CN111085616A - 一种带支柱中空复杂结构件的成形模具及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种带支柱中空复杂结构件的成形模具及制造方法。本发明涉及金属件加工制备领域。提出了一种得到变形小、尺寸精度高、焊接接头质量高、结构整体性好的带支柱中空复杂结构件的成形模具及制造方法。所述成形模具包括上模、下模以及与斜面支柱一一对应的定位支撑块。所述中空复杂结构件按以下步骤进行制造：1）、零件制备：2）、去除氧化层；3）、喷涂高温阻焊剂；4）、初步焊接；5）、检查气密性；6）、模具安装；7）、扩散焊接；8）、超塑成形；9）、冷却；10）、切割；完毕。相较于其他焊接方式，扩散焊过程中无冶金熔化现象，接头质量良好；易于实现自动化，其参数易于控制，工艺操作简单，适用于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属件加工制备领域，尤其涉及超塑成形扩散连接技术领域。
背景技术
本发明中涉及到的带支柱的中空复杂结构件是一种应用在航空、航天、船舶、汽车等领域高温部件的冷却结构。两层板组成的中空结构，不但具有较好刚度和强度，更兼具轻质轻量的特点。同时，这种新颖的结构还具有良好的冷却效果。其作用原理是当冷却介质射流穿过结构件孔壁遇到高温气流时，在高温气流的压力和摩擦下便会弯曲下移，依附在固体壁面上形成冷却气膜，这层气膜将固体壁面与高温气流隔离开来。本发明中两层板的中空结构会在上面板下面板形成双层冷却气膜，同时从下面板进入的冷气介质冲击上面板内壁，增加冷却效果。
现有技术中，常见高温冷却结构的上下曲面板是由高温镍合金或钛合金精密铸造出来的，其材料导热系数小，硬度高，属于难加工材料，要求加工条件非常苛刻。需要在结构件的一端面板上铸造出具有外螺纹的支柱，其螺纹为加强螺纹。由于结构件整体呈一定角度的弧形，其在加工装夹过程中缺少稳定平面，借助工装进行夹紧时极易变形，不易控制，容易产生裂纹，零件加工周期长。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种通过超塑成形扩散焊接技术得到变形小、尺寸精度高、焊接接头质量高、结构整体性好的一种带支柱中空复杂结构件的成形模具及制造方法。
本发明的技术方案为：所述成形模具包括上模、下模以及与斜面支柱一一对应的定位支撑块，所述支撑定位块的顶面上开设有与斜面支柱适配的斜向盲孔；
所述上模的底面呈与上面板的顶面适配的曲面状，所述下模的顶面呈与下面板的底面适配的曲面状；所述下模的顶面上开设有与成形结构件凸起部分一一对应的凹槽、与平面支柱一一对应的圆形槽、与定位支撑块一一对应的方形槽；所述凹槽与成形结构件凸起部适配，所述圆形槽与平面支柱适配，所述方形槽与定位支撑块适配。
所述上模的底面上固定连接有环形的密封凸棱，用于压住上面板的边缘处。
所述方形槽、圆形槽、凹槽以及斜向盲孔的拔模斜度为5-9°。
所述中空复杂结构件按以下步骤进行制造：
1）、零件制备：
1.1）、取金属板，并采用模具冲压出上面板和下面板；
1.2）、取若干支柱，可在支柱的一端开设外螺纹；
1.3）、根据结构件中若干空腔制备气道设计样板；
2）、去除氧化层：去除上面板和下面板待焊接面的氧化层；
3）、喷涂高温阻焊剂：
3.1）、先将气道设计样板放置在下面板上，再自上而下对气道设计样板未覆盖的区域喷涂高温阻焊剂，使得喷涂有高温阻焊剂的端面朝上；
3.2）、先将气道设计样板放置于上面板上，再自上而下对气道设计样板未覆盖的区域喷涂高温阻焊剂，最后，翻转上面板，使得喷涂有高温阻焊剂的端面朝下；
4）、初步焊接：将上面板放置在下面板上，四周进行封焊，同时在侧面焊接气嘴，形成封焊试样；
5）、检查气密性：通过气嘴向上面板和下面板之间吹气，以检查封焊试样的气密性；
6）、模具安装：
6.1）、将平面支柱置于圆形槽中；
6.2）、先将斜面支柱置于定位支撑块斜向盲孔中，再将定位支撑块置于方形槽中；
6.3）、将封焊试样和模具一起置入真空扩散炉内，并放置压块于模具上；
7）、扩散焊接：先将加热炉抽至真空度值10-2Pa以下，再进行加热，并保温；
8）、超塑成形：通过外接气压设备经过气嘴向上面板和下面板之间吹送氩气，其压力增加速率不断变大直至指定值后保持恒定；
9）、冷却：待超塑成形完毕，模具随炉冷却冷却至200℃时，将其自加热炉中取出，并进行清洗；
10）、切割：在切除气嘴后，可在上面板上开设长条形通孔，并在下面板上开设圆形通孔；完毕。
步骤1）中所述金属板采用的材料为镍基合金、钛合金或铁基合金。
步骤3还包括3.3）、在上模的底面、下模的顶面、凹槽的内壁、圆形槽的内壁、定位支撑块的内外壁上喷涂阻焊剂。
其他截面形状的支柱同样适用，支柱高出下模具型面0.1-0.2mm。
步骤5）具体为：先将封焊试样置入水中，在通过焊接气嘴向上面板和下面板之间吹入气体，通过观察是否有气泡的产生，以确定封焊试样的气密性。
本发明的原理在于：本发明采用超塑成形扩散连接技术，其中扩散焊接包括带有曲面的上下面板之间、支柱与下面板之间两处。带有曲面的上下面板之间并不是完全扩散焊接，喷涂阻焊剂的上下板面部分不参与焊接，超塑成形过程中气体通过这些区域施加气压完成超塑成形。考虑斜面上支柱扩散压力的施加，曲面部分与水平面夹角不超过45°。超塑成型过程中采用气体加压方式成形。为了减小模具的密封压力，提高密封效果，采用上模带有密封凸棱的密封方式，工装时，密封凸棱压在封焊试样毛坯四周边缘部分。为了保证扩散焊接过程中支柱与下面板的充分接触，支柱高度高出下模具型面0.1mm-0.2mm之间。
本发明的有益效果在于：
一、相较于其他焊接方式，扩散焊过程中无冶金熔化现象，因此焊接试样接头中热影响区热变形较小，焊接质量较好，可以得到与基体性能一致的焊接接头；
二、方形槽以及定位支撑块的设计，使得结构件在成形后可以沿竖直方向上拔模，支柱不与下模具发生干涉；
三、超塑成形扩散焊接得到的成形试样变形程度小，尺寸精度高；
四、在同一模具中先扩散连接后超塑成形，成形出的结构件整体化高，性能稳定；
五、本发明中结构件的超塑成形扩散焊接工艺易于实现自动化，其参数易于控制，工艺操作简单，适用于批量生产。
附图说明
图1的本案中中空复杂结构件的结构示意图，
图2是本案中成形模具的结构示意图，
图3是本案中下模的结构示意图，
图4是本案中成形模具的剖面图，
图5是定位支撑块的结构示意图，
图6是中空复杂结构件的立体图一，
图7是中空复杂结构件的立体图二，
图8是中空复杂结构件的剖面图，
图9是气道设计样板的立体图，
图10是本案的制备过程的示意图一，
图11是本案的制备过程的示意图二，
图12是本案的制备过程的示意图三，
图13是本案的制备过程的示意图四；
图中A是两板间扩散焊接，B是支柱与面板间扩散焊接，C是超塑成形；1是上模，2是密封凸棱，3是封焊试样，4是下模，5是定位导柱，6是方形槽，7是圆形槽，8是凹槽，9是上面板，10是下面板，11是平面支柱，12是气嘴，13是斜面支柱，14是定位支撑块；
101是空腔，102是长条形通孔，103是圆形通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明如图1-13所示，所述中空复杂结构件包括上面板9、下面板10和若干支柱，所述下面板10的顶面与上面板9的底面相贴合、且二者固定相连，若干所述支柱垂直的固定连接在下面板10的底面上，所述上面板9、下面板10均呈曲面状，使得若干支柱分为斜面支柱13和平面支柱11，所述平面支柱11垂直于水平面设置。
所述上面板9的厚度为0.2-3mm，所述下面板10的厚度为0.2-3mm；
所述下面板10上具有若干朝向支柱所在一侧的凸起部，使得所述凸起部和上面板之间形成空腔101，所述上面板9和下面板10之间留有若干气道，若干所述空腔101通过气道保持连通、且其中一个空腔101通过气道与下面板10之外连通，所述空腔101的一侧还开设有贯穿上面板9的长条形通孔102、且另一侧开设有至少一个贯穿下面板10的圆形通孔103。
如图1所示，A是两板间扩散焊接，B是支柱与面板间扩散焊接，C是超塑成形。
所述成形模具包括上模1、下模4和与斜面支柱一一对应的定位支撑块14，所述支撑定位块14的顶面上开设有与斜面支柱13适配的斜向盲孔，所述斜向盲孔与水平面的夹角等于斜面支柱与水平面的夹角，使得支撑定位块套在斜面支柱外时可与平面支柱保持平行；
所述上模1的底面呈与上面板9的顶面适配的曲面状，所述下模4的顶面呈与下面板10的底面适配的曲面状；所述下模4的顶面上开设有与凸起部一一对应的凹槽8、与平面支柱11一一对应的圆形槽7、与定位支撑块14一一对应的方形槽6；所述凹槽8凸起部适配，所述圆形槽7与平面支柱11适配，所述方形槽6与定位支撑块14适配。
所述上模1的底面上固定连接有环形的密封凸棱2，用于压住上面板9的边缘处。以提升压合以及密封效果。
所述焊接模具还包括至少一个定位导柱5，所述定位导柱5的底端插接在下模4中，所述上模1的底面上开设有与定位导柱5适配的导向孔。
所述上模的底面、下模的顶面的边缘处还开设有用于容置气嘴的沟槽。
所述方形槽、圆形槽、凹槽以及斜向盲孔的拔模斜度为5-9°。由于斜面支柱垂直于下面板，其轴向与竖直方向具有一定的夹角，而平面支柱轴向方向则竖直向上；因此，超塑成形扩散连接完成后，如果沿竖直方向向上拔模，斜面支柱与下模具则会发生干涉。
本案为了避免干涉，在斜面上开取具有拔模斜度且竖直设置的方形槽。在方形槽内添加同样具有拔模斜度定位支撑块，以定位、支撑其中的斜面支柱。采用这样的拔模设计，在竖直向上拔模时，斜面支柱与定位支撑块会一起脱离下模，随后沿斜面支柱轴向方向将定位支撑块脱离。
其他截面形状的支柱同样适用，支柱高出下模具型面0.1-0.2mm。
所述中空复杂结构件采用超塑成形真空扩散焊接SPF/DB技术制造，按以下步骤进行制造：
1）、零件制备：
1.1）、取金属板，并采用模具冲压出上面板9和下面板10；
1.2）、取若干支柱，并在支柱的一端开设外螺纹；
1.3）、根据结构件中若干空腔101制备气道设计样板；
2）、去除氧化层：去除上面板9和下面板10待焊接表面的氧化层；
3）、喷涂高温阻焊剂：如图10所示；
3.1）、先将气道设计样板放置在下面板10上，再自上而下对气道设计样板未覆盖的区域喷涂高温阻焊剂，使得喷涂有高温阻焊剂的端面朝上；
3.2）、先将气道设计样板放置于上面板9上，再自上而下对气道设计样板未覆盖的区域喷涂高温阻焊剂，最后，翻转上面板9，使得喷涂有高温阻焊剂的端面朝下；
4）、初步焊接：将上面板放置在下面板上，四周进行封焊，即对二者边缘处进行封焊；同时，在侧面焊接气嘴，即在与下面板之外连通的气道的外口处焊接气嘴12，形成封焊试样3；
5）、检查气密性：通过气嘴12向上面板9和下面板10之间吹气，以检查封焊试样3的气密性；
6）、模具安装：如图11所示；
6.1）、将平面支柱11置入圆形槽8中；为保持充分接触，实际操作时，可使得平面支柱在放入圆形槽后，其顶面高出下模0.1-0.2mm；
6.2）、先将斜面支柱13置入斜向盲孔中，再将定位支撑块14置入方形槽6中；同理，实际操作时，可使得定位支撑块的顶面和下模平齐、且斜面支柱的顶面高出下模0.1-0.2mm；
6.3）、将封焊试样和安装好的模具（即将封焊试样3放置在下模4和上模1之间）一起置入真空扩散炉内，并放置压块于模具上，施加一定的压力；如图2所示；
7）、扩散焊接：先将加热炉（采用SPF/DB真空炉，并接入气压管道）抽至真空度值10-2Pa以下，再进行加热，并保温；
8）、超塑成形：通过外接气压设备经过气嘴12向上面板9和下面板10之间吹送氩气，其压力增加速率不断变大直至指定值后保持恒定；如图12-13所示。
9）、冷却：待超塑成形完毕，模具随炉冷却至200℃时，将其自加热炉中取出，并进行清洗；
10）、切割：在切除气嘴12后，可在上面板9上开设长条形通孔102，并在下面板10上开设圆形通孔103；完毕。
采用超塑成形扩散焊接技术制备带有支柱复杂中空结构件，结构件可以在一次热循环中完成，工艺简单，提高构件整体性和稳定性的同时也避免了机加过程中夹紧、定位、找正等困难，而且成形出的零件相较于其他焊接方式具有良好的焊接接头质量、变形量小、尺寸精度高、结构整体性好性能稳定等优势。
对于金属板的选材，本案通过以下两个实施例进行代表性阐述：
实施例一、步骤1）中所述金属板采用的材料为TC4钛合金。
实施例一的工艺参数为：扩散焊接时抽取真空度值至10-2Pa以下，升温至920±10℃,后保温1-5小时，施加焊接压力1-5MPa；超塑成形时温度范围为920±10℃，按照设定路径加载气压0.5-3MPa，加载时间20-200Min。
实施例二、步骤1）中所述金属板采用的材料为GH4169镍基合金。
实施例二的工艺参数为：扩散焊接时抽取真空度值至10-2Pa以下，升温至1100±50℃，后保温1-5小时，施加焊接压力5-60MPa；超塑成形时温度范围为950-1100℃，按照设定路径加载气压1-10MPa，加载时间1-6小时。
同时，针对于实施例二，在步骤3），即在处理表面氧化膜以及喷涂高温阻焊剂之后，需在上面板和下面板之间添加厚度10-30μm形状与气道设计样板一致的中间层纯Ni箔，以保证焊接效果。
步骤2）中去除氧化层的过程为：先用400目、600目、800目、1000目的SiC砂纸逐级磨光；再用丙酮除去油污，并在经过清水清洗、冷风吹干后，放入硝酸和氢氟酸的水溶液中进行酸洗，其中硝酸、氢氟酸和水配比比例为3:1:6；最后，在无水乙醇环境下进行超声波清洗，并在取出后进行冷风吹干。
步骤3）还包括3.3）、在上模的底面、下模的顶面、凹槽的内壁、圆形槽的内壁、定位支撑块的内外壁上喷涂阻焊剂。
步骤5）具体为：先将封焊试样置入水中，在通过焊接气嘴向上面板和下面板之间吹入气体，通过观察是否有气泡的产生，以确定封焊试样的气密性。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种带支柱中空复杂结构件的成形模具，其特征在于，所述成形模具包括上模、下模以及与斜面支柱一一对应的定位支撑块，所述支撑定位块的顶面上开设有与斜面支柱适配的斜向盲孔；
所述上模的底面呈与上面板的顶面适配的曲面状，所述下模的顶面呈与下面板的底面适配的曲面状；所述下模的顶面上开设有与成形结构件凸起部分一一对应的凹槽、与平面支柱一一对应的圆形槽、与定位支撑块一一对应的方形槽；所述凹槽与成形结构件凸起部分适配，所述圆形槽与平面支柱适配，所述方形槽与定位支撑块适配。
2.根据权利要求1所述的一种带支柱中空复杂结构件的成形模具，其特征在于，所述上模的底面上固定连接有环形的密封凸棱，用于压住上面板的边缘处。
3.根据权利要求1所述的一种带支柱中空复杂结构件的成形模具，其特征在于，所述方形槽、圆形槽、凹槽以及斜向盲孔的拔模斜度为5-9°。
4.一种带支柱中空复杂结构件的制造方法，其特征在于，所述中空复杂结构件按以下步骤进行制造：
1）、零件制备：
1.1）、取金属板，并采用模具冲压出上面板和下面板；
1.2）、取若干支柱，可在支柱的一端开设外螺纹；
1.3）、根据结构件中若干空腔制备气道设计样板；
2）、去除氧化层：去除上面板和下面板待焊接表面的氧化层；
3）、喷涂高温阻焊剂：
3.1）、先将气道设计样板放置在下面板上，再自上而下对气道设计样板未覆盖的区域喷涂高温阻焊剂，使得喷涂有高温阻焊剂的端面朝上；
3.2）、先将气道设计样板放置于上面板上，再自上而下对气道设计样板未覆盖的区域喷涂高温阻焊剂，最后，翻转上面板，使得喷涂有高温阻焊剂的端面朝下；
4）、初步焊接：将上面板放置在下面板上，四周进行封焊，同时在侧面焊接气嘴，形成封焊试样；
5）、检查气密性：通过气嘴向上面板和下面板之间吹气，以检查封焊试样的气密性；
6）、模具安装：
6.1）、将平面支柱置于圆形槽中；
6.2）、先将斜面支柱置于定位支撑块斜向盲孔中，再将定位支撑块置于方形槽中；
6.3）、将封焊试样和模具一起置入真空扩散炉内，并放置压块于模具上；
7）、扩散焊接：先将加热炉抽至真空度值10-2Pa以下，再进行加热，并保温；
8）、超塑成形：通过外接气压设备经过气嘴向上面板和下面板之间吹送氩气，其压力增加速率不断变大直至指定值后保持恒定；
9）、冷却：待超塑成形完毕，模具随炉冷却至200℃时，将其自加热炉中取出，并进行清洗；
10）、切割：在切除气嘴后，可在上面板上开设长条形通孔，并在下面板上开设圆形通孔；完毕。
5.根据权利要求4所述的一种带支柱中空复杂结构件的制造方法，其特征在于，步骤1）中所述金属板采用的材料为镍基合金、钛合金或铁基合金。
6.根据权利要求4所述的一种带支柱中空复杂结构件的制造方法，其特征在于，步骤3还包括3.3）、在上模的底面、下模的顶面、凹槽的内壁、圆形槽的内壁、定位支撑块的内外壁上喷涂阻焊剂。
7.根据权利要求4所述的一种带支柱中空复杂结构件的制造方法，其特征在于，其他截面形状的支柱同样适用，支柱高出下模具型面0.1-0.2mm。
8.根据权利要求4所述的一种带支柱中空复杂结构件制造方法，其特征在于，所述上下面板曲面的部分与水平面的夹角不超过45°。
9.根据权利要求4所述的一种带支柱中空复杂结构件的制造方法，其特征在于，步骤5）具体为：先将封焊试样置入水中，在通过焊接气嘴向上面板和下面板之间吹入气体，通过观察是否有气泡的产生，以确定封焊试样的气密性。
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