能均达到锻件水平，通过该方法制备氧加强框产品径向加工余量仅为0.5mm～2mm，实现了氧加强框的近净成形，相比现有锻件+机械加工方法，材料利用率提升90％，生产周期由90天降低至15天。
附图说明
图1是本发明实施例提供的氧加强框基板整体示意图；
图1-1是本发明实施例提供的氧加强框基板的局部放大图；
图2是本发明实施例提供的氧加强框构件I、II分段示意图；
图3是本发明实施例提供的氧加强框构件三维模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，包括步骤如下：
针对氧加强框零件特点，设计出刚度较好、多用途的激光熔化沉积专用基板，既能满足氧加强框成形，又同时作为零件机械加工的定位、装夹工装，避免后续机械加工的反复装夹和定位，保证产品的最终尺寸精度和装配质量；通过对氧加强框沿壁厚突变部位进行上下分段，选取较高功率、较大扫描速度激光熔化沉积工艺参数及相应扫描策略成形下段部位，保证零件的高效率沉积，选取小功率、较小扫描速度激光熔化沉积工艺参数及相应扫描策略成形上段部位，保证零件的小变形与小加工余量沉积，然后借助切片软件获得上、下段各切片层激光加工程序代码，导入设备先进行下段部位激光熔化沉积成形，取出后进行去应力退火，再以下段端面为基底完成上段部位的沉积，后续进行热处理及机械加工得到最终状态零件，具体步骤如下：
(1)设计满足氧加强框成形及机械加工装夹定位的多功能用基板；
(2)将氧加强框三维模型分为I、II段，分别进行支撑设计及余量添加，获得适用于激光熔化沉积成形的氧加强框毛坯分段三维模型；
(3)对步骤(2)所得氧加强框分段三维模型分别进行切片处理，置入TC4钛合金激光熔化沉积工艺参数，获得对应各段的激光加工程序代码；
(4)在基板上成形氧加强框I段毛坯后对带基板毛坯件进行去应力退火处理；
(5)装夹定位氧加强框，在I段顶端面成形氧加强框II段毛坯；
(6)对带基板氧加强框整体成形毛坯件进行固溶时效处理；
(7)去除氧加强框毛坯支撑，完成构件的精加工。
其中，所述步骤(1)中，氧加强框零件成形用基板设计时，考虑基板材料、结构能保证激光热作用下零件具有较小的翘曲变形，同时，基板能够满足氧加强框零件后续机械加工时零件的定位、夹紧及装配。基板由多个同心圆形环与沿径向分布的加强筋构成，最外圈设计有8组凸台，并钻有螺纹孔用于固定成形平台，中间圆环高度方向设有夹紧装置，通过螺钉与涨环相互配合实现氧加强框零件的夹紧。
所述步骤(2)中，在氧加强框肋板上方沿水平方向对氧加强框三维模型进行分段，I段模型为底部至肋板上部壁厚过渡区域，II端模型为肋板上部壁厚过渡区域至零件顶部端面。对I段模型内外弧面沿圆径向放置1.5mm～2mm余量，在支耳及肋板位置添加与沉积方向呈68°的斜面实体支撑，对II段模型内外弧面沿圆径向放置0.2mm～0.5mm余量。
所述步骤(3)中，对I、II段模型设置激光加工工艺参数，I段模型采用参数：激光功率为2600W～3000W，扫描速度为800mm/min～1100mm/min，分层厚度0.7mm～1mm。扫描方式采用往复填充式扫描，扫描线与水平方向夹角为45°，扫描间距为2mm～2.5mm，扫描线段长度阀值设定为30～50mm。II段模型采用参数：激光功率为600W～1000W，扫描速度为400mm/min～600mm/min，分层厚度0.4mm～0.6mm,扫描方式采用沿径向方向由外至内的轮廓式扫描，扫描轮廓道与道间偏置距离为1mm～1.5mm。设置完成后通过剖切程序获得各段模型的加工程序代码。
所述步骤(4)中，将氧加强框I段加工程序导入至激光熔化沉积设备成形，成形完成后对氧加强框I段进行去应力退火热处理，热处理制度为：在真空热处理炉中以100℃/h速率升温至700±10℃，保温4h后炉冷至室温。
所述步骤(5)中，以基板成形面为水平基准面将氧加强框I段上端铣平，以I段上端面圆心为原点对氧加强框II段加工程序进行定位，完成后成形氧加强框II段部分。氧加强框II段成形时前两层扫描速度降低10％～20％、送粉量降低5％～10％，后续成形层按照氧加强框II段加工程序进行氧加强框产品的整体成形。
所述步骤(6)中，对带基板氧加强框产品进行固溶时效热处理，装入真空热处理炉真空度抽至1.1×10-2Pa，进行固溶处理：以100℃/h速率升温至930℃±5℃，升温过程充氩气，氩气压力为10Pa，保温2h后充氩气冷却至室温后取出，氩气压力为2bar。时效处理：以100℃/h速率升温至520℃±5℃，升温过程充氩气，氩气压力为10Pa，保温4h后充氩气冷却至室温后取出，氩气压力为2bar。
所述步骤(7)中，固定氧加强框基座底板，以基板的上台阶面为基准面，找正底面跳动量在0.03内，加工内型加强肋板上平面及最上端平面，再将零件与基板锯切分离；将已加工上端面贴平在工作台上，四爪撑内孔，光平下法兰端面；将下法兰与工作台贴平，压板压紧后精加工内外型及外型耳片、接嘴、支座；装夹下法兰，压板压实外型法兰，找正端面、内孔在0.03内，将下法兰切除，保证零件总长。
实施例：
设计如附图1所示圆形基板，基板设计厚度＞50mm以防变形，尺寸公差符合GB/T6414要求，附图1-1中螺钉带动涨环退回或顶出时，保证螺钉与涨环端面均低于定位盘端面。如图2所示氧加强框零件三维模型图，对氧加强框肋板上方沿水平方向对氧加强框三维模型进行分段，I段模型为底部至肋板上部壁厚过渡区域，II端模型为肋板上部壁厚过渡区域至零件顶部端面。对I段模型内外弧面沿圆径向放置1.5mm余量，在支耳及肋板位置添加与沉积方向呈68°的斜面实体支撑，对II段模型内外弧面沿圆径向放置0.2mm余量，氧加强框毛坯三维模型示意图见附图3。
对氧加强框I、II段分别设置加工工艺参数，I段参数：激光功率为2600W，扫描速度为900mm/min，分层厚度0.8mm。采用往复填充式扫描，扫描线与水平方向夹角为45°，扫描间距为2mm，扫描线段长度阀值设定为30mm。II段参数：激光功率为600WW，扫描速度为400mm/min，分层厚度0.4mm，采用沿径向方向由外至内的轮廓式扫描，扫描轮廓道与道间偏置距离为1mm。
氧加强框成形顺序为I、II段依次成形，I段成形完成后铣平上端面，设置原点对氧加强框II段加工程序进行定位，氧加强框II段成形时前两层扫描速度降低10％、送粉量降低5％，后续成形层根据设定参数值完成II段部分成形。
成形用TC4钛合金粉末的粒度分布为D10为70～80μm，D50为110～125μm，D90为180～200μm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)制作满足氧加强框成形及机械加工装夹定位用基板；
(2)沿氧加强框的横截面将氧加强框三维模型分为上下I、II段，分别进行支撑设计及余量添加，获得适用于激光熔化沉积成形的氧加强框毛坯分段三维模型；
(3)对步骤(2)所得氧加强框分段三维模型分别进行切片处理，置入TC4钛合金激光熔化沉积工艺参数，获得对应各段的激光加工程序代码；
(4)在基板上成形氧加强框I段毛坯后，对带基板毛坯件进行去应力退火处理；
(5)装夹定位氧加强框，在I段顶端面成形氧加强框II段毛坯；
(6)对带基板氧加强框整体成形毛坯件进行固溶时效处理；
(7)去除氧加强框毛坯支撑，完成氧加强框的精加工。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，基板包括多个同心圆形环与沿径向分布的加强筋，最外圈的圆环上沿周向设置有8组凸台，并钻有螺纹孔用于固定成形平台，中间圆环高度方向上设有夹紧装置，通过螺钉与涨环相互配合实现氧加强框的夹紧。
3.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在氧加强框肋板上方沿水平方向对氧加强框三维模型进行分段，I段模型为从氧加强框底部至肋板上部壁厚过渡区域，II段模型为从氧加强框肋板上部壁厚过渡区域至顶部端面。
4.根据权利要求3所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中，对I段模型内外弧面沿圆径向放置1.5mm～2mm的余量，在I段模型外弧面上的支耳及肋板位置添加与沉积方向呈68°的斜面实体支撑，对II段模型内外弧面沿圆径向放置0.2mm～0.5mm的余量。
5.根据权利要求4所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对I、II段模型设置激光加工工艺参数，I段模型采用参数：激光功率为2600W～3000W，扫描速度为800mm/min～1100mm/min，分层厚度为0.7mm～1mm，扫描方式采用往复填充式扫描，扫描线与水平方向夹角为45°，扫描间距为2mm～2.5mm，扫描线段长度阀值设定为30～50mm；
II段模型采用参数：激光功率为600W～1000W，扫描速度400mm/min～600mm/min，分层厚度0.4mm～0.6mm，扫描方式采用沿径向方向由外至内的轮廓式扫描，扫描轮廓道与道间偏置距离为1mm～1.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：步骤(4)中，将氧加强框I段的激光加工程序导入至激光熔化沉积设备中进行成形，成形完成后对氧加强框I段进行去应力退火热处理，热处理过程为：在真空热处理炉中以100℃/h速率升温至700±10℃，保温4h后炉冷至室温。
7.根据权利要求6所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：步骤(5)中，以基板成形面为水平基准面将氧加强框I段上端铣平，以I段上端面圆心为原点对氧加强框II段加工程序进行定位，前两层扫描速度降低10％～20％、送粉量降低5％～10％，后续成形层按照氧加强框II段加工程序完成氧加强框II段部分成形。
8.根据权利要求7所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：所述步骤(6)中，对带基板氧加强框整体成形毛坯件进行固溶时效热处理，过程如下：
将毛坯件装入真空热处理炉真空度抽至1.1×10-2Pa，进行固溶处理：以100℃/h速率升温至930℃±5℃，升温过程充氩气，氩气压力为10Pa，保温2h后充氩气冷却至室温后取出，氩气压力为2bar；时效处理过程如下：以100℃/h速率升温至520℃±5℃，升温过程充氩气，氩气压力为10Pa，保温4h后充氩气冷却至室温后取出，氩气压力为2bar。
9.根据权利要求8所述的一种大尺寸、薄壁环带氧加强框整体制造方法，其特征在于：所述步骤(7)中，固定氧加强框基板，以基板的上台阶面为基准面，找正底面跳动量在0.03内，加工内型加强肋板上平面及最上端平面，再将零件与基板锯切分离；将已加工上端面贴平在工作台上，四爪撑内孔，光平下法兰端面；将下法兰与工作台贴平，压板压紧后加工内外型及外型耳片、接嘴、支座；装夹下法兰，压板压实外型法兰，找正端面、内孔跳动量在0.03内，将下法兰切除，保证氧加强框零件总长。
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