CN112338002A - 一种钛合金构件的局部校形方法 - Google Patents

一种钛合金构件的局部校形方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种钛合金构件的局部校形方法属于钛合金校形技术领域。本发明采用电磁感应加热技术对钛合金构件进行热变形校形，其包括构件校形区定位、构件在校形模具中的固定、校形区域固定、校形和退火处理。本方法操作简便，可对大型、薄壁或有曲面的钛合金构件进行校形，具有对钛合金构件进行内压和外扩校形的双重功能。构件校形温度低，可在大气中进行，无需保护气氛，能有效解决钛合金构件真空高温校形效率低的问题。

Description

一种钛合金构件的局部校形方法
技术领域
本发明一种钛合金构件的局部校形方法属于钛合金校形技术领域。
背景技术
钛合金因其晶体结构而导致室温塑性差，冷变形困难，构件校形时不能采用铁锤直接敲击矫正的方法，会使表面产生裂纹或裂纹源，因此钛合金构件校形只能采用加热校形的方式。同时，钛的弹性模量为110250Mpa，约为钢的一半左右，因此钛合金的回弹力比较大，钛合金构件校形要比铸钢件困难得多，通常采用机械校形和热变形校形两种方式。
钛合金的机械校形是将构件装入箱式电阻炉内加热，温度在400℃左右，保温时间在20～40分钟，然后将加热好的构件迅速移至液压机上固定好，并施加适当压力，使需校形的部位发生一定的形变，以达到校形的目的。由于构件需先加热再转运至液压机定位校形，定位过程热量损失，影响校形效果，并且采用液压机校形，构件易产生应力，必须及时进行去应力退火。
钛合金的热变形校形是将构件放入校形模具内，并在模具上防止足够重量的重物，然后把它们置于真空高温炉或保护性气氛炉内，升温至900℃～950℃，并保温4～6小时，在上模的重力作用下，构件产生蠕变变形，达到校形的要求。由于整个校形过程需要在真空或保护气氛下进行，对设备和场地要求较高，且校形时需将构件、校形模具和配重整体置于高温炉内，所需空间较大，构件校形率低。
电磁感应加热技术是通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当金属切割交变磁力线会在内部产生交变的电流(即涡流)，涡流使金属原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热金属的效果。因而，可采用电磁感应加热技术对钛合金构件进行加热，由于加热温度可控制在400℃～600℃，钛合金构件的热变形校形可在大气中进行，对设备和场地要求较低，可进行大型构件校形，且构件表面产生的氧化层较薄，在钛合金构件精整过程即可去除，无需增加工序。
发明内容
本发明的目的：是提供一种在大气环境下进行钛合金构件校形的方法，解决现有采用真空退火炉进行钛合金构件校形效率低的问题。
本发明的技术方案是：
一种钛合金构件的局部校形方法，包括以下步骤：
(1)校形区检测，对钛合金构件进行尺寸检测，确定钛合金构件需校形的区域和校形量；
(2)校形区局部加热定位
将钛合金构件固定在校形模具中，再将电磁感应线圈贴近钛合金构件需校形的区域，电磁感应线圈和钛合金构件的距离根据公式d＝k1×k2×S/d1，其中，d为电磁感应线圈和钛合金构件的距离，单位为厘米；S为电磁感应线圈最外侧边缘在校型区域的投影面积，单位为平方厘米；d1为钛合金构件校型区域的平均厚度，单位为厘米；k1为系数一，k1的范围为0.5≤k1≤1；k2为系数二，k2的范围为0.015≤k2≤0.03；
(3)校形
利用电磁感应加热技术，对钛合金构件校形区域进行加热，通过校形模具对钛合金构件进行校形；
(4)钛合金构件冷却至室温后，对构件进行尺寸测量，对未达到要求的钛合金构件重复上述步骤，直到合格为止。
所述步骤(3)中测量校形区域的温度，当钛合金构件被加热到校形温度后，通过校形模具对钛合金构件进行校形。
在钛合金构件达到校形量后，对钛合金构件校形区域保温一段时间再停止加热，测量钛合金构件温度降低至250℃以下后，将钛合金构件从校形模具中取出。
k1根据电磁感应线圈金属类型选择，当电磁感应线圈为铜时，k1＝1，当电磁感应线圈为铁时，k1＝0.8。
k2根据钛合金构件校型区域的平均厚度d1选择：
当0.2cm≤d1≤0.4cm时，0.015≤k2≤0.02；
当0.4cm<d1≤1cm时，0.02<k2≤0.03。
对钛合金构件校形区域保温30～60min。
所述步骤(1)包括以下步骤：
步骤一：对钛合金构件进行表面轮廓扫描，将获得的三维结构数据与该钛合金构件的三维结构数据进行数据拟合，统计尺寸偏差超过要求范围的区域，确定钛合金构件尺寸不合格需校形的区域；
步骤二：对钛合金构件需校形的区域进行尺寸检测。根据钛合金构件结构选择检测探头的类型并校准。装夹钛合金构件后，通过探头进行检测，在计算机操作系统内建立坐标系，在坐标系内通过移动探针检测钛合金构件相应尺寸，以此确定构件校形区和校形量。
所述电磁感应线圈为通有交变电流的单环电磁感应线圈。
所述电磁感应线圈的形状根据校形区域的形状选择。
所述电磁感应线圈为中空结构，电磁感应线圈中空结构处通有冷却液。
本发明的优点是：1、本方法的校形温度比常规钛合金构件的校形温度低200℃左右，可在大气中进行，无需为了避免高温校形表面氧化在真空环境进行，校形过程产生的表面氧化层极薄，通过钛合金构件制成成品之前的必经工序中如吹沙、酸洗过程即可去除，无需另加工序处理。
2、本方法可满足大尺寸、外形结构复杂的或有内腔的钛合金构件校形，钛合金构件校形时间短，无预先准备过程，可大大提高钛合金构件校形效率。
3、本方法采用电磁感应加热，加热设备简单，设备占地面积小，对厂房无特殊要求；通过电磁感应使钛合金构件自身发热，平均预热时间比电阻圈加热方式缩短2/3，同时热效率高达95％以上，节电效果可降低30％～70％以上。
4、本方法提供了电磁感应线圈和钛合金构件相对位置的计算公式，即保证校形热效率，又防止校形区表面过热被氧化。
具体实施方式
一种钛合金构件的局部校形方法，包括以下步骤：
(1)校形区检测，对钛合金构件进行尺寸检测，确定钛合金构件需校形的区域和校形量；
步骤一：对钛合金构件进行表面轮廓扫描，将获得的三维结构数据与该钛合金构件的三维结构数据进行数据拟合，统计尺寸偏差超过要求范围的区域，确定钛合金构件尺寸不合格需校形的区域；
步骤二：对钛合金构件需校形的区域进行尺寸检测。根据钛合金构件结构选择检测探头的类型并校准。装夹钛合金构件后，通过探头进行检测，在计算机操作系统内建立坐标系，在坐标系内通过移动探针检测钛合金构件相应尺寸，以此确定构件校形区和校形量。
(2)校形区局部加热定位
将钛合金构件固定在校形模具中，再将电磁感应线圈贴近钛合金构件需校形的区域，电磁感应线圈和钛合金构件的距离根据公式d＝k1×k2×S/d1，其中，d为电磁感应线圈和钛合金构件的距离，单位为厘米；S为电磁感应线圈最外侧边缘在校型区域的投影面积，单位为平方厘米；d1为钛合金构件校型区域的平均厚度，单位为厘米；k1为系数一，k1的范围为0.5≤k1≤1；k2为系数二，k2的范围为0.015≤k2≤0.03；
k1根据电磁感应线圈金属类型选择，当电磁感应线圈为铜时，k1＝1，当电磁感应线圈为铁时，k1＝0.8。
k2根据钛合金构件校型区域的平均厚度d1选择：
当0.2cm≤d1≤0.4cm时，0.015≤k2≤0.02；
当0.4cm<d1≤1cm时，0.02<k2≤0.03。
所述电磁感应线圈为通有交变电流的单环电磁感应线圈。材质优选为铜或者铁。
所述电磁感应线圈的形状根据校形区域的形状选择。同时满足施压夹具位置合适和对校形区加热效率。电磁感应线圈优选为U型，电磁感应线圈的两端分别接驳交变电流两极。
所述电磁感应线圈为中空结构，电磁感应线圈中空结构处通有冷却液。冷却液优选为水，循环使用。
S为电磁感应线圈最大外径在校型区域的投影面积，单位为平方厘米，70cm2≤S≤75cm2；
d1为校型区域铸件的平均厚度，单位为厘米，0.2cm≤d1≤1cm；
(3)校形
利用电磁感应加热技术，对钛合金构件校形区域进行加热，通过校形模具对钛合金构件进行校形。
校形模具具有施压夹具，当施压夹具与电磁感应线圈在同侧时，施压夹具可从电磁感应线圈中穿过，保证施压夹具和电磁感应线圈同时工作。
利用电磁感应加热技术，对钛合金构件校形区域进行加热，测量校形区域的温度，当构件达到校形温度后开始校形并计时，在一定校形时间内对钛合金构件进行校形；
开始校形后，逐级对钛合金构件需要校形的区域施加压力，直至使校形区域尺寸满校形量要求。
校形温度优选为400℃～550℃，校形时间为5～30min。
(4)钛合金构件冷却至室温后，对构件进行尺寸测量，对未达到要求的钛合金构件重复上述步骤，直到合格为止。
所述步骤(3)中测量校形区域的温度，当钛合金构件被加热到校形温度后，通过校形模具对钛合金构件进行校形。
在钛合金构件达到校形量后，对钛合金构件校形区域保温一段时间再停止加热，测量钛合金构件温度降低至250℃以下后，将钛合金构件从校形模具中取出。
对钛合金构件校形区域保温30～60min。
实例一
一种有开放式椭圆端口的钛合金铸件的校形方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)校形区检测，对钛合金构件进行尺寸检测，确定构件需校形的区域和校形量。
步骤一：通过关节臂表面轮廓仪扫描的方法对钛合金构件进行表面轮廓扫描，将获得的三维结构数据与该钛合金构件设计的三维结构数据进行数据拟合，统计尺寸偏差超过要求范围的区域，确定钛合金构件端口区域存在尺寸超差；
步骤二：对钛合金构件端口区域进行进一步尺寸检测。采用三坐标检测机，根据钛合金构件结构选择检测探头的类型并校准。固定钛合金构件后，通过探头进行检测，在计算机操作系统内建立坐标系，在坐标系内通过移动探针检测钛合金构件相应尺寸，以此精确定位构件校形区为端口尺寸区域，校形量为2.4mm，并在铸件表面进行标识。
(2)校形区局部加热定位
步骤一：将钛合金构件固定在校形模具中；可在校形模具底部或者四周设置立柱作为构件的固定装置。校形模具具有施压夹具，利用施压夹具向校形区施加压力，进行校形。
步骤二：将电磁感应线圈贴近钛合金构件需校形的区域，电磁感应线圈和钛合金构件的距离根据公式d＝k1×k2×S/d1计算；
d为电磁感应线圈和钛合金构件的距离，单位为厘米；
S为电磁感应线圈最大外径在校型区域的投影面积，单位为平方厘米，使用的电磁感应线圈为椭圆型，投影面积为S＝70cm2；
d1为校型区域铸件的平均厚度，单位为厘米，需校形的钛合金构件端口壁厚为0.4mm；
k1为系数，根据电磁感应线圈金属类型选择，选择铁质电磁感应线圈，则k1＝0.8；
k2为系数，根据铸件壁厚选择，当0.2cm≤d1≤0.4cm时，0.015≤k2≤0.02；
经计算，电磁感应线圈和钛合金构件的距离根据公式d＝k1×k2×S/d1计算后，2.1≤d≤2.8cm。
根据计算结果，调整电磁感应线圈靠近校形区，并且和校形区的距离介于2.1～2.8cm之间，即保证校形热效率，又防止校形区表面过热被氧化。
由于端口位置为椭圆形状，校形模具的施压夹具与电磁感应线圈在同侧，施压夹具从电磁感应线圈中穿过，与校形区贴合，但不对校形区施加压力，保证施压夹具和电磁感应线圈同时工作。
电磁感应线圈优选择单环电磁感应线圈，材质为铁，形状为椭圆型，电磁感应线圈的两端分别接驳交变电流两极。
电磁感应线圈为中空结构，内部通有水，循环使用，为电磁感应线圈降温，提高电磁感应线圈的使用寿命。
(3)校形
利用电磁感应加热技术，对钛合金构件校形区域进行加热，测量校形区域的温度，当构件达到校形温度后开始校形并计时，在一定校形时间内对钛合金构件进行校形；
开始校形后，逐级对钛合金构件需要校形的区域施加压力，防止一次施加较大压力使钛合金构件变形量大，产生较大的残余应力。本次对钛合金构件端口的校形量为2.4mm，通过3次施压来进行，每次校形量为0.8mm，直至使校形区域尺寸满校形量要求。钛合金构件校形温度选择450℃，校形时间为10min。
在达到校形量后，继续保温30min，然后停止加热，测量温度降低至200℃以下后，可将钛合金构件从校形模具上取下；
钛合金构件冷却至室温后，对构件进行尺寸测量，对未达到要求的构件按上述步骤重复进行校形区检测等步骤，直到合格为止。

Claims (10)

1.一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)校形区检测，对钛合金构件进行尺寸检测，确定钛合金构件需校形的区域和校形量；
(2)校形区局部加热定位
将钛合金构件固定在校形模具中，再将电磁感应线圈贴近钛合金构件需校形的区域，电磁感应线圈和钛合金构件的距离根据公式d＝k1×k2×S/d1，其中，d为电磁感应线圈和钛合金构件的距离，单位为厘米；S为电磁感应线圈最外侧边缘在校型区域的投影面积，单位为平方厘米；d1为钛合金构件校型区域的平均厚度，单位为厘米；k1为系数一，k1的范围为0.5≤k1≤1；k2为系数二，k2的范围为0.015≤k2≤0.03；
(3)校形
利用电磁感应加热技术，对钛合金构件校形区域进行加热，通过校形模具对钛合金构件进行校形；
(4)钛合金构件冷却至室温后，对构件进行尺寸测量，对未达到要求的钛合金构件重复上述步骤，直到合格为止。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，所述步骤(3)中测量校形区域的温度，当钛合金构件被加热到校形温度后，通过校形模具对钛合金构件进行校形。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，在钛合金构件达到校形量后，对钛合金构件校形区域保温一段时间再停止加热，测量钛合金构件温度降低至250℃以下后，将钛合金构件从校形模具中取出。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，k1根据电磁感应线圈金属类型选择，当电磁感应线圈为铜时，k1＝1，当电磁感应线圈为铁时，k1＝0.8。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，k2根据钛合金构件校型区域的平均厚度d1选择：
当0.2cm≤d1≤0.4cm时，0.015≤k2≤0.02；
当0.4cm<d1≤1cm时，0.02<k2≤0.03。
6.根据权利要求3所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，对钛合金构件校形区域保温30～60min。
7.根据权利要求1中所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
步骤一：对钛合金构件进行表面轮廓扫描，将获得的三维结构数据与该钛合金构件设计的三维结构数据进行数据拟合，统计尺寸偏差超过要求范围的区域，确定钛合金构件尺寸不合格需校形的区域；
步骤二：对钛合金构件需校形的区域进行尺寸检测；根据钛合金构件结构选择检测探头的类型并校准；装夹钛合金构件后，通过探头进行检测，在计算机操作系统内建立坐标系，在坐标系内通过移动探针检测钛合金构件相应尺寸，以此确定构件校形区和校形量。
8.根据权利要求1中所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，所述电磁感应线圈为通有交变电流的单环电磁感应线圈。
9.根据权利要求1中所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，所述电磁感应线圈的形状根据校形区域的形状选择。
10.根据权利要求1中所述的一种钛合金构件的局部校形方法，其特征在于，所述电磁感应线圈为中空结构，电磁感应线圈中空结构处通有冷却液。
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