CN112974614B - 一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法 - Google Patents

一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112974614B
CN112974614B CN202110174759.1A CN202110174759A CN112974614B CN 112974614 B CN112974614 B CN 112974614B CN 202110174759 A CN202110174759 A CN 202110174759A CN 112974614 B CN112974614 B CN 112974614B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wall thickness
lining
cylinder section
straight cylinder
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110174759.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112974614A (zh
Inventor
沈正章
赵磊
微石
陆子川
常若寒
黄啸辰
姚草根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Original Assignee
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology filed Critical Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority to CN202110174759.1A priority Critical patent/CN112974614B/zh
Publication of CN112974614A publication Critical patent/CN112974614A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112974614B publication Critical patent/CN112974614B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/053—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure characterised by the material of the blanks
    • B21D26/055—Blanks having super-plastic properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D51/00—Making hollow objects
    • B21D51/16—Making hollow objects characterised by the use of the objects
    • B21D51/24—Making hollow objects characterised by the use of the objects high-pressure containers, e.g. boilers, bottles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法，属于塑性加工技术领域。该方法采用变壁厚的小口径内衬旋压件进行超塑胀形，首先在内衬旋压件直筒段上加工减薄区，将原始等厚直筒段加工成环向相等，轴向梯度分布的变壁厚管材，然后进行超塑胀形。该方法通过特殊的壁厚梯度设计，可以实现对胀形后钛合金内衬直筒段壁厚分布的调整，得到直筒段厚度均匀分布的大口径内衬毛坯，满足后续机械加工减薄壁厚公差要求，同时还对内衬毛坯降温采取了控制措施，保证了成形后钛合金内衬的尺寸稳定性。该方法适合用于采用旋压/超塑集成成形的各种直径钛合金薄壁无缝内衬。

Description

一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制 方法
技术领域
本发明属于超塑成形技术领域，具体涉及一种新型钛合金薄壁无缝内衬制备方法。
背景技术
作为运载火箭、战略/战术导弹及深空探测器等航天型号增压输送系统关键部件，复合材料气瓶用的钛合金内衬通常采用“锻造+焊接”方式，但随着航天型号的发展，在可靠性、减重及先进性等方面无法满足需求，因此迫切需要一种新型工艺来实现钛合金内衬连续一体化成形替代当前工艺路线。
钛合金内衬精密旋压/超塑成形集成技术是采用小规格管材为原材料，两端进行收口旋压成形无焊缝内衬毛坯，而后采用超塑胀形为大尺寸无焊缝内衬。该技术具有以下工艺特点：1)相对于“锻造+焊接”工艺，可减少焊接工序，整体成形保证了构件的高可靠性；2)相对于单一收口旋压工艺，可降低成形难度、消除无焊缝内衬封头内表面质量缺陷。但由于在超塑成形过程中，柱形内衬直筒段不同位置与超塑模具的接触存在先后顺序，先接触的位置壁厚略厚、而后接触的位置壁厚略薄，从而造成内衬直筒段壁厚分布的不均匀，且由于无焊缝内衬内表面无法进行机械加工，易造成壁厚超差、无法满足精度要求,因此需要对内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性进行控制。
目前来看，在国内外航天器的压力容器领域，壁厚控制技术在钛合金热成形工艺上应用十分广泛。荷兰EADS-CASA公司采用超塑成形技术制造了钛合金排气喷管，板材材料为Ti-6242，通过壁厚控制技术保证了构件壁厚的均匀性。日本学者Jinishi和Suzuki在2002年10月提出了的拼焊板控制厚度分布的超塑成形方法，即采用不同厚度的板材用等离子弧焊接拼焊在一起，在减薄大的部位用较厚的板材，可使成形件的壁厚分布更加均匀。国内来看，航天703所采用热压反胀拉薄技术实现钛合金半球壳体的控壁厚超塑胀形，并成功应用与探月工程贮箱的研制；625所也采用超塑成形制造了各种尺寸的钛合金贮箱，并通过正反胀形来控制壁厚，已经在国内某卫星型号上得到了应用。此外，703所采用变厚板胀形技术实现了钛合金环形壳体的控壁厚超塑成形，已经在XX-11A导弹的环形气瓶上得到了批量应用。但目前尚未见采用变壁厚筒形件胀形技术进行钛合金无缝柱形内衬的超塑成形，并获得工程应用的相关报道。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法。
本发明的解决方案：一种新型钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性制备方法，所述内衬包括管嘴、封头和直筒段；包括如下步骤：
(1)根据内衬产品结构特点设计呈对称分布的上下模具，上下模具闭合后内型面的尺寸大于内衬构件外轮廓2-3mm；
(2)将壁厚T0的钛合金管材坯料两端进行收口旋压，旋压完成后，两端管嘴的中心位置打孔并对R角内表面进行打磨，得到小口径内衬旋压件；
(3)设计内衬旋压件直筒段减薄区，所述的减薄区环向等壁厚且沿轴向阶梯式分布，即从直筒段两端开始到中心处对称设置台阶，每个台阶为环向等壁厚设置且长度L为由于超塑成形过程壁厚变化为公差Δδ的直筒段距离，直筒段两端的台阶的原始厚度为T0，其余台阶的原始厚度Ti＝2(δmin+Δδ/2)/(λi+λi+1)；其中，台阶编号为直筒段两端向中心均从0开始逐一递增，λi、λi+1为台阶i两端点对应的超塑成形后直筒段壁厚与原始壁厚之比，i＝1、2......；Δδ为最终构件要求的壁厚公差；δmin为等厚直筒段胀形后壁厚的最小值；
(4)按照步骤(3)中设计的减薄区对内衬旋压件直筒段进行加工，之后进行进气管路焊接；
(5)利用步骤(1)中设计的上下模具进行超塑成形，得到内衬毛坯；
(6)将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温；
(7)按照产品图纸要求，对内衬毛坯的直线段和两端封头进行车加工减薄，并打螺纹孔，得到最终的薄壁无缝内衬。
优选的，所述的坯料为超塑管，显微组织为基本等轴的α+β两相组织，但允许有总量不超过15％的长条α晶粒，其横向平均晶粒尺寸≤12μm；内径为待成形内衬构件内径50％～60％；旋压温度850～920℃。
优选的，所述的超塑管优选为TC4钛合金。
优选的，钛合金管材坯料的壁厚T0为5-8mm。
优选的，等厚直筒段胀形后壁厚的最小值δmin通过下述方式确定：
根据钛合金管材坯料的原始厚度，按照等壁厚直筒段小口径旋压件超塑成形数值仿真结果绘制等厚直筒段单向胀形壁厚分布规律曲线；根据该曲线确定壁厚的最小值δmin。
优选的，步骤(4)中对直筒段进行加工，加工后使用超声测厚设备对每个台阶的壁厚进行检测，每个台阶的壁厚精度应控制在±0.05mm。
优选的，超塑成形通过下述方式实现：
步骤a、在超塑成形模具的型面上均匀涂覆止焊剂，要求覆盖模具本色，然后将步骤(1)中的上下模具放入超塑设备中，开始升温，升温速率不超过40℃/h，当模具平均温度达到装料温度时，保温；所述的装料温度范围700～800℃；
步骤b、打开炉门，抬起上模具，将步骤(4)处理后的内衬放入下模具的指定位置，然后合模，关闭炉门；
步骤c、以原有速率继续升温，观察模具热电偶的温度指示，当模具平均温度到达超塑成形温度880～920℃后，停止加热，开始保温；
步骤d、控制超塑设备使上平台压住上模具，采用双向进气方式进行升压，总时间为t1，压力先升至p2，然后线性升至p1，在p1压力下的保压时间为t2，最后降压时间为t3；其中时间t1＞t2＞t3，压力p1＞p2；
步骤e、卸载上平台对模具的机械压力，并停止设备保温，使模具随炉降温，直至到达800℃以下；
步骤f、脱模，得到内衬毛坯。
优选的，脱模过程中采用氩气吹拂冷却工件的手段，降低脱模力。
优选的，p1取值范围10-12bar，p2最低取值为40％p1。
优选的，步骤(6)中将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温，冷却时间应控制在4～5h。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
为了结构减重和保证疲劳性能，复合材料气瓶用钛合金内衬壁厚薄和公差要求严，而常规超塑成形壁厚不可控，且由于无焊缝内衬内表面无法进行机械加工，易造成壁厚超差、无法满足设计精度要求。国内现有超塑控壁厚技术一般通过正反胀形、动凸模等特殊方法，会大幅增加热成形时间和模具成本，影响产品最终机械性能和制造效率。同时上述控壁厚方法主要是依靠板坯与模具之间的摩擦来保证最终控壁厚的精度，而高温状态下摩擦力很难控制，并且随着模具使用时间的增加，摩擦系数会发生变化，因而导致控制精度不稳定。
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀控制技术，此方法可以利用同样的模具，仅通过改变直筒段壁厚特征，来实现对超塑成形后内衬直筒段壁厚较为精确的控制。
(1)本发明模具结构简单，且可以利用一件模具，只需通过改变壁厚梯度结构，来成形出具有直筒段壁厚均匀分布的钛合金无缝内衬产品，工艺方法更为灵活，技术柔性较大，有效降低模具成本。
(2)本发明由于不再依靠模具与板坯之间的摩擦力来控制产品壁厚，因此在高温连续批产时，对模具表面由于氧化、磨损等因素造成的粗糙度变化并不敏感，壁厚控制精度和稳定性更好。
(3)本发明仅需单向胀形即可实现钛合金内衬直筒段胀形后的壁厚控制，因此高温下的成形时间更短，材料由于高温晶粒长大因素导致的机械性能下降更小，最终产品的综合性能更好。
附图说明
图1为本发明所针对的钛合金无缝内衬结构示意图；
图2为内衬直筒段减薄区典型结构；
图3为等厚直筒段胀形后壁厚分布规律曲线；
图4为本发明的成形过程示意图；1收口旋压、2直筒段加工、3管路焊接、4装料准备超塑胀形、5内衬向外气胀过程、6气胀结束并贴膜、7钛管、8上模具、9下模具、10超塑气胀压力作用方向、11进气方向；
图5为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明通过在超塑成形前对内衬直筒段厚度方向进行预先加工，使其在超塑成形刚开始时就具有不等壁厚的结构特点，这样在超塑成形过程中，直筒段在变形时，各处应力分布状态相对于等厚管得到改变，从而各处的变形量以及由此决定的壁厚分布得到改变。这种改变的位置和大小可以通过调整对直筒段预加工后的初始壁厚梯度分布来控制，从而实现直筒段壁厚均匀分布，并且控制精度相对于正反胀形等方法更高，质量更稳定，同时此方法胀形过程简单，模具结构和工艺参数与普通胀形区别不大，因此对成形后的材料性能以及生产效率等影响很小。
工艺实施过程分为三个阶段，坯料处理阶段、超塑成形阶段、脱模冷却阶段：
1.坯料处理阶段：
将原始小口径内衬旋压件直筒段加工成具有不等壁厚梯度分布的待成形毛坯，此阶段是保证后续超塑成形直筒段获得理想壁厚的关键，壁厚梯度需要根据原始厚度和厚管单向胀形壁厚分布规律进行设计，包括台阶长度和壁厚。
2.超塑成形阶段：
超塑成形采用高温装料和卸料的工艺，以提高生产效率并保证产品机械性能，高温装料前内衬毛坯表面需要涂覆止焊剂，起到润滑和保护的作用。超塑成形工艺温度和具体超塑气压参数曲线需要根据实际内衬的材料牌号和产品结构制定，整个成形过程中要控制筒段的应变速率，以保证良好的超塑性，成形过程中依靠排气孔的排气量来判断贴膜程度。
3.脱模冷却阶段：球壳完全贴膜后，脱模后由于产品温度仍然较高且壁厚较薄，如果直接在大气环境下空冷到室温，冷却速度过快，由于热应力的影响导致内衬变形并形成内应力，增加后续内衬精车加工的难度，甚至导致产品报废。为此需要将脱模后的大口径内衬毛坯立即转移到保温箱，缓慢冷却，才可得到尺寸稳定、内应力小的最终产品。
如图1所示为一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制技术工艺流程，包括以下步骤：
(1)模具设计制造：本发明针对钛合金薄壁内衬结构如图1所示，包括管嘴、封头和直筒段三个部分。根据产品结构特点设计呈对称分布的上下模具，超塑模具材料一般采用耐高温铸钢，在钛合金超塑温度区间880℃～950℃内具有良好的热强性。上下模具闭合后内型面的尺寸要大于内衬构件外轮廓2-3mm，保证成形后的毛坯外形面有充足加工余量，并且要考虑热胀差异对产品尺寸的影响；
(2)收口旋压：将壁厚5～8mm的钛合金管材坯料两端进行收口旋压，旋压完成后，两端管嘴的中心位置打孔并对R角内表面进行打磨，得到小口径内衬旋压件；所述的坯料为超塑管，显微组织为基本等轴的α+β两相组织，但允许有总量不超过15％的长条α晶粒，其横向平均晶粒尺寸≤12μm；内径为待成形内衬构件内径50％～60％，旋压温度850～920℃。
(3)内衬旋压件直筒段减薄区设计：本发明的减薄区典型结构如图2所示，呈环向相等且沿轴向阶梯式分布。台阶长度和壁厚主要根据原始厚度和等厚直筒段胀形后壁厚分布规律曲线(图3)来设计。图3所示是等厚直筒段单向胀形壁厚分布规律曲线，横轴代表直筒段任意一点到竖直对称面的水平距离D，纵轴代表超塑成形后直筒段壁厚与原始壁厚之比λ。由图3可知原始厚度T0的直筒段胀形后各处的壁厚δ分布，中心处壁厚δmax最大，两端壁厚δmin最小。依据壁厚δ分布情况，从直筒段两端开始到中心处，当壁厚差变化达到壁厚公差Δδ时，依次对称设置台阶，每个台阶长度L为壁厚变化为公差Δδ的直筒段距离，依次类推为L0、L1、L2......，其中Δδ为最终构件要求的壁厚公差；每个台阶原始厚度依次类推为，T0、T1＝2(δmin+Δδ/2)/(λ1+λ2)、T2＝2(δmin+Δδ/2)/(λ2+λ3)....，其中λ1、λ2、λ3....为每个台阶两端点对应的λ值。
(4)直筒段加工：按(3)的设计图纸，使用车床对直筒段进行加工，加工后使用超声测厚设备对每个台阶的壁厚进行检测，每个台阶的壁厚精度应控制在±0.05mm；
(5)进气管路焊接：内衬旋压件两端管嘴通过氩弧焊与φ10mm×0.5mm钛管路连接；
(6)超塑成形通过下述方式实现：
步骤a、在超塑成形模具的型面上均匀涂覆止焊剂，要求覆盖模具本色，然后将成形模具放入超塑设备中，开始升温，升温速率不超过40℃/h，当模具平均温度达到装料温度700～800℃时，保温；
步骤b、打开炉门，抬起上模具，将内衬放入下模具的指定位置，然后合模，关闭炉门；
步骤c、以原有速率继续升温，观察模具热电偶的温度指示，当模具平均温度到达成形温度880～920℃后，停止加热，开始保温；
步骤d、控制超塑设备使上平台压住上模具，采用双向进气方式进行升压，总时间为t1，压力先升至p2，然后线性升至p1，在p1压力下的保压时间为t2，最后降压时间为t3；其中时间t1＞t2＞t3，压力p1＞p2，p1取值范围10-12bar，p2最低取值为40％p1；
步骤e、卸载上平台对模具的机械压力，并停止设备保温，使模具随炉降温，直至到达800℃以下；
步骤f、使用专用工装，利用两端管嘴具有较强的刚性，使成形后的大尺寸内衬毛坯脱离下模具型面，脱模过程中可适当采用氩气吹拂冷却工件的手段，降低脱模力。
步骤g、将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温，冷却时间应控制在4～5h。
(7)机械加工：按照产品图纸要求，对超塑成形内衬毛坯的直线段和两端封头进行车加工减薄，并打螺纹孔，得到最终的薄壁无缝内衬。
实施例1
以下给出一个具体的实施例，本实施例中柱形内衬为TC4钛合金，容积12L，长度为408mm，直筒段长度为216mm，内径236mm，壁厚0.6mm，壁厚公差Δδ＝0.3mm，封头为椭球形，封头内形面长半轴为118mm，短半轴为76mm，封头外形面长半轴为119.5mm，短半轴为80mm，管嘴长度为14mm，管嘴外圆φ38mm，管嘴内孔为φ16mm，R角厚度～9mm，以下为具体过程：
(1)模具设计制造：根据产品的外形尺寸要求设计，设计对称分布的上下模具，材料采用耐高温铸钢Ni7N。上下模闭合后内型面的直筒段直径尺寸为：
D＝0.998×(236mm+1.2mm+3mm)≈239.7mm(0.998为热胀差异系数)。模具内型面的椭圆形封头尺寸为：
长轴A与内型面直线段直径相同为239.7mm
短轴B＝0.998×(160+2)≈161.6mm(0.998为热胀差异系数)。
(2)收口旋压：对120mm×8mm的钛合金超塑管坯两端在900℃进行收口旋压，得到直筒段长度216mm的内衬旋压件。旋压完成后，在两端管嘴的中心位置打Φ12mm孔，利用专用管嘴R角内表面打磨工装伸入管嘴孔，分别对两端管嘴R角内表面打磨30～40min，打磨工装为直径φ8mm，一端与气动手柄相连，另一端固定80#条状打磨沙带，沙粒面朝向手柄安装，对R角内表面进行打磨至光滑无褶皱；
(3)内衬旋压件直筒段减薄区设计：将原始厚度T0＝8mm代入图3，可以得出直筒段胀形后各处的壁厚δ分布，中心处最大壁厚δmax＝4.8mm，两端最小壁厚δmin＝3.2mm。依据壁厚δ分布情况，从直筒段两端开始到中心处，当壁厚差变化达到壁厚公差Δδ＝0.3mm时，依次对称设置台阶，每个台阶长度L为壁厚变化为公差Δδ＝0.3mm的直筒段距离，总共五个对称分布台阶，分别为L0＝20mm、L1＝20mm、L2＝20mm、L3＝20mm、L4＝26mm。每个台阶原始厚度依次类推，T0＝8mm、T1＝7.3mm、T2＝6.7mm、T3＝6.2mm、T4＝5.8mm。
(4)直筒段加工：按(3)的设计图纸，使用车床对直筒段进行加工，加工后使用超声测厚设备对每个台阶的壁厚进行检测，每个台阶的壁厚精度应控制在±0.05mm；
(5)进气管路焊接：内衬旋压件两端管嘴通过氩弧焊与φ10mm×0.5mm钛管路连接；
(6)超塑成形通过下述方式实现：
步骤a、在超塑模具的型面上均匀涂覆止焊剂，要求覆盖模具本色，然后将成形模具放入超塑设备中，开始升温，升温速率不超过40℃/h，当模具平均温度达到装料温度750℃时，保温。
步骤b、打开炉门，抬起上模具，将内衬放入下模具的指定位置，然后合模，关闭炉门；
步骤c、以原有速率40℃/h继续升温，观察模具热电偶的温度指示，当模具平均温度到达成形温度900℃后，停止加热，开始保温。
步骤d、控制超塑设备使上平台压住上模具，下压力为45T，然后执行超塑程序，进气方式为双向同步进气，具体过程如下：进气速率先由慢变快，初始进气速率不超过于0.15bar/min，在15min内增加到0.3bar/min，当压力升至6bar时，降低进气速率至0.2bar/min，当压力升至11bar时，保压15min后泄压。
步骤e、卸载上平台对模具的机械压力，并停止设备保温，使模具随炉降温，直至到达800℃以下；
步骤f、使用专用工装，利用两端管嘴具有较强的刚性，使成形后的大尺寸内衬毛坯脱离下模具型面，脱模过程中可适当采用氩气吹拂冷却工件的手段，降低脱模力。
步骤g、将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温，冷却时间应控制在4.5h。
(7)机械加工：按照产品图纸要求，使用数控车床对Φ236mm内衬毛坯的直线段和两端封头进行车加工减薄，并打螺纹孔，得到Φ236mm壁厚0.6+0.30mm的椭球形封头的大尺寸无缝薄壁内衬。
本实施例对超塑成形后内衬毛坯直筒段壁厚进行测量，结果表明全程壁厚公差均在0.3mm以内，满足机械加工要求。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法，所述内衬包括管嘴、封头和直筒段；其特征在于包括如下步骤：
(1)根据内衬产品结构特点设计呈对称分布的上下模具，上下模具闭合后内型面的尺寸大于内衬构件外轮廓2-3mm；
(2)将壁厚T0的钛合金管材坯料两端进行收口旋压，旋压完成后，两端管嘴的中心位置打孔并对R角内表面进行打磨，得到小口径内衬旋压件；
(3)设计内衬旋压件直筒段减薄区，所述的减薄区环向等壁厚且沿轴向阶梯式分布，即从直筒段两端开始到中心处对称设置台阶，每个台阶为环向等壁厚设置且长度L为由于超塑成形过程壁厚变化为公差Δδ的直筒段距离，直筒段两端的台阶的原始厚度为T0，其余台阶的原始厚度Ti＝2(δmin+Δδ/2)/(λi+λi+1)；其中，台阶编号为直筒段两端向中心均从0开始逐一递增，λi、λi+1为台阶i两端点对应的超塑成形后直筒段壁厚与原始壁厚之比，i＝1、2......；Δδ为最终构件要求的壁厚公差；δmin为等厚直筒段胀形后壁厚的最小值；
(4)按照步骤(3)中设计的减薄区对内衬旋压件直筒段进行加工，之后进行进气管路焊接；
(5)利用步骤(1)中设计的上下模具进行超塑成形，得到内衬毛坯；
(6)将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温；
(7)按照产品图纸要求，对内衬毛坯的直线段和两端封头进行车加工减薄，并打螺纹孔，得到最终的薄壁无缝内衬。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的坯料为超塑管，显微组织为基本等轴的α+β两相组织，但允许有总量不超过15％的长条α晶粒，其横向平均晶粒尺寸≤12μm；内径为待成形内衬构件内径50％～60％；旋压温度850～920℃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的超塑管为TC4钛合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：钛合金管材坯料的壁厚T0为5-8mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：等厚直筒段胀形后壁厚的最小值δmin通过下述方式确定：
根据钛合金管材坯料的原始厚度，按照等壁厚直筒段小口径旋压件超塑成形数值仿真结果绘制等厚直筒段单向胀形壁厚分布规律曲线；根据该曲线确定壁厚的最小值δmin。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中对直筒段进行加工，加工后使用超声测厚设备对每个台阶的壁厚进行检测，每个台阶的壁厚精度应控制在±0.05mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：超塑成形通过下述方式实现：
步骤a、在超塑成形模具的型面上均匀涂覆止焊剂，要求覆盖模具本色，然后将步骤(1)中的上下模具放入超塑设备中，开始升温，升温速率不超过40℃/h，当模具平均温度达到装料温度时，保温；所述的装料温度范围700～800℃；
步骤b、打开炉门，抬起上模具，将步骤(4)处理后的内衬放入下模具的指定位置，然后合模，关闭炉门；
步骤c、以原有速率继续升温，观察模具热电偶的温度指示，当模具平均温度到达超塑成形温度880～920℃后，停止加热，开始保温；
步骤d、控制超塑设备使上平台压住上模具，采用双向进气方式进行升压，总时间为t1，压力先升至p2，然后线性升至p1，在p1压力下的保压时间为t2，最后降压时间为t3；其中时间t1＞t2＞t3，压力p1＞p2；
步骤e、卸载上平台对模具的机械压力，并停止设备保温，使模具随炉降温，直至到达800℃以下；
步骤f、脱模，得到内衬毛坯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：脱模过程中采用氩气吹拂冷却工件的手段，降低脱模力。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：p1取值范围10-12bar，p2最低取值为40％p1。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(6)中将内衬毛坯转移至保温箱，待其冷却到室温，冷却时间应控制在4～5h。
CN202110174759.1A 2021-02-08 2021-02-08 一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法 Active CN112974614B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110174759.1A CN112974614B (zh) 2021-02-08 2021-02-08 一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110174759.1A CN112974614B (zh) 2021-02-08 2021-02-08 一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112974614A CN112974614A (zh) 2021-06-18
CN112974614B true CN112974614B (zh) 2022-07-05

Family

ID=76347897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110174759.1A Active CN112974614B (zh) 2021-02-08 2021-02-08 一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112974614B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113719380B (zh) * 2021-08-28 2022-12-06 福建兵工装备有限公司 续航发动机尾管衬层毛坯及其压制模具和制作方法
CN113926914A (zh) * 2021-09-02 2022-01-14 航天材料及工艺研究所 一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法
CN114393091B (zh) * 2021-12-21 2024-04-05 北京星航机电装备有限公司 一种半封闭舱体的成形方法
CN114542947B (zh) * 2022-03-15 2024-03-29 光年探索(江苏)空间技术有限公司 一种相交球壳压力容器胀形制造方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3121126C1 (de) * 1981-05-27 1983-01-27 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Einrichtung zur superplastischen Verformung
WO2001051229A1 (en) * 2000-01-11 2001-07-19 Loades Plc Forming large titanium parts
JP2003049246A (ja) * 2001-05-31 2003-02-21 Kawasaki Steel Corp ハイドロフォーミング性に優れた溶接鋼管およびその製造方法
CN107138585A (zh) * 2017-07-11 2017-09-08 南昌航空大学 一种中空类多层管的内压成形方法
CN109604410A (zh) * 2018-11-09 2019-04-12 南京航空航天大学 一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法
CN109926486A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 哈尔滨工业大学 Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法
CN111400939A (zh) * 2018-12-28 2020-07-10 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 一种钛合金变壁厚球壳高精度成型方法
CN212216735U (zh) * 2020-05-11 2020-12-25 哈尔滨哈飞工业有限责任公司 一种用于钛合金零件热成形的吹塑胀形模具

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3121126C1 (de) * 1981-05-27 1983-01-27 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Einrichtung zur superplastischen Verformung
WO2001051229A1 (en) * 2000-01-11 2001-07-19 Loades Plc Forming large titanium parts
JP2003049246A (ja) * 2001-05-31 2003-02-21 Kawasaki Steel Corp ハイドロフォーミング性に優れた溶接鋼管およびその製造方法
CN107138585A (zh) * 2017-07-11 2017-09-08 南昌航空大学 一种中空类多层管的内压成形方法
CN109926486A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 哈尔滨工业大学 Ti2AlNb基合金空心薄壁构件热态气压成形与热处理的方法
CN109604410A (zh) * 2018-11-09 2019-04-12 南京航空航天大学 一种钛合金多层板件快速成形装置及其成形方法
CN111400939A (zh) * 2018-12-28 2020-07-10 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 一种钛合金变壁厚球壳高精度成型方法
CN212216735U (zh) * 2020-05-11 2020-12-25 哈尔滨哈飞工业有限责任公司 一种用于钛合金零件热成形的吹塑胀形模具

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
航天用钛合金及其精密成形技术研究进展;陆子川等;《宇航材料工艺》;20200830(第04期);第5-8页 *
钛合金波形膨胀节超塑气胀成形技术研究;王刚等;《压力容器》;20020925(第08期);第5-11页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112974614A (zh) 2021-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112974614B (zh) 一种钛合金薄壁无缝内衬直筒段超塑成形壁厚均匀性控制方法
CN105344790B (zh) 铝合金薄壁球形封头整体成形方法
CN111842637B (zh) 一种钛合金深腔构件复合成形模具及成形方法
US10710139B2 (en) Method for quick gas bulging forming of hot metal sheet
CN111001699B (zh) 采用3d打印和热气压胀形制造薄壁金属构件的方法
CN110465575B (zh) 一种钛合金薄壁件热处理与气压成形一体化方法
CN110125229B (zh) 一种大尺寸钛合金曲母线双层锥筒构件的同步高压气胀成形方法
CN109207890B (zh) 一种薄壁spf/db空心结构的热处理方法
CN109482703B (zh) 一种大截面差钛合金管件差温气压成形方法及装置
CN111744983A (zh) 一种拓扑结构壁板增材热压气胀复合成形方法
CN110560544A (zh) 一种大截面差空心结构件轴压胀锻工艺方法
CN110480279B (zh) 一种钛合金变壁厚空心主动冷却舱体制备方法
CN114054585A (zh) 一种薄壁变曲率钛合金壳体的热压成形方法
CN108057758B (zh) 一种ta7钛合金厚壁球壳的超塑性等温冲压方法
CN117086181A (zh) 一种薄壁回转体构件的旋压成形装置及方法
CN111745030B (zh) 一种强化铝合金近锥形薄壁件气胀气淬成形模具及方法
CN115178681A (zh) 一种大直径深腔椭球形贮箱箱底整体成形方法
CN111482515B (zh) 一种高强铝合金圆筒形深冲件模具及配套挤-拉-淬工艺
CN107866458B (zh) 一种变摩擦系数实现高温胀形自补料的成形方法
CN111014526B (zh) 一种薄壁w截面异型密封结构内外复合滚压成形方法
CN116408361B (zh) 一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具及方法
CN115365772B (zh) 一种复杂曲面变壁厚钛合金带筋板的制备方法
CN112474858B (zh) 一种近环形类构件热拉深挤压成形工艺
CN113909366A (zh) 一种Φ3350mm2195铝锂合金整体箱底旋压件壁厚控制方法
CN114310208A (zh) 一种钛合金多层结构机加扩散连接模具及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant