CN112893849B - 一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置，包括容器，容器内设置有筋肋板和型芯，容器包括顶板、包套和底板，包套呈顶端和底端开口的筒状，包套的顶端与顶板密封连接，包套的底端与底板密封连接，型芯用于支撑筋肋板；型芯与包套之间形成有成形腔，顶板上还设置有与成形腔连通的通孔。一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形方法，制备容器、筋肋板和型芯，向成形腔中加入粉末后，将容器整体进行升温、抽真空，然后放入热等静压炉内在高温高压环境下进行成形，最后去除容器和型芯。本发明能够实现高性能带筋肋薄壁结构的整体成形。

Description

一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法
技术领域
本发明涉及航空器材制造技术领域，特别是涉及一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法。
背景技术
航空航天技术的发展对复杂薄壁粉末结构提出了越来越强烈的需求。设计方面，为了满足苛刻的服役环境要求，且尽量降低飞行器重量，钛合金、铝合金、镁合金等得到了广泛的应用，且构件结构设计成整体高筋薄壁形状，对性能也提出了更高要求。制备方面，大尺寸薄壁结构采用常规铸造及锻造方法制备难以满足成型工艺、服役性能及降低成本的要求。因此如何整体成形高性能带筋肋薄壁结构成为了一个关键技术问题。
目前成形带筋肋薄壁件主要采用高品质合金通过锻造变形、机加工，然后通过电子束焊接工艺进行连接，该工艺路线采用机械加工或者自由锻的方法都会导致大量材料的浪费，且构件肥大，难以实现航空构件中对轻质量的要求，焊接导致变形量大、上下型面超差，无法满足连接和安装，而且抗疲劳能力较差，达不到理想力学性能，难以满足飞机使用要求。另外还可以采用铸造的方法，但是大型薄壁结构件在铸造时，铸件与铸型之间容易发生界面反应，同时，还会出现许多常见的铸造缺陷，这些缺陷包括气孔、缩孔(缩松)、夹杂、裂纹、粘砂、毛刺、冷阳(流浪)、跑火、浇不足和偏析等内部和表面质量问题。这些缺陷的存在，削弱了材料的力学性能，限制了钛合金构件在新一代航空飞行器上的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现高性能带筋肋薄壁结构的整体成形。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置，包括容器，所述容器内设置有筋肋板和型芯，所述容器包括顶板、包套和底板，所述包套呈顶端和底端开口的筒状，所述包套的顶端与所述顶板密封连接，所述包套的底端与所述底板密封连接，所述顶板的底面对应所述型芯的顶端设置有第三凹槽，所述型芯的顶端与所述第三凹槽卡合，所述底板的顶面对应所述型芯的底端设置有第二凹槽，所述型芯的底端与所述第二凹槽卡合，所述型芯用于支撑所述筋肋板；所述型芯与所述包套之间形成有成形腔，所述顶板上还设置有与所述成形腔连通的通孔。
优选的，所述型芯包括若干个依次连接的型芯模具，任意相邻的两个所述型芯模具之间夹设有一个所述筋肋板。
优选的，在任意相邻的两个所述型芯模具中，一个所述型芯模具上设置有凸台，另一个所述型芯模具上对应所述凸台设置有第一凹槽，所述凸台与所述第一凹槽卡合。
优选的，所述型芯模具为三个，分别为第一型芯模具、第二型芯模具和第三型芯模具；所述通孔为两个。
本发明还提供一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形方法，包括以下步骤：
(1)加工制备待成形的薄壁件内部的筋肋板；
(2)加工制备用于支撑所述筋肋板的型芯，所述型芯的形状还需与待成形的薄壁件的内腔的形状、大小一致；
(3)对所述筋肋板和所述型芯模具预先进行清洗检查；
(4)将所述筋肋板通过凸台凹槽结构和所述型芯中的型芯模具装配在一起；
(5)加工制备包套，所述包套的尺寸根据待成形的薄壁件的外部尺寸确定；
(6)加工制备顶板和底板；
(7)将装配好的筋肋板和型芯置于底板的第二凹槽中，并使所述型芯的底端与所述第二凹槽焊接；
(8)将所述包套的底端边缘与所述底板封焊连接，将所述包套的顶端边缘与所述顶板封焊连接，得到气密性良好的容器，使所述包套、所述顶板、所述底板及所述型芯之间形成与待成形的薄壁件的形状、大小匹配的成形腔；
(9)通过顶板上的通孔将粉末注入成形腔内，并振动填充所述粉末；
(10)待所述粉末填充完毕后，使抽真空机通过抽气管与所述通孔连通；
(11)将所述容器整体放入加热炉，在400℃环境下开启所述抽真空泵，对所述成形腔进行抽真空；
(12)将所述容器的气体抽出，待所述容器内的真空度达到设定条件后，将所述抽气管夹断，并焊死、封闭所述抽气管的断口；
(13)将所述容器放入热等静压炉内，先升温升压，温度上升至0.5T熔～0.7T熔，T熔为粉末的熔点，压力升至100Mpa，然后保温保压，最后降温降压；
(14)机加工去除所述顶板、所述底板和所述包套，保留所述型芯的情况下精加工得到薄壁件的外形；
(15)通过机加、酸洗和/或冲击的方式去除所述型芯，得到最终的薄壁件产品。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法能够实现高性能带筋肋薄壁结构的整体成形。本发明提出了基于高温高压粉固耦合成形薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法通过在密闭容器内高温高压热等静压成形的方法将薄壁筋肋与包套内的同种粉末扩散连接成整体。这是一种整体近净成形技术，利用该技术大大降低了零件机加工难度，极大的提高了材料利用率。同时，预先将复杂的筋肋板加工出来，再根据筋肋板设计支撑型芯模具，粉末和固体在高温高压热等静压环境下扩散成一个整体，最后通过机加、酸洗、冲击等方法去除型芯模具。该方法较好的解决了上述薄壁件成形难题，极大的减小机加难度。本发明提出了基于高温高压粉固耦合成形薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法可以根据需要进行结构的改动，具有良好的生产设计适应性，解决了当前带筋肋薄壁件成形难题，对类似零件生产加工具有重大意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为典型复杂薄壁件内部多层筋肋装配效果图；
图2为典型复杂薄壁件内部多层筋肋装配二维效果图；
图3为本发明薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置中型芯模具的结构示意图；
图4为本发明薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置中包套底板的结构示意图；
图5为本发明薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置的结构示意图；
其中：1、第一筋肋板；2、第二筋肋板；3、第一型芯模具；4、第二型芯模具；5、第三型芯模具；6、凸台；7、第一凹槽；8、底板；9、第二凹槽；10、边槽；11、顶板；12、通孔；13、粉末；14、包套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现高性能带筋肋薄壁结构的整体成形。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图5所示：本实施例提供了一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置，包括容器，容器内设置有筋肋板和型芯，型芯用于支撑筋肋板。
其中，容器包括顶板11、包套14和底板8，包套14呈顶端和底端开口的筒状，包套14的顶端与顶板11密封连接，包套14的底端与底板8密封连接，在本实施例中顶板11和底板8的边缘分别对应包套14设置有边槽10，顶板11的底面对应型芯的顶端设置有第三凹槽，型芯的顶端与第三凹槽卡合，底板8的顶面对应型芯的底端设置有第二凹槽9，型芯的底端与第二凹槽9卡合，型芯与包套14之间形成有成形腔，该成型腔的形状、大小与待成形的薄壁件的形状、大小匹配；顶板11上还设置有与成形腔连通的通孔12，通过通孔12可以进行装粉和抽气，故也可以称之为装粉孔或抽气孔。
在本实施例中，型芯包括若干个依次连接的型芯模具，任意相邻的两个型芯模具之间夹设有一个筋肋板。在任意相邻的两个型芯模具中，一个型芯模具上设置有凸台6，另一个型芯模具上对应凸台6设置有第一凹槽7，凸台6与第一凹槽7卡合。型芯模具为三个，分别为第一型芯模具3、第二型芯模具4和第三型芯模具5；通孔12为两个；筋肋板为两个，分别为第一筋肋板1和第二筋肋板2。
本实施例还提供一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形方法，包括以下步骤：
(1)加工制备待成形的薄壁件内部的筋肋板；
(2)加工制备用于支撑筋肋板的型芯，型芯的形状还需与待成形的薄壁件的内腔的形状、大小一致；
(3)对筋肋板和型芯模具预先进行清洗检查；
(4)将筋肋板通过凸台6凹槽结构和型芯中的型芯模具装配在一起；
(5)加工制备包套14，包套14的尺寸根据待成形的薄壁件的外部尺寸确定；
(6)加工制备顶板11和底板8；
(7)将装配好的筋肋板和型芯置于底板8的第二凹槽9中，并使型芯的底端与第二凹槽9焊接；
(8)将包套14的底端边缘与底板8封焊连接，将包套14的顶端边缘与顶板11封焊连接，得到气密性良好的容器，使包套14、顶板11、底板8及型芯之间形成与待成形的薄壁件的形状、大小匹配的成形腔；
(9)通过顶板11上的通孔12将粉末13注入成形腔内，并振动填充粉末13；
(10)待粉末13填充完毕后，使抽真空机通过抽气管与通孔12连通；
(11)将容器整体放入加热炉，在400℃环境下开启抽真空泵，对成形腔进行抽真空；
(12)将容器的气体抽出，待容器内的真空度达到设定条件后，将抽气管夹断，并焊死、封闭抽气管的断口；
(13)将容器放入热等静压炉内，先升温升压，温度上升至0.5T熔～0.7T熔，T熔为粉末13的熔点，压力升至100Mpa，然后保温保压，最后降温降压，在高温高压环境中使粉末13、筋肋板扩散连接成一个整体，成形出带有多层复杂筋肋薄壁零件；
(14)机加工去除顶板11、底板8和包套14，保留型芯的情况下精加工得到薄壁件的外形；
(15)通过机加、酸洗和/或冲击等方式去除型芯，得到最终的薄壁件产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置，其特征在于：包括容器，所述容器内设置有筋肋板和型芯，所述容器包括顶板、包套和底板，所述包套呈顶端和底端开口的筒状，所述包套的顶端与所述顶板密封连接，所述包套的底端与所述底板密封连接，所述顶板的底面对应所述型芯的顶端设置有第三凹槽，所述型芯的顶端与所述第三凹槽卡合，所述底板的顶面对应所述型芯的底端设置有第二凹槽，所述型芯的底端与所述第二凹槽卡合，所述型芯用于支撑所述筋肋板；所述型芯与所述包套之间形成有成形腔，所述顶板上还设置有与所述成形腔连通的通孔；所述筋肋板位于所述成形腔的内侧，且所述筋肋板一端伸入所述成形腔；
所述型芯包括若干个依次连接的型芯模具，任意相邻的两个所述型芯模具之间夹设有一个所述筋肋板；在任意相邻的两个所述型芯模具中，一个所述型芯模具上设置有凸台，另一个所述型芯模具上对应所述凸台设置有第一凹槽，所述凸台与所述第一凹槽卡合；所述筋肋板具有水平部和弯折部，所述弯折部与所述水平部垂直，所述弯折部夹设在所述凸台与所述第一凹槽之间。
2.根据权利要求1所述的薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形装置，其特征在于：所述型芯模具为三个，分别为第一型芯模具、第二型芯模具和第三型芯模具；所述通孔为两个。
3.一种薄壁件内部多层筋肋粉固耦合成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加工制备待成形的薄壁件内部的筋肋板；
(2)加工制备用于支撑所述筋肋板的型芯，所述型芯的形状还需与待成形的薄壁件的内腔的形状、大小一致；
(3)对所述筋肋板和所述型芯模具预先进行清洗检查；
(4)将所述筋肋板通过凸台凹槽结构和所述型芯中的型芯模具装配在一起；
(5)加工制备包套，所述包套的尺寸根据待成形的薄壁件的外部尺寸确定；
(6)加工制备顶板和底板；
(7)将装配好的筋肋板和型芯置于底板的第二凹槽中，并使所述型芯的底端与所述第二凹槽焊接；
(8)将所述包套的底端边缘与所述底板封焊连接，将所述包套的顶端边缘与所述顶板封焊连接，得到气密性良好的容器，使所述包套、所述顶板、所述底板及所述型芯之间形成与待成形的薄壁件的形状、大小匹配的成形腔；
(9)通过顶板上的通孔将粉末注入成形腔内，并振动填充所述粉末；
(10)待所述粉末填充完毕后，使抽真空机通过抽气管与所述通孔连通；
(11)将所述容器整体放入加热炉，在400℃环境下开启抽真空泵，对所述成形腔进行抽真空；
(12)将所述容器的气体抽出，待所述容器内的真空度达到设定条件后，将所述抽气管夹断，并焊死、封闭所述抽气管的断口；
(13)将所述容器放入热等静压炉内，先升温升压，温度上升至0.5T熔～0.7T 熔，T熔为粉末的熔点，压力升至100Mpa，然后保温保压，最后降温降压；
(14)机加工去除所述顶板、所述底板和所述包套，保留所述型芯的情况下精加工得到薄壁件的外形；
(15)通过机加、酸洗和/或冲击的方式去除所述型芯，得到最终的薄壁件产品。
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