CN112916855A - 一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法 - Google Patents

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CN112916855A CN202110092973.2A CN202110092973A CN112916855A CN 112916855 A CN112916855 A CN 112916855A CN 202110092973 A CN202110092973 A CN 202110092973A CN 112916855 A CN112916855 A CN 112916855A
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product

Abstract

本发明公开一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，通过数值模拟和粉末收缩量的计算，设计出合理的包套尺寸和装粉量，利用内部模具和外部包套相结合，采用热等静压技术便捷、精确地成形出薄壁复杂筋条结构。采用本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法成形的零件，具有机加工少、近净成形、材料利用率高、成形零件性能优异等优点。本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，提高了复杂薄壁筋条结构的成形精度和成形工作效率。

Description

一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法
技术领域
本发明涉及航空航天制造技术领域，特别是涉及一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法。
背景技术
航空航天领域由于追求高性能、低成本而对减重提出了更高的要求，筋条结构越来越多地被设计和应用。但是这类结构往往具有薄壁和复杂的特点，这给成形带来了很大的困难。传统的成形工艺多采用先分开制造再焊接或者整体减材的方法。采用分开制造再焊接的工艺，过程复杂，焊缝处存在较多的缺陷，难以保证零件的质量和精度；采用整体减材的工艺，不仅加工周期长，而且会造成原材料的大量浪费。铸造工艺不仅存在气孔、夹杂和偏析等内部缺陷，而且成形零件的力学性能和表面质量都较差。
公开号为CN107983961A的中国专利，公开了一种钛合金圆柱锁式折叠系统热等静压成形方法，针对的是圆柱锁式折叠系统的热等静压成形方法，公开号为CN108971495A的中国专利，公开了一种钛合金气瓶半球体热等静压成形方法，针对的是气瓶半球体的热等静压成形方法，均无法成形出复杂薄壁筋条结构。公开号为CN104439238A的中国专利，公开了一种铝合金薄壁十字筋板结构的粉末高温高压近净成形方法，但是其成形过程粗糙，同样无法成形出复杂筋板结构，且没有给出尺寸设计方法，不够精确，加之模具的固定方法极不稳定，另外，粉末、模具和包套的材料种类也存在很大局限性。
因此，如何提供一种成形尺寸精确度高且适用性强的复杂薄壁筋条结构成形方法，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高复杂薄壁筋条结构成形质量和成形效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，包括如下步骤：
步骤一、根据零件的形状和尺寸设计模具；
步骤二、根据零件外部轮廓形状设计包套，包套包括上盖板、侧壁和底板，底板的厚度较上盖板、侧壁的厚度厚，上盖板设置于侧壁的顶部，底板设置于侧壁的底部，上盖板、侧壁和底板围成能够容纳模具的空腔；
步骤三、包套的尺寸为：零件所需尺寸/(拟采用的装粉密度的立方根)；
步骤四、根据设计的模具、包套绘制模具、包套和装粉粉末的三维图，将三维图导入到CAE软件中划分网格，并输出结果文件，将CAE软件的结果文件导入非线性有限元分析软件中进行数值模拟；
步骤五、根据非线性有限元分析软件的数值模拟结果分析是否可以成形出所需零件以及零件、包套的尺寸变化情况；如果数值模拟结果没有满足要求，视需优化模具及包套的形状、尺寸、调整数值模拟的参数，重复步骤一至步骤四，直至得到满足要求的数值模拟结果；
步骤六、根据步骤五中满足要求的数值模拟结果，制备模具和包套；
步骤七、在包套上加工装粉孔，根据零件的材料需求制备装粉的粉末；
步骤八、将模具固定在包套的底板上，将包套侧壁和底板密封连接，并利用检漏仪对包套进行检漏，包套的漏率需小于5×10-10Pa·m3/s；
步骤九、模具与包套之间的空腔形成装粉空间，将步骤七中制备的粉末装入装粉空间内，并压实粉末，使装粉密度不低于63％，其中，装粉密度的计算公式为：粉末的实际使用重量/(装粉空间体积×材料真实密度)；
步骤十、在室温下利用装粉孔对包套内部进行抽真空，使包套内的真空度达到5×10-3Pa，除去粉末之间的空气，然后放置在加热炉中加热，加热温度和加热抽真空时间根据该材料粉末的解吸能力确定，最终使包套内部的真空度再次达到5×10-3Pa，除去粉末吸附的气体，完成后封堵装粉孔；
步骤十一、将步骤十中抽真空的包套放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末致密；
步骤十二、去除包套和零件外部的余量，去除模具，无需加工内部薄壁筋条特征即可得到符合要求的零件。
优选地，步骤二中，上盖板和侧壁为一体件，上盖板和侧壁的厚度为2-5mm，底板的厚度不小于10mm。
优选地，步骤七中，装粉孔的数量为多个，装粉孔位于上盖板或侧壁上。
优选地，步骤八中，利用螺栓或焊接方式将模具固定在底板上；固定模具后，将包套侧壁与底板焊接相连。
优选地，步骤九中，粉末的使用重量利用理论计算或软件计算，理论计算公式为：装粉空间体积×材料真实密度×拟采用的装粉密度；将粉末装入装粉空间后，利用机械振动或人工振动的方式令粉末密实。
优选地，步骤十中，在装粉孔处连接抽气管，利用抽气管与真空泵相连，对包套内部进行抽真空，抽真空完成后将抽气管截断并封焊装粉孔。
优选地，模具由高纯石墨或线膨胀系数小的金属材料制成，如果模具由石墨制成，成形后利用喷砂去除模具；如果模具由金属材料制成，模具表面设置阻焊纸。
优选地，包套由不锈钢材质、钛合金或铝合金制成。
优选地，粉末由钛合金、铝合金或高温合金制成；粉末为球形粉末。
优选地，步骤十一中，升温升压方式为同时升温升压或者先升温再升压，升温升压的时间为1.5-3小时，最高温度为材料熔点绝对温度的0.5-0.7，最高压力为100-150MPa，保温保压时间1.5-3小时，降温降压方式为同时降温降压或者先降温再降压，降温降压时间为1.5-3小时。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，通过数值模拟和粉末收缩量的计算，设计出合理的包套尺寸和装粉量，利用内部模具和外部包套相结合，采用热等静压技术便捷、精确地成形出薄壁复杂筋条结构。采用本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法成形的零件，具有机加工少、近净成形、材料利用率高、成形零件性能优异等优点。本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，提高了复杂薄壁筋条结构的成形质量和成形工作效率。
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为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中的复杂薄壁筋条结构的示意图；
图2为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中的模具的示意图；
图3为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中的包套的示意图；
图4为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中抽真空的示意图；
其中，1为复杂薄壁筋条结构，2为模具，3为包套，4为上盖板，5为侧壁，6为底板，7为装粉孔，8为粉末，9为阻焊纸，10为抽气管。
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做出创造性劳动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复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高复杂薄壁筋条结构成形质量和成形效率。
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。
请参考图1-4，其中，图1为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中的复杂薄壁筋条结构的示意图，图2为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中的模具的示意图，图3为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中的包套的示意图，图4为本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法的实施例中抽真空的示意图。
本发明提供一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，包括如下步骤：
步骤一、根据零件的形状和尺寸设计模具2；
步骤二、根据零件外部轮廓形状设计包套3，包套3包括上盖板4、侧壁5和底板6，底板6的厚度较上盖板4、侧壁5的厚度厚，上盖板4设置于侧壁5的顶部，底板6设置于侧壁5的底部，上盖板4、侧壁5和底板6围成能够容纳模具2的空腔；
步骤三、包套3的尺寸为：零件所需尺寸/(拟采用的装粉密度的立方根)；
步骤四、根据设计的模具2、包套3绘制模具2、包套3和装粉粉末8(装粉空间)的三维图，将三维图导入到CAE软件中划分网格，并输出结果文件，将CAE软件的结果文件导入非线性有限元分析软件中进行数值模拟；
步骤五、根据非线性有限元分析软件的数值模拟结果分析是否可以成形出所需零件以及零件、包套3的尺寸变化情况；如果数值模拟结果没有满足要求，视需优化模具2及包套3的形状、尺寸、调整数值模拟的参数，重复步骤一至步骤四，直至得到满足要求的数值模拟结果；
步骤六、根据步骤五中满足要求的数值模拟结果，制备模具2和包套3；
步骤七、在包套3上加工装粉孔7，根据零件的材料需求制备装粉的粉末8，为了提高粉末8的流动性，可将粉末8制成球状；
步骤八、将模具2固定在包套3的底板6上，将包套3的侧壁5和底板6密封连接，并利用检漏仪对包套3进行检漏，包套3的漏率需小于5×10-10Pa·m3/s；
步骤九、模具2与包套3之间的空腔形成装粉空间，将步骤七中制备的粉末8装入装粉空间内，并压实粉末8，使装粉密度不低于63％，其中，装粉密度的计算公式为：粉末8的实际使用重量/(装粉空间体积×材料真实密度)；
步骤十、在室温下利用装粉孔7对包套3内部进行抽真空，使包套3内的真空度达到5×10-3Pa，除去粉末8之间的空气，然后放置在加热炉中加热，加热温度和加热抽真空时间根据该材料粉末8的解吸能力确定，最终使包套3内部的真空度再次达到5×10-3Pa，除去粉末8吸附的气体，完成后封堵装粉孔7；
步骤十一、将步骤十中抽真空的包套3放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末8致密；
步骤十二、去除包套3和零件外部的余量，去除模具2，无需加工内部薄壁筋条特征即可得到符合要求的零件。
本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，通过数值模拟和粉末8收缩量的计算，设计出合理的包套3尺寸和装粉量，利用内部模具2和外部包套3相结合，采用热等静压技术便捷、精确地成形出薄壁复杂筋条结构1。采用本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法成形的零件，具有机加工少、近净成形、材料利用率高、成形零件性能优异等优点。
其中，步骤二中，上盖板4和侧壁5为一体件，提高密封性，上盖板4和侧壁5的厚度为2-5mm，底板6的厚度不小于10mm，底板6厚度较厚，避免底板6变形。
在进行步骤七时，为方便操作，装粉孔7一般设置在上盖板4上，为了方便装粉并提高装粉密度，装粉孔7也可根据零件结构加工在其他位置或者加工多个装粉孔7，若加工多个装粉孔7，在后续抽真空过程中需要同时通过这些装粉孔7抽真空；或者通过其中某些装粉孔7抽真空，其他装粉孔7需要堵住以防进入空气。
步骤八中，利用螺栓或焊接方式将模具2固定在底板6上。固定模具2后，将包套3的侧壁5与底板6焊接相连，保证包套3的密封性。
步骤九中，根据零件的材料需求制备出粉末8，粉末8的使用重量可通过模具2与包套3形成的装粉空间体积理论计算出来或者在CATIA软件中计算出来，理论计算的公式为：装粉空间体积×材料真实密度×拟采用的装粉密度；将粉末8装入装粉空间后，利用机械振动或人工振动的方式令粉末8密实，为了减小粉末8变形量并提高粉末8制品质量，装粉密度不低于63％。
具体地，在实际操作中，步骤十中，可在装粉孔7处连接抽气管10，利用抽气管10与真空泵相连，对包套3内部进行抽真空，设置抽气管10方便抽真空操作，抽真空完成后将抽气管10截断并封焊装粉孔7，保证气密性。
模具2由高纯石墨或线膨胀系数小的金属材料制成，如果模具2由石墨制成，成形后利用喷砂去除模具2；如果模具2由金属材料制成，模具2表面设置阻焊纸9，阻焊纸9可以选用石墨纸，防止金属材质的模具2与粉末8之间发生连接，为了更好地固定模具2和底板6，可将模具2和底板6采用同一种材质一体成型，去除时直接分离。需要说明的是，采用石墨材料或石墨纸可以在零件表面形成镀碳层，提高零件表面硬度。
包套3由强度和塑性均较好的材料制成，如不锈钢材质、钛合金或铝合金等。粉末8由钛合金、铝合金或高温合金制成，为了提高粉末8的流动性，优选球形粉末8。
步骤十一中，升温升压方式为同时升温升压或者先升温再升压，升温升压的时间为1.5-3小时，最高温度为材料熔点绝对温度的0.5-0.7，最高压力为100-150MPa，保温保压时间1.5-3小时，降温降压方式为同时降温降压或者先降温再降压，降温降压时间为1.5-3小时。
下面通过具体的实施例对本发明的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，作进一步地解释说明。
(1)根据复杂薄壁筋条结构1的形状和尺寸设计出模具2；
(2)根据复杂薄壁筋条结构1的外部轮廓形状设计出包套3，包套3由上盖板4、侧壁5和底板6组成，本实施例中上盖板4和侧壁5一体化制备，上盖板4和侧壁5的壁厚为2mm，底板6厚度为10mm；
(3)包套3的设计方法为随形设计，即一个长方体，包套3尺寸的计算方法为：100mm/(0.65的立方根)，即116mm×116mm×116mm的长方体；
(4)根据设计的模具2和包套3在CATIA软件中绘制出模具2、包套3和粉末8的三维图；
(5)将三维图导入到HyperMesh软件中划分网格，并输出结果文件；
(6)将HyperMesh软件的结果文件导入到MSC.Marc软件中进行数值模拟；
(7)根据MSC.Marc软件的数值模拟结果分析是否可以成形出所需零件以及零件、包套3尺寸的变化情况；如果数值模拟结果没有满足要求，视需优化模具2及包套3的形状和尺寸、调整数值模拟的参数，并重复步骤(1)-(6)，直至得到满足要求的数值模拟结果；
(8)根据满足要求的数值模拟结果制备出优化的模具2和包套3；
(9)在包套3上加工装粉孔7，本实施例中装粉孔7位置在上盖板4上；
(10)本实施例中在CATIA软件中计算粉末8的使用量，并用等离子旋转电极法制备出TC4钛合金球形粉末8；
(11)本实施例中模具2和包套底板6一体化制备，所以模具2不会发生位置移动，模具2表面覆盖一层阻焊纸9；
(12)将包套侧壁5和底板6焊接在一起，并使用检漏仪对包套3进行检漏，包套3的漏率需小于5×10-10Pa·m3/s，若不满足，需对包套3进行补焊直至满足漏率要求；
(13)模具2与包套3形成粉末8的存储空间，将上述制备好的粉末8装入空间内，本实施例通过振动台使粉末8密实，使装粉密度为65％，其中，装粉密度的计算公式为：粉末8的实际使用重量/(装粉空间体积×材料真实密度)；
(14)将抽气管10放置在装粉孔7处，并封焊好；
(15)先在室温下使用真空泵通过抽气管10对包套3内部进行抽真空，使包套3内部的真空度达到5×10-3Pa，室温抽真空的目的是除去粉末8之间的空气；然后放置在加热炉中加热至400℃，再抽真空不少于2小时，使包套3内部的真空度再次达到5×10-3Pa；继续加热至500℃，再抽真空不少于2小时，使包套3内部的真空度最终达到5×10-3Pa，分梯度加热抽真空的目的是除去TC4钛合金粉末8吸附的气体，完成后夹断抽气管10并封焊；
(16)将上述已经抽真空的包套3放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末8致密；
(17)利用机械加工的方法去除包套3和零件外部的少许余量，并去除模具2，不需要加工内部薄壁筋条特征即可得到符合要求的零件。
(18)步骤(1)中模具2材料选用304不锈钢材料，由于模具2和粉末8之间隔离了一层阻焊纸9，所以去除时可以直接分离；
(19)步骤(2)中包套3材料和模具2材料相同，也选用304不锈钢材料；
(20)步骤(10)中热等静压参数为：同时升温升压3小时达到920℃和120MPa，保温保压时间3小时，然后同时降温降压2.5小时至常温常压。
本发明提供的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，解决了现有成形方法无法成形出复杂薄壁筋条结构的难题。本发明采用内部模具2和外部包套3相结合，可以方便地成形出薄壁复杂筋条结构1。再通过数值模拟和粉末8收缩量的计算，可以设计出合理的包套3尺寸和装粉量。因此利用本发明可以精确成形出薄壁复杂筋条结构1，并具有机加工少、近净成形、材料利用率高、成形零件性能优异等优点。与现有技术相比，本发明提供了一种成形过程详细、成形对象复杂、成形尺寸精确且更具有适用性和普遍性的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法。
本发明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 (10)

1.一种复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据零件的形状和尺寸设计模具；
步骤二、根据零件外部轮廓形状设计包套，包套包括上盖板、侧壁和底板，底板的厚度较上盖板、侧壁的厚度厚，上盖板设置于侧壁的顶部，底板设置于侧壁的底部，上盖板、侧壁和底板围成能够容纳模具的空腔；
步骤三、包套的尺寸为：零件所需尺寸/(拟采用的装粉密度的立方根)；
步骤四、根据设计的模具、包套绘制模具、包套和装粉粉末的三维图，将三维图导入到CAE软件中划分网格，并输出结果文件，将CAE软件的结果文件导入非线性有限元分析软件中进行数值模拟；
步骤五、根据非线性有限元分析软件的数值模拟结果分析是否可以成形出所需零件以及零件、包套的尺寸变化情况；如果数值模拟结果没有满足要求，视需优化模具及包套的形状、尺寸、调整数值模拟的参数，重复步骤一至步骤四，直至得到满足要求的数值模拟结果；
步骤六、根据步骤五中满足要求的数值模拟结果，制备模具和包套；
步骤七、在包套上加工装粉孔，根据零件的材料需求制备装粉的粉末；
步骤八、将模具固定在包套的底板上，将包套侧壁和底板密封连接，并利用检漏仪对包套进行检漏，包套的漏率需小于5×10-10Pa·m3/s；
步骤九、模具与包套之间的空腔形成装粉空间，将步骤七中制备的粉末装入装粉空间内，并压实粉末，使装粉密度不低于63％，其中，装粉密度的计算公式为：粉末的实际使用重量/(装粉空间体积×材料真实密度)；
步骤十、在室温下利用装粉孔对包套内部进行抽真空，使包套内的真空度达到5×10- 3Pa，除去粉末之间的空气，然后放置在加热炉中加热，加热温度和加热抽真空时间根据该材料粉末的解吸能力确定，最终使包套内部的真空度再次达到5×10-3Pa，除去粉末吸附的气体，完成后封堵装粉孔；
步骤十一、将步骤十中抽真空的包套放置在热等静压设备中，在高温高压下使粉末致密；
步骤十二、去除包套和零件外部的余量，去除模具，无需加工内部薄壁筋条特征即可得到符合要求的零件。
2.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：步骤二中，上盖板和侧壁为一体件，上盖板和侧壁的厚度为2-5mm，底板的厚度不小于10mm。
3.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：步骤七中，装粉孔的数量为多个，装粉孔位于上盖板或侧壁上。
4.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：步骤八中，利用螺栓或焊接方式将模具固定在底板上；固定模具后，将包套侧壁与底板焊接相连。
5.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：步骤九中，粉末的使用重量利用理论计算或软件计算，理论计算公式为：装粉空间体积×材料真实密度×拟采用的装粉密度；将粉末装入装粉空间后，利用机械振动或人工振动的方式令粉末密实。
6.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：步骤十中，在装粉孔处连接抽气管，利用抽气管与真空泵相连，对包套内部进行抽真空，抽真空完成后将抽气管截断并封焊装粉孔。
7.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：模具由高纯石墨或线膨胀系数小的金属材料制成，如果模具由石墨制成，成形后利用喷砂去除模具；如果模具由金属材料制成，模具表面设置阻焊纸。
8.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：包套由不锈钢材质、钛合金或铝合金制成。
9.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：粉末由钛合金、铝合金或高温合金制成；粉末为球形粉末。
10.根据权利要求1所述的复杂薄壁筋条结构的热等静压精确成形方法，其特征在于：步骤十一中，升温升压方式为同时升温升压或者先升温再升压，升温升压的时间为1.5-3小时，最高温度为材料熔点绝对温度的0.5-0.7，最高压力为100-150MPa，保温保压时间1.5-3小时，降温降压方式为同时降温降压或者先降温再降压，降温降压时间为1.5-3小时。
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