CN113976677B - 一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置及工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置及工艺方法，装置包括上模具、下模具、导向柱、榫头弯曲模，叶根部定位挡板，叶尖部定位挡板、整体定位垫板；下模具通过螺栓固定在底部定位垫板预定位置上，四根导向柱、榫头弯曲模，叶根部定位挡板以及叶尖部定位挡板固定在下模具上，且四根导向柱与模具侧面的间距为0.3‑0.5mm；工艺方法通过坯料准备、整形模具合模、热气胀校形、冷却等步骤实现钛合金空心叶片的高精度、高可靠性、高效率和高一致性的精确成形。

Description

一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置及工艺方法
技术领域
本发明涉及金属材料塑性成形技术领域，特别涉及一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置及工艺方法。
背景技术
钛合金宽弦空心风扇叶片是先进航空涡扇发动机最具代表性的重要零件；传统上使用SPF-DB(超塑成形-扩散连接)由于内部变形的不可控、超塑过程变形量过大、设计的不确定性因素多等缺点已经不能够满足叶片的特殊工况的使用要求；
目前对开式结构空心叶片及预成形+热蠕变终整形工艺满足新一代新型宽弦空心风扇叶片的需求；但是我国缺乏大型钛合金空心叶片热成形相应的专用工装，并且相关的工艺研究滞后，这已成为我国发展大型航空发动机卡脖子问题，极大地阻碍了我国先进大型航空发动机的发展；
钛合金空心叶片的最后一道成形工序对于达到预设性能要求和得到准确的型面至关重要，目前已经提出在最后一步工序中同时进行模具合模以及坯料内部充气，在获取精确型面的同时修复空心叶片面板凹陷，但是如何实现预成形毛坯的精确定位、回弹控制、缺陷控制以及实现零件稳定可控的制造仍然是亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置及工艺方法，具体技术方案如下：
一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，包括上模具、下模具、导向柱、榫头弯曲模、叶根部定位挡板、叶尖部定位挡板和定位垫板；
所述上模具和下模具的变曲率型面与叶片外形一致，其上模具、下模具的侧面各预留两个热电偶孔；
所述导向柱、榫头弯曲模、叶根部定位挡板、叶尖部定位挡板上均设有连接下模具的螺纹连接孔；
所述导向柱上设有与下模具定位的定位孔；
所述定位垫板上设置四根导向柱，其导向柱内侧面与上模具侧面随型设置；
所述叶根部定位挡板设有U型定位槽，叶尖部定位挡板设有方形定位槽；
所述榫头弯曲模设置在导向柱的叶根侧，叶根部定位挡板设置在榫头弯曲模外侧面，并通过螺栓将榫头弯曲模和叶根部定位挡板固定在定位垫板上；
所述叶尖部定位挡板设置在导向柱的叶尖侧，通过螺栓固定在定位垫板上；
所述下模具通过螺栓固定在定位垫板的预定位置上；
所述导向柱与下模具之间通过定位销和螺栓连接；
所述榫头弯曲模、叶根部定位挡板和叶尖部定位挡板通过螺栓固定下模具上。
所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其优选方案为四根所述导向柱与上模具侧面的间距为0.3-0.5mm。
所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其优选方案为该装置材料为中硅钼球墨铸铁或者耐热不锈钢XZ19-4N
所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其优选方案为空心叶片放置方法为将空心叶片的根部定位轴放置入下模具的根部定位挡板的U型定位槽内，将叶尖定位轴放置入叶尖定位挡板的方形定位槽内，限制了叶片前后左右方向的错动，而由于毛坯此时已经具有初步曲面外形，具有自定位作用，限制毛坯在型腔内的摆动。
一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置的工艺方法，所述工艺方法包括：
步骤一：坯料准备
在初始空心平板毛坯叶尖部位提前预留内部充气加载通道和通气孔，按照预设预成形工序开展实验获取最终成形前的过渡形状，此时毛坯已经具有理论叶片初步外形；
步骤二：整形模具合模
将空心叶片的精密塑性成形模具在超塑性设备炉内安装固定，在超塑性成形设备中将具有理论空心叶片型面的模具加热到预设温度700-900℃后按照预设时长保温0.2-1h，将预成形后毛坯转移进设备加热炉内保温0.5-2h，依靠下模具叶根部定位挡板以及叶尖部定位挡板的预留槽对毛坯进行精准定位，待炉内工件和工装温度稳定后，成形上模具需以低于5mm/min的速度缓慢下行直至上下模具合模；
步骤三：热气胀校形
按照预设气压向叶片空腔内部冲入2-3MPa氩气保护气体，进行面板校形，保压预设时间0.5-1h后卸载；
步骤四：完成上述步骤后取出热态叶片，空气中冷却，最后精加工得到最终空心叶片成品。
本发明的有益效果：
本发明的技术方案中导向柱设计提高模具合模精度，平衡了叶片空腔热气胀成形对模具所产生的侧向力，叶根部以及叶尖部定位槽的设计提供了可在工序间转换的精准定位技术，有利于叶片成形质量的一致性控制；作为钛合金空心叶片的最后一道成形工序，不仅获取精确型面以及修复空心叶片面板凹陷，同时实现预成形毛坯的精确定位和零件稳定可控的制造，可以完成构件的高一致性批量加工；采用可拆卸模具结构，方便调整，大大提高生产效率，降低制造成本。
附图说明
图1为上模具结构示意图；
图2为下模具结构示意图；
图3为定位垫板连接结构示意图；
图4为本发明俯视结构示意图；
图5为本发明前结构示意图；
图6为本发明后结构示意图；
图7为钛合金空心叶片热成形初始毛坯半剖示意图；
图8为压制成形后的钛合金空心叶片。
图中，1-上模具，2-下模具，3-导向柱，4-榫头弯曲模，5-叶根部定位挡板，6-叶尖部定位挡板，7-定位垫板，8-螺纹连接孔，9-热电偶孔，10-定位孔，11-筋条通气道，12-叶尖通气孔，13-导向柱与上模具侧面间距，14-U型定位槽，15-方形定位槽。
具体实施方式
如图1-8所示一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，包括上模具1、下模具2、导向柱3、榫头弯曲模4、叶根部定位挡板5、叶尖部定位挡板6和定位垫板7；
所述上模具1和下模具2的变曲率型面与叶片外形一致，其上模具1、下模具2的侧面各预留两个热电偶孔9；
所述导向柱3、榫头弯曲模4、叶根部定位挡板5、叶尖部定位挡板6上均设有连接下模具2的螺纹连接孔8；
所述导向柱3上设有与下模具2的定位的定位孔10；
所述定位垫板7上设置四根导向柱3，其导向柱3内侧面与上模具1侧面随型设置；
所述叶根部定位挡板5设有U型定位槽14，叶尖部定位挡板6设有方形定位槽15；
所述榫头弯曲模4设置在导向柱3的叶根侧，叶根部定位挡板5设置在榫头弯曲模4外侧面，并通过螺栓将榫头弯曲模4和叶根部定位挡板5固定在定位垫板7上；
所述叶尖部定位挡板6设置在导向柱3的叶尖侧，通过螺栓固定在定位垫板7上；
所述下模具2通过螺栓固定在定位垫板7的预定位置上；
所述导向柱3与下模具2之间通过定位销和螺栓连接；
所述榫头弯曲模4、叶根部定位挡板5和叶尖部定位挡板6通过螺栓固定下模具2上。
四根所述导向柱与上模具侧面的间距13为0.3-0.5mm。
空心叶片放置方法为将空心叶片的根部定位轴放置入下模具2的根部定位挡板5的U型定位槽14内，将叶尖定位轴放置入叶尖定位挡板6的方形定位槽15内，限制了叶片前后左右方向的错动，而由于毛坯此时已经具有初步曲面外形，具有自定位作用，限制毛坯在型腔内的摆动。
实施例1
一种应用于钛合金空心叶片的精密塑性成形装置的工艺方法，所述工艺方法包括：
(1)准备钛合金空心叶片热成形初始毛坯，在初始空心平板毛坯叶尖部位提前预留内部充气加载筋条通气道11和叶尖通道孔12，如图5所示，与设备外部钛合金空心管相连接的叶尖通道孔12设置在空腔中间部位；
(2)对开式钛合金空心叶片原始坯料准备完成后，按照预设预成形工序开展实验获取最终成形前的过渡弯扭形状，此时毛坯已经具有理论叶片初步外形；
(3)将空心叶片的精密塑性成形模具在超塑性设备炉内安装固定，于室温下在模具表面喷涂石墨润滑剂，模具型面与理论空心叶片外形相同，之后将模具加热到预设温度800℃；
(4)模具加热到预设温度后保温0.5h，将已经具有初步形状的叶片放入超塑性成形设备加热炉内，保温1h；
(5)待炉内工件和工装温度稳定后，成形上模具以低于5mm/min的速度缓慢下行直至上下模具合模；
(6)模具完成合模后，向叶片空腔内部冲入2MPa的氩气保护气体，进行面板校形，保压时间0.5h；
(7)完成上述步骤后取出热态叶片，空气中冷却，最后进行精加工得到最终空心叶片成品。

Claims (5)

1.一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其特征在于：包括上模具、下模具、导向柱、榫头弯曲模、叶根部定位挡板、叶尖部定位挡板和定位垫板；
所述上模具和下模具的变曲率型面与叶片外形一致，其上模具、下模具的侧面各预留两个热电偶孔；
所述导向柱、榫头弯曲模、叶根部定位挡板、叶尖部定位挡板上均设有连接下模具的螺纹连接孔；
所述导向柱上设有与下模具定位的定位孔；
所述定位垫板上设置四根导向柱，其导向柱内侧面与上模具侧面随型设置；
所述叶根部定位挡板设有U型定位槽，叶尖部定位挡板设有方形定位槽；
所述榫头弯曲模设置在导向柱的叶根侧，叶根部定位挡板设置在榫头弯曲模外侧面，并通过螺栓将榫头弯曲模和叶根部定位挡板固定在定位垫板上；
所述叶尖部定位挡板设置在导向柱的叶尖侧，通过螺栓固定在定位垫板上；
所述下模具通过螺栓固定在定位垫板的预定位置上；
所述导向柱与下模具之间通过定位销和螺栓连接；
所述榫头弯曲模、叶根部定位挡板和叶尖部定位挡板通过螺栓固定下模具上。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其特征在于：四根所述导向柱与上模具侧面的间距为0.3-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其特征在于：空心叶片放置方法为将空心叶片的根部定位轴放置入下模具的根部定位挡板的U型定位槽内，将叶尖定位轴放置入叶尖定位挡板的方形定位槽内，限制了叶片前后左右方向的错动，而由于毛坯此时已经具有初步曲面外形，具有自定位作用，限制毛坯在型腔内的摆动。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置，其特征在于：该装置的材料为中硅钼球墨铸铁或者耐热不锈钢XZ19-4N。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种钛合金空心叶片的精密塑性成形装置的工艺方法，其特征在于：所述工艺方法具体包括:
步骤一：坯料准备
在初始空心平板毛坯叶尖部位提前预留内部充气加载通道和通气孔，按照预设预成形工序开展实验获取最终成形前的过渡形状，此时毛坯已经具有理论叶片初步外形；
步骤二：整形模具合模
将空心叶片的精密塑性成形模具在超塑性设备炉内安装固定，在超塑性成形设备中将具有理论空心叶片型面的模具加热到预设温度700-900℃后按照预设时长保温0.2-1h，将预成形后毛坯转移进设备加热炉内保温0.5-2h，依靠下模具叶根部定位挡板以及叶尖部定位挡板的预留槽对毛坯进行精准定位，待炉内工件和工装温度稳定后，成形上模具需以低于5mm/min的速度缓慢下行直至上下模具合模；
步骤三：热气胀校形
按照预设气压向叶片空腔内部冲入2-3MPa氩气保护气体，进行面板校形，保压预设时间后卸载；
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