CN112935729B - 一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法，属于材料成型技术领域。具体步骤：根据最终形成零件的外形尺寸，切取一块板材，去除板材表面的油污和表面氧化皮，卷成预制坯形状，将对接处侧壁焊接，预制坯形状的板材，然后放入成形模具，然后经过合模，形成封闭模腔，设定次高温加热区、低温加热区、高温加热区，待各分区温度，在氩气环境下完成超塑成形，取出超塑成形模具，获得大变径双锥体零件。本发明将材料变形和材料流动进行结合，实现成形和材料流动的有机结合，有效的分析温度场/气压分布优化加载条件下材料不同区域的应力‑应变分布，应变速率变化特征，分析变形特性对构件整体厚度分布的影响规律，实现整体均匀成形。

Description

一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法
技术领域
本发明属于材料成型技术领域，具体涉及一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法。
背景技术
目前制备双锥体的方法主要有两种：一是双锥体的两部分锥形筒分别成形，然后将两者的底部采用焊接起来；二是采用圆柱筒直接成形。第一种方法的缺点在于双锥体焊接处因为组织性能不均匀在实际工程应用中容易发生应力集中导致此处开裂，破坏双锥体的结构；第二种方法的缺点在于双锥体不同部位变形量不同，导致在成形过程中变形量大的部位提前失稳导致成形失败，大变径双锥体结构采用此种方法几乎不可实现。基于此，本发明创新型的提出一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法，能够实现大变径双锥体结构的均匀成形。目前，常规轻量化结构通常采用钣金成形结合加强筋的方法成形，整体强度差、刚度低、型面精度低，无法满足新型超声速飞行器使用的要求。因而急需迫切研制出一种适合重复使用，整体强度强、精度高的新型成形方法。
发明内容
本发明为了解决大变径双锥体零件在普通成形时由于不同变形区变形程度不同造成大变形区过度减薄导致零件承载能力受损，本发明提供了一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法，所述均匀性控制方法的具体步骤如下：
(1)根据最终形成零件的外形尺寸，切取一块板材；
(2)去除板材表面的油污和表面氧化皮；
(3)将所述板材卷成预制坯形状，将对接处侧壁进行焊接，得到预制坯形状的板材；所述预制坯为锥形筒形状；
(4)将步骤(3)得到的预制坯形状的板材放入成形模具，然后成形模具经过合模，形成封闭模腔；
(5)在成形模具的外侧设定四个加热温区，设定加热温区的温度和升温速率，待各分区温度升至设定温度时保温10min，所述四个加热温区对应的所述预制坯形状的板材的位置为：预制坯形状的板材的锥形下端至上端依次对应次高温加热区、低温加热区、次高温加热区和高温加热区；
(6)向所述预制坯形状的板材中通入高压氩气，控制气压加载速率和时间，完成超塑成形；
(7)超塑成形结束后，取出超塑成形模具，自然冷却后，然后将成形件从超塑成形模具取出，获得大变径双锥体零件。
进一步地限定，步骤(1)所述板材为钛合金、铝合金或镁合金。
进一步地限定，步骤(2)所述去除板材表面的油污和和表面氧化皮的方法为：用丙酮溶剂去除预处理的合金板材表面的油污，然后分别00#砂纸、800#砂纸和1000#SiC砂纸打磨表面至光滑去除表面氧化皮，然后用酒精清洗表面，随后用冷风吹干。
进一步地限定，步骤(3)所述焊接的方法为激光焊接，所述激光焊接的参数为：焊接功率为750W-850W，焊接速度为1200mm/min-1500mm/min。
进一步地限定，步骤(4)所述合模力为0.2t-1t。
进一步地限定，步骤(5)所述升温速率为10℃/min-20℃/min。
进一步地限定，步骤(5)所述次高温加热区的温度为910℃，所述低温区的温度为890℃，所述高温区的温度为940℃。
进一步地限定，步骤(6)所述气压加载速率设为0.1MPa/5min，当气压为0.5MPa时，气压加载速率为0.2MPa/5min。
进一步地限定，步骤(7)所述的自然冷却的温度为50℃-100℃。
有益效果：本发明提出了随温/随动分布气压成形，将材料变形和材料流动进行结合，实现成形和材料流动的有机结合。本发明采用非均匀温度场成形双锥体薄壁件，原理是实时气压下不同区域变形顺序不同，从而实现超塑成形中的不同区域补料目的。本发明可以有效的分析研究温度场/气压分布优化加载条件下材料不同区域的应力-应变分布，应变速率变化特征，分析变形特性对构件整体厚度分布的影响规律，实现整体均匀成形。
附图说明
图1为本发明的大变径双锥体模型示意图；
图2为本发明超塑成形的工装示意图，其中，1是超塑成形压力机，2是多区控温加热平台，3是次高温加热区，4是低温加热区，5是次高温加热区，6是高温加热区，7是不锈钢管，8是氩气瓶，9是加热控制电源，10是超塑成形模具型腔，11是零件预制坯，12是超塑成形模具，13是导线；
图3为本发明的超塑成形的工装零件预制坯11的结构示意图。
具体实施例
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1.
大变径双锥体零件的尺寸为双椎体横向尺寸是1500mm，最大最小直径比7：1，结构如图1所示，图2为本发明超塑成形的工装示意图，其中，零件预制坯11的结构如图3所示。
一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法，具体步骤如下：
(1)切取一块厚度为3mm的Ti60钛合金板材；
(2)用丙酮溶剂去除预处理板材表面的油污，然后分别用400#、800#、1000#SiC砂纸打磨表面至光滑去除表面氧化皮，然后用酒精清洗表面，随后用冷风吹干；
(3)在卷板机上将板材卷成11所示的预制坯形状，将对接处侧壁用激光焊方法焊接，获得11所示的预制坯形状的板材，激光焊接参数为：焊接功率为800W，焊接速度为1200mm/min；所述预制坯为锥形筒形状如图3所示；
(4)将上述卷完得到的预制坯形状的板材放入成形模具12，然后超塑成形压力机1合模，形成封闭模腔10，超塑成形压力机合模力为1t；
(5)在成形模具的外侧设定四个加热温区，采用多区控温加热平台2设定加热温区的温度和升温速率，待各分区温度升至设定温度时保温10min，所述四个加热温区对应的所述预制坯形状的板材的位置为：预制坯形状的板材的锥形下端至上端依次对应次高温加热区、低温加热区、次高温加热区和高温加热区；如图2所示，启动加热控制电源9，分别设定次高温加热区3和5的加热温度910℃、低温加热区4的加热温度890℃、高温加热区6的加热温度940℃，待各分区温度升至设定温度时保温10min；
(6)打开高压氩气瓶8，通过不锈钢管7向预制坯形状的板材中通入高压氩气，气压加载速率设为0.1MPa/5min，当气压为0.5MPa时，气压加载速率为0.2MPa/5min；
(7)超塑成形结束后，升起压力机1上平台，取出超塑成形模具12，自然冷却至50℃，然后将成形件从超塑成形模具12取出，获得大变径双锥体零件，如图3所示，壁厚均匀，表面光滑，成形质量良好。

Claims (5)

1.一种大变径双锥体零件超塑成形时的均匀性控制方法，其特征在于，所述均匀性控制方法的具体步骤如下：
（1）根据最终形成零件的外形尺寸，切取一块厚度为3mm的钛合金板材；
（2）去除板材表面的油污和表面氧化皮；
（3）将所述板材卷成预制坯形状，将对接处侧壁进行焊接，得到预制坯形状的板材；所述预制坯为锥形筒形状；
（4）将步骤（3）得到的预制坯形状的板材放入成形模具，然后成形模具经过合模，形成封闭模腔；
（5）在成形模具的外侧设定四个加热温区，设定加热温区的温度和升温速率，待各分区温度升至设定温度时保温10min，所述四个加热温区对应的所述预制坯形状的板材的位置为：预制坯形状的板材的锥形下端至上端依次对应次高温加热区、低温加热区、次高温加热区和高温加热区；所述升温速率为10℃/min-20℃/min；所述次高温加热区的温度为910℃，所述低温区的温度为890℃，所述高温区的温度为940℃；
（6）向预制坯形状的板材中通入高压氩气，控制气压加载速率和时间，完成超塑成形；所述气压加载速率设为0.1MPa/5min，当气压为0.5MPa时，气压加载速率为0.2MPa/5min；
（7）超塑成形结束后，取出超塑成形模具，自然冷却后，然后将成形件从超塑成形模具取出，获得大变径双锥体零件，最大最小直径比7：1。
2.根据权利要求1所述的均匀性控制方法，其特征在于，步骤（2）所述去除板材表面的油污和表面氧化皮的方法为：用丙酮溶剂去除预处理的合金板材表面的油污，然后分别用400#砂纸、800#砂纸和1000#SiC砂纸打磨表面至光滑去除表面氧化皮，然后用酒精清洗表面，随后用冷风吹干。
3.根据权利要求1所述的均匀性控制方法，其特征在于，步骤（3）所述焊接的方法为激光焊接，所述激光焊接的参数为：焊接功率为750W-850W，焊接速度为1200mm/min-1500mm/min。
4.根据权利要求1所述的均匀性控制方法，其特征在于，步骤（4）合模力为0.2t-1t。
5.根据权利要求1所述的均匀性控制方法，其特征在于，步骤（7）所述自然冷却的温度为50℃-100℃。
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