CN113909368A - 一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，属于钛合金超塑性成形技术领域；步骤一、确定薄板毛坯成型为薄壁半球后薄壁半球的尺寸；步骤二、设计成型薄壁半球的下模具；步骤三、设计成型薄壁半球的上模具；步骤四、对下模具的内型面和上模具的内型面进行抛光处理；步骤五、在下模具的内型面和上模具的内型面均匀涂覆止焊剂，并进行加热处理；步骤六、将薄板毛坯放在下模具顶部，并将上模具盖在薄板毛坯上；进行加热处理；步骤七、对薄板毛坯依次进行反胀处理、正胀处理；成型薄壁半球；步骤八、降温，取出成型薄壁半球；本发明可以用来成形壁厚分布差异较大的各种尺寸钛合金半球形壳体，具有较好的厚度分布控制和性能保持效果。
Description
技术领域
本发明属于钛合金超塑性成形技术领域，涉及一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法。
背景技术
超塑成形是一种利用材料在接近相变点温度区间内和较低的应变速率下具有极高延伸率的特性进行成形的方法。通常超塑成形使用气压作为成形驱动力，依靠与模具贴合来保证最终成形精度。超塑成形具有精度高，成形所需压力小，无残余应力等优势，在各领域得到了越来越广泛的应用。目前来看，在国内外钛合金压力容器的超塑成形应用十分广泛。美国早在八十年代就进行超塑成形制造球形贮箱的试验研究，日本ISAS和MHI两家公司从1981年就开始使用超塑成形工艺制造贮箱。欧空局采用超塑成形技术制造贮箱的典型应用是在九十年代，至今仍采用这种该技术制造。从国内来看，多家高校及研究所均采用超塑成形制造了各种尺寸的钛合金贮箱，已经成功得到了应用。
为了满足减重的迫切要求，钛合金贮箱近年来进行了大量的减薄设计，贮箱壳体主体厚度从1.2mm减薄至0.5mm～0.8mm，在增加成形难度的同时对性能的要求也更为苛刻。为满足强度要求和结构接口要求，半球壳体在球顶和开口处会进行增厚或锁底设计，而在腰部的内表面设计有带接口环筋。为了保证焊接强度，环筋处接口厚度可达到4mm～5mm。若采用传统单向超塑成形，半球球顶和环筋处的壁厚难以达到要求，简单增加板材厚度不仅大幅增加了后续加工余量，提高了制造成本，还提高了板材晶粒细化难度，无法满足超塑成形要求。因此必须在超塑成形时采取特殊手段达到壁厚精确化控制效果。正反向成形时壁厚控制最为常规的方法，但该方法反胀型面通常为环形设计，仅能保证局部区域壁厚条件，针对多处突变增厚结构，该方法难以实现多处壁厚的精确控制。同时，常规正反向成形因加入反向预成型过程，极大增加了成形时长，导致半球壳体在接近相变点的高温下的热暴露时间增加，晶粒长大，导致最终强度性能下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，可以用来成形壁厚分布差异较大的各种尺寸钛合金半球形壳体，具有较好的厚度分布控制和性能保持效果。
本发明解决技术的方案是：
一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，包括如下步骤：
步骤一、确定薄板毛坯成型为薄壁半球后薄壁半球的尺寸；
步骤二、设计成型薄壁半球的下模具，即正胀模具；
步骤三、设计成型薄壁半球的上模具，即反胀模具；
步骤四、对下模具的内型面和上模具的内型面进行抛光处理，抛光后的内型面粗糙度为0.4；
步骤五、在下模具的内型面和上模具的内型面均匀涂覆止焊剂，并进行加热处理；
步骤六、将薄板毛坯放在下模具顶部，并将上模具盖在薄板毛坯上；进行加热处理；
步骤七、对薄板毛坯依次进行反胀处理、正胀处理；成型薄壁半球；
步骤八、降温，取出成型薄壁半球。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤一中，所述薄板毛坯采用TC4钛合金材料。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤一中，所述薄壁半球的壁厚为0.5-1mm；薄壁半球的球顶处向内进行增厚设置，球顶增厚区的厚度δ5为2-3mm；在薄壁半球的内部设置环筋，环筋增厚区的厚度δ3为4-5.5mm；薄壁半球顶部开口处向内增厚设置，顶部开口增厚区的厚度δ1为4-5.5mm；薄壁半球的半径R为350-500mm；环筋距球顶的高度D为100-400mm。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤二中，所述下模具为水平放置的长方体结构；下模具的上表面设置有凹槽，凹槽的型面分为3段，分别为与薄壁半球适配的球面段、拔模段和翻边段；球面段位于凹槽的最底部，拔模段设置在球面段的顶部，翻边段设置在拔模段的顶部；球面段的型面尺寸与薄壁半球外壁一致；拔模段为直线型面，拔模段与竖直方向夹角为2°-8°，且拔模段的竖直高度为20-30mm；翻边段为环形凹槽；翻边段与拔模段之间通过圆角过渡，圆角半径为20-50mm。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤三中，上模具为水平放置的长方体结构；上模具的下型面为波浪型面，从中心向外沿依次为第一波峰、波谷、第二波峰；其中，第一波峰的宽度为80～160mm，高度为30-60mm；第二波峰宽度为200-400mm，高度为80-150mm。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤五中，加热速率为40～70℃/h，直至达到750℃。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤六中，加热速率为40℃/h，当升温至880℃时，进入步骤七。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤七中，对薄板毛坯依次进行反胀处理的方法为：
向薄板毛坯下部的下模具内型面进行吹气处理，实现薄板毛坯向上鼓起，直至与上磨具的内型面贴合；
对薄板毛坯依次进行正胀处理的方法为：
向薄板毛坯上部的上模具内型面进行吹气处理，实现薄板毛坯向下鼓起，直至与下磨具的内型面贴合。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤七中，反胀处理时，吹气的反胀压力位24bar；正胀处理时，吹气的正胀压力位12bar；成形时长为150min。
在上述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，所述步骤八中，将下模具、上模具和薄壁半球冷却至室温。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用波形反胀模具设计，通过球顶和腰部等位置反向预成型，可精确控制多处增厚区分布。现有传统正反向胀形仅能确保球顶厚度，而半球腰部为最薄区域，减薄率可达60％，无法同时满足球顶和腰部增厚的设计需求。波形反胀模具经模拟计算，可将未预成型区(即波谷区)调整至成形后的腰部增厚区，保证壁厚要求。而球顶因提前拉伸增大面积，因此正胀时再次减薄量很小，保证了该处厚度要求；
(2)本发明因采用波形反胀模具设计，可实现增厚区厚度的精确控制，实现近净成形。在增厚区处单边余量仅为0.4～0.8mm。进一步解决了传统正反向胀形增厚区面积大，加工余量大的问题；
(3)本发明采用波形反胀模具设计，在实现同等球顶厚度控制的前提下，反胀高度相比于传统正反向胀形显著减小，因此能大幅降低反胀模具所需高温模具钢的用量，节省成本；
(4)本发明采用波形反胀模具设计，可经精确计算，仅用一套模具，实现同直径规格的不同结构设计半球的成形。有效降低模具制造成本，大幅提高研制生产效率；
(5)本发明采用分段应变速率成形的工艺过程。该方法能有效解决传统正反向胀形时间长，晶粒尺寸长大明显，最终产品性能损失严重的问题，保证了最终产品的力学性能。
附图说明
图1为本发明成型后薄壁半球示意图；
图2为本发明上模具和下模具内型面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，采用波形反胀型面设计，精确控制反向成形过程预减薄位置和减薄量，实现正胀成形后壁厚分布的精确控制，满足多位置突变壁厚结构的加工要求。
超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，具体包括如下步骤：
步骤一、确定薄板毛坯成型为薄壁半球后薄壁半球的尺寸；薄板毛坯采用TC4钛合金材料。薄壁半球的壁厚为0.5-1mm；薄壁半球的球顶处向内进行增厚设置，球顶增厚区的厚度δ5为2-3mm；在薄壁半球的内部设置环筋，环筋增厚区的厚度δ3为4-5.5mm；薄壁半球顶部开口处向内增厚设置，顶部开口增厚区的厚度δ1为4-5.5mm；薄壁半球的半径R为350-500mm；环筋距球顶的高度D为100-400mm，如图1所示。
步骤二、设计成型薄壁半球的下模具，即正胀模具；下模具为水平放置的长方体结构；下模具的上表面设置有凹槽，凹槽的型面分为3段，分别为与薄壁半球适配的球面段1、拔模段2和翻边段3；球面段1位于凹槽的最底部，拔模段2设置在球面段1的顶部，翻边段3设置在拔模段2的顶部；球面段1的型面尺寸与薄壁半球外壁一致；拔模段2为直线型面，拔模段2与竖直方向夹角为2°-8°，且拔模段2的竖直高度为20-30mm；翻边段3为环形凹槽；翻边段3与拔模段2之间通过圆角4过渡，圆角4半径为20-50mm，如图2所示。
步骤三、设计成型薄壁半球的上模具，即反胀模具；上模具为水平放置的长方体结构；上模具的下型面为波浪型面，从中心向外沿依次为第一波峰5、波谷6、第二波峰7；其中，第一波峰5的宽度为80～160mm，高度为30-60mm；第二波峰7宽度为200-400mm，高度为80-150mm，如图2所示。
步骤四、对下模具的内型面和上模具的内型面进行抛光处理，抛光后的内型面粗糙度为0.4。
步骤五、在下模具的内型面和上模具的内型面均匀涂覆止焊剂，并进行加热处理；加热速率为40～70℃/h，直至达到750℃。
步骤六、将薄板毛坯放在下模具顶部，并将上模具盖在薄板毛坯上；进行加热处理；加热速率为40℃/h，当升温至880℃时，进入步骤七。
步骤七、对薄板毛坯依次进行反胀处理、正胀处理；成型薄壁半球；对薄板毛坯依次进行反胀处理的方法为：
向薄板毛坯下部的下模具内型面进行吹气处理，实现薄板毛坯向上鼓起，直至与上磨具的内型面贴合；
对薄板毛坯依次进行正胀处理的方法为：
向薄板毛坯上部的上模具内型面进行吹气处理，实现薄板毛坯向下鼓起，直至与下磨具的内型面贴合。
反胀处理时，吹气的反胀压力位24bar；正胀处理时，吹气的正胀压力位12bar；成形时长为150min。
步骤八、降温，取出成型薄壁半球。将下模具、上模具和薄壁半球冷却至室温。
实施例
本实施例中采用符合GJB2505A-2008的TC4钛合金板材，目标半球产品R＝400mm、δ1＝5.5mm、δ3＝5.5mm、δ5＝3.0mm、D＝150mm。
(1)成形后半球厚度分布设计：根据目标半球产品直径及壁厚分布进行成形后半球厚度设计。主体处外形面余量0.8mm，内形面余量1.5mm，厚度最小参考值为3.0mm。球顶增厚区δ5处外形面余量1.5mm，内形面余量0.5mm，厚度最小参考值为5.0mm。环筋增厚区δ3处外形面余量0.6mm，内形面余量0.5mm，厚度最小参考值为6.1mm。开口处δ1处外形面余量1.5mm，内形面余量1.0mm，厚度最小参考值为8.0mm。
(2)模具正胀型面设计：根据(1)中得到的半球外形面作为下模具型面，在开口之上设计3°拔模角，高度25mm的拔模段。拔模段与翻边之间设计R30mm圆角过渡。翻边上设计密封槽和板料定位槽。
(3)模具反胀型面设计：反胀模具采用波形型面设计，球顶区域(第一波峰)和环筋与半球开口之间区域(第二波峰)为反胀预拉伸区域，环筋增厚区为“波谷”区。第一波峰高度40mm，第二波峰高度80mm。
(4)成形过程数值模拟：采用MSC.Marc有限元数值模拟软件对超塑成形过程进行仿真计算。网格划分采用三维四边形壳单元，模拟结果直接给出壁厚分布预测值。通过比对，此时壁厚分布符合半球整体壁厚分布参考值要求，即可将此型面定为反胀型面。
(5)成形过程参数优化：将模拟过程分段，反胀和正胀环筋处未贴模阶段的应变速率设定为8×10-4，此时应变速率敏感性指数m＝0.45；后半段成形阶段应变速率为2×10-4，此时应变速率敏感性指数m＝0.50。
(6)模具加工：采用Ni7N作为原材料进行铸造和模具型面加工。其中上模具为反胀模具，其型面为(4)中确定的波形型面；下模具为正胀模具，其型面为(2)中确定的半球型面。模具加工完成后进行抛光，保证粗糙度为0.4。
(7)模具入炉加热：上、下模具入炉定位合模后，分别安装在上、下平台上。升起上平台，将上、下模具型面均匀涂覆止焊剂。开始升温，升温速率为50℃/h，直至达到750℃。
(8)板料高温入炉：当平台炉腔温度达到750℃时，升起上平台，此时因上模具和上平台固定，将随着上平台的升起而与下模具分开。打开炉门，将板料放进定位槽中，关闭炉门。
(9)升温至超塑温度：以40℃/h的速率继续升温，设定温度920℃。
(10)正反向超塑成形：当模具热电偶平均温度达到880℃时，开始执行超塑正反向成形程序，程序根据步骤(5)得到的曲线，结合设备能力制定。其中反胀压力为24bar，正胀压力为12bar，成形时长150min。
(11)降温至出炉温度：超塑程序执行完成后抬升上平台，模具及半球壳体随炉降温至出炉温度800℃。
(12)半球出炉：到达出炉温度后，开启炉门，采用出炉工装直接将半球取出。出炉后的半球放置于工装上空冷至室温。
(13)精车加工：将半球壳体进行精车加工，保证所有形位尺寸和壁厚精度。
对比例
采用传统正反向超塑成形反胀模具型面设计，对与实施例相同结构半球进行成形数值模拟分析。可以看出，传统反胀型面为单区域预成型，成形后仅在半球球顶处壁厚有明显改善，但环筋处壁厚无法满足要求，而调整反胀型面的曲率和高度仍无法有效增加该处壁厚。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、确定薄板毛坯成型为薄壁半球后薄壁半球的尺寸；
步骤二、设计成型薄壁半球的下模具，即正胀模具；
步骤三、设计成型薄壁半球的上模具，即反胀模具；
步骤四、对下模具的内型面和上模具的内型面进行抛光处理，抛光后的内型面粗糙度为0.4；
步骤五、在下模具的内型面和上模具的内型面均匀涂覆止焊剂，并进行加热处理；
步骤六、将薄板毛坯放在下模具顶部，并将上模具盖在薄板毛坯上；进行加热处理；
步骤七、对薄板毛坯依次进行反胀处理、正胀处理；成型薄壁半球；
步骤八、降温，取出成型薄壁半球。
2.根据权利要求1所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤一中，所述薄板毛坯采用TC4钛合金材料。
3.根据权利要求2所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤一中，所述薄壁半球的壁厚为0.5-1mm；薄壁半球的球顶处向内进行增厚设置，球顶增厚区的厚度δ5为2-3mm；在薄壁半球的内部设置环筋，环筋增厚区的厚度δ3为4-5.5mm；薄壁半球顶部开口处向内增厚设置，顶部开口增厚区的厚度δ1为4-5.5mm；薄壁半球的半径R为350-500mm；环筋距球顶的高度D为100-400mm。
4.根据权利要求3所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤二中，所述下模具为水平放置的长方体结构；下模具的上表面设置有凹槽，凹槽的型面分为3段，分别为与薄壁半球适配的球面段(1)、拔模段(2)和翻边段(3)；球面段(1)位于凹槽的最底部，拔模段(2)设置在球面段(1)的顶部，翻边段(3)设置在拔模段(2)的顶部；球面段(1)的型面尺寸与薄壁半球外壁一致；拔模段(2)为直线型面，拔模段(2)与竖直方向夹角为2°-8°，且拔模段(2)的竖直高度为20-30mm；翻边段(3)为环形凹槽；翻边段(3)与拔模段(2)之间通过圆角(4)过渡，圆角(4)半径为20-50mm。
5.根据权利要求4所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤三中，上模具为水平放置的长方体结构；上模具的下型面为波浪型面，从中心向外沿依次为第一波峰(5)、波谷(6)、第二波峰(7)；其中，第一波峰(5)的宽度为80～160mm，高度为30-60mm；第二波峰(7)宽度为200-400mm，高度为80-150mm。
6.根据权利要求5所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤五中，加热速率为40～70℃/h，直至达到750℃。
7.根据权利要求6所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤六中，加热速率为40℃/h，当升温至880℃时，进入步骤七。
8.根据权利要求7所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤七中，对薄板毛坯依次进行反胀处理的方法为：
向薄板毛坯下部的下模具内型面进行吹气处理，实现薄板毛坯向上鼓起，直至与上磨具的内型面贴合；
对薄板毛坯依次进行正胀处理的方法为：
向薄板毛坯上部的上模具内型面进行吹气处理，实现薄板毛坯向下鼓起，直至与下磨具的内型面贴合。
9.根据权利要求8所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤七中，反胀处理时，吹气的反胀压力位24bar；正胀处理时，吹气的正胀压力位12bar；成形时长为150min。
10.根据权利要求1所述的一种超塑成形突变壁厚薄壁半球精度及性能控制方法，其特征在于：所述步骤八中，将下模具、上模具和薄壁半球冷却至室温。
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