CN114029396A - 一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，包括如下步骤：将板料裁切成圆形毛坯，将圆形毛坯置于旋压模具内旋压成带底的锥形毛坯；将锥形毛坯置于成形模具中，对成型模具的中心轴线方向施加载力，模具带动锥形毛坯发生径向形变；当毛坯径向变形到一定程度时，成形模具内外两侧对锥形毛坯的周壁进行耦合加压，最终成形出复杂曲母线整体结构环形件。本发明可充分发挥旋压成形和胀形两种工艺各自的技术优势，为带有折弯结构的钛合金复杂母线整体环形件的成形提供了可能；可以制造无焊缝的复杂曲母线整体结构环形件，其性能远优于带有多条焊缝的环形零件。

Description

一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法
技术领域
本发明涉及金属成形技术领域，特别是涉及一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法。
背景技术
带有复杂曲母线的钛合金环形零件在航空航天领域中应用广泛，如航空发动机外部机匣、导弹舱段壳体、轮箍等等。这类零件由于母线上存在折弯型面，目前制造工艺上依次采用分瓣热成形、焊接、热校形多次热成形方法。成形工艺是先将零件沿母线拆分成几块，然后针对拆分的零件外形特征，使用热压的方法制造半坯；再将半坯拼焊成整环，最后对焊后的零件进行热处理校形。进而获得复杂型面的钛合金薄壁环形件。
参阅附图1所示，该方法存制造的环形件零件沿母线分布有多条焊缝，零件结构的完整性被破坏，零件的疲劳性能降低。在服役过程中，焊缝位置易发生疲劳破坏。鉴于此，如何提供一种复杂曲母线整体结构环形件的整体性成形方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，包括将板料裁切成圆形毛坯，将圆形毛坯旋压成带底的锥形毛坯；将锥形毛坯置于成形模具中，对成型模具的中心轴线方向施加载力，再对内外两侧对锥形毛坯的周壁进行耦合加压，成形出复杂曲母线整体结构环形件。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，包括如下步骤：
将板料裁切成圆形毛坯，将圆形毛坯置于旋压模具内旋压成带底的锥形毛坯；
将锥形毛坯置于成形模具中，对成型模具的中心轴线方向施加载力，带动锥形毛坯发生径向形变；
当径向变形到一定程度时，成形模具内外两侧对锥形毛坯的周壁进行耦合加压，最终成形出复杂曲母线整体结构环形件。
进一步地，所述复杂曲母线整体结构环形件为钛合金薄壁环形件。
进一步地，旋压成带底的锥形毛坯以后还需要切去锥形毛坯的飞边。
进一步地，所述板料的厚度为所述复杂曲母线整体结构环形件厚度的1.5-2.5倍。
进一步地，旋压前根据复杂曲母线整体结构环形件周壁不同区域的厚薄情况，设置不等壁厚的旋压参数。
进一步地，所述旋压参数包括旋轮加载力、进给速度和进给量。
进一步地，对圆形毛坯旋压前需对圆形毛坯进行高温加热处理。
进一步地，所述高温加热处理的温度不低于650℃。
进一步地，将锥形毛坯置于成形模具中以后对锥形毛坯进行高温加热处理并在整个加压中都需确保锥形毛坯处于高温状态。
进一步地，所述锥形毛坯在整个加压过程中的温度保持在730℃-750℃之间。
(3)有益效果
本发明首先采用旋压成形将板料预制成整体毛坯，再使用径向耦合成形的方法，可充分发挥旋压成形和胀形两种工艺各自的技术优势，为带有折弯结构的钛合金复杂母线整体环形件的成形提供了可能；可以制造无焊缝的复杂曲母线整体结构环形件。同时，旋压成形和胀形过程中对材料的组织进行挤压，提升了最终复杂曲母线整体结构环形件的内部结构之间联系的紧密性，其性能远优于带有多条焊缝的环形零件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是现有技术加工复杂曲母线整体结构环形件的结构示意图。
图2是本发明一实施例中复杂曲母线整体结构环形件成形方法的流程图。
图3是本发明一实施例中胀形过程示意图。
图4是本发明一实施例中复杂曲母线整体结构环形件置于成形模具中的示意图。
图5是本发明一实施例中成形模具的示意图。
图6是本发明一实施例中胀形过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参照附图1-附图6并结合实施例来详细说明本申请。
根据本发明实施例一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，包括如下步骤：
将板料裁切成圆形毛坯，将圆形毛坯置于旋压模具内旋压成带底的锥形毛坯；
将锥形毛坯置于成形模具中，对成型模具的中心轴线方向施加载力，带动锥形毛坯发生径向形变；
当径向变形到一定程度时，成形模具内外两侧对锥形毛坯的周壁进行耦合加压，最终成形出复杂曲母线整体结构环形件。
为消除复杂曲母线整体结构环形件的沿母线的焊缝，提升部件结构完整性。在本发明实施例中采用整体结构的成形方法制造该复杂曲母线整体结构环形件。具体包括：参阅附图2(1)和附图2(2)所示，首先将板料裁切圆形毛坯，将圆形毛坯置于旋压模具内旋压成带底的锥环；然后参阅附图2(5)所示，将锥形毛坯置于成形模具中，对成形模具的中心锥加载，从而带动锥形毛坯发生径向形变；当变形到一定程度时，成形模具的内外两侧对锥形毛坯的周壁进行耦合加压，最终成形出带有折弯等复杂曲母线形状整体环形件。该方法首先采用旋压成形将板料预制成整体毛坯，再使用径向耦合成形的方法，可充分发挥旋压成形和胀形两种工艺各自的技术优势，为带有折弯结构的钛合金复杂母线整体环形件的成形提供了可能，可以制造无焊缝的复杂曲母线整体结构环形件。同时，旋压成形和胀形过程中对材料的组织进行挤压，提升了最终复杂曲母线整体结构环形件的内部结构之间联系的紧密性，其性能远优于带有多条焊缝的环形零件。
具体地，作为本发明的另一个实施例，所述复杂曲母线整体结构环形件为钛合金薄壁环形件，钛合金结构件具有结构强度高、比重轻的优点，适合航空航天领域应用。
具体地，锥形毛坯在成形模具中进行加载，加载过程中的加载力在30t-35t之间，例如可以为30t，也可以为33t，还可以为35t，具体地可以根据钛合金薄壁环形件的具体厚度以及加工工艺而定。进一步地，锥形毛坯在加载过程中，中心锥下行速度可以在0.5mm/s-2mm/s之间，例如可以为0.5mm/s，也可以为1mm/s，还可以为2mm/s，具体地可以根据钛合金薄壁环形件的具体厚度以及加工工艺而定。
具体地，作为本发明的又一个实施例，参阅附图2(3)所示，旋压成带底的锥形毛坯以后还需要切去锥形毛坯的飞边，飞边去掉以后可以使得复杂曲母线整体结构环形件的成形效果更好。同时还可以在旋压成带底的锥形毛坯工作以后进行抛修表面，如附图2(4)所示，在胀形前将小的飞边或者表面瑕疵去掉可以使得复杂曲母线整体结构环形件的成形效果更好。
具体地，作为本发明的又一个实施例，所述板料的厚度为所述复杂曲母线整体结构环形件厚度的1.5-2.5倍。板料的厚度比复杂曲母线整体结构环形件的厚度后，再经过旋压和耦合加压以后才能够得到更薄一点的复杂曲母线整体结构环形件。进一步地，板料的厚度可以为复杂曲母线整体结构环形件厚度的1.5倍，也可以为复杂曲母线整体结构环形件厚度厚度的2倍，还可以为复杂曲母线整体结构环形件厚度厚度的2.5倍，具体数值以实际需要为准，不应构成对本申请的限制。
进一步地，作为本发明的又一个实施例，旋压前根据复杂曲母线整体结构环形件周壁不同区域的厚薄情况，设置不等壁厚的旋压参数。这样可以根据根据复杂曲母线整体结构环形件周壁不同区域的厚薄的实际情况，设置不同参数以后得到所需要的厚度。具体地，如附图3(1)所示，当需要锥形毛坯的周壁局部厚度较薄时，可以选择局部厚度减薄(也就是局部增加挤压力)的技术方案；如附图3(2)所示，当需要锥形毛坯的周壁局部厚度较厚时，可以选择局部厚度增厚(也就是局部降低挤压力)的技术方案；如附图3(3)所示，当需要锥形毛坯的周壁厚度均匀时，可以选择局部施力均匀的技术方案，从而便可以得到想要的厚度。
具体地，作为本发明的又一个实施例，所述旋压参数包括旋轮加载力、进给速度和进给量，控制旋轮加载力、进给速度和进给量等旋压参数可以控制锥形毛坯周壁的厚度情况。
具体地，作为本发明的一个实施例，对圆形毛坯旋压前需对圆形毛坯进行高温加热处理。高温加热以后便于对圆形毛坯旋压成型可以更加便于塑形。
具体地，作为本发明的另一个实施例，所述高温加热处理的温度不低于650℃。例如可以为650℃，也可以为700℃。具体数值以实际需要为准，不应构成对本申请的限制。
具体地，作为本发明的一个实施例，将锥形毛坯置于成形模具中以后对锥形毛坯进行高温加热处理并在整个加压中都需确保锥形毛坯处于高温状态。高温加热和保温，便于对圆形毛坯胀形时进行塑形成型。
具体地，作为本发明的另一个实施例，所述锥形毛坯在整个加压过程中的温度保持在730℃-750℃之间。例如可以为730℃，也可以为750℃，还可以为735℃等。具体数值以实际需要为准，不应构成对本申请的限制。
下面以钛合金毛坯加工一个复杂曲母线整体结构环形件的零件的具体实施例来说明本申请。
1)预算出强力旋压所需的钛合金毛坯直径与板材厚度，进行下料制成圆形毛坯；
2)将圆形毛坯顶在旋压模具上，调整模具与毛坯同心，设定预设的不等壁厚的毛坯旋压参数，包括旋轮加载力、进给量、进给速度等，并输入到旋压设备中；
3)开启设备及毛坯加热系统对毛坯加热，使用红外线测温仪检测加热温度，当板料达到温度650℃时，进行强力旋压，获得带底的母线不等厚度的锥形毛坯；
4)使用车床车去锥形毛坯的底和口部飞边，并将整体锥形毛坯车至胀形所需的毛坯高度；
5)参阅附图4-附图6所示，将扇形环形毛坯料装入成形模具中的内型芯与外型芯之间，放入中心锥及上平板；将胀形模具置于热成形设备中升温；具体地，本发明实施例中成形模具包括内型芯、外型芯、中心锥、上平板以及底板。
6)当成形模具与毛坯温度升到730℃时，开启加热设备。沿毛坯轴向加载，锥形胀芯导入内胀块的直径逐渐增大，对内胀块施加径向的离心方向的压力，内胀块沿径向向外移动，此时毛坯在内型芯的约束下沿周向及母线方向拉伸；
7)在压力作用下，随着中心锥向下的位移，毛坯料的直径逐渐增大，当毛坯直径增大到与外型芯的内型面直径相当时，外型芯就对毛坯施加径向的向心方向的压力，毛坯在内外型芯的共同作用下成形出零件母线的大致轮廓，此时，毛坯的中部位置被周向拉伸，在上下端坡面位置被径向剪切，同时随着直径的逐渐变大，受剪应力的位置也受径向的压力；
8)继续对中心锥施加压力，外环对内外型芯的反作用力抵消了所受的压力，限制了内型芯的移动，毛坯不再随压力的增大继续变形。内型芯的外型面与外型芯的内型面完全偶合，成形过程结束；
9)成形模具降至常温后，取出中心锥、然后取出依次内型芯的每个部分，再整体移出零件与外型芯与外环；
10)将该整体放于压力机平台上，使用2个等高垫块，放在外环下的两侧，然后使用压力机对外型芯加载，压出外型芯与零件；
11)移除每块外型芯，然后取出零件。
本发明实施例首先采用旋压成形将板料预制成整体毛坯，再使用径向耦合成形的方法，可充分发挥旋压成形和胀形两种工艺各自的技术优势，为带有折弯结构的钛合金复杂母线整体环形件的成形提供了可能；可以制造无焊缝的复杂曲母线整体结构环形件，其性能远优于带有多条焊缝的环形零件。同时，旋压成形和胀形过程中对材料的组织进行挤压，提升了最终复杂曲母线整体结构环形件的内部结构之间联系的紧密性。
且在旋压过程中，通过对毛坯预设厚度补偿量的工艺途径可以对胀形减薄的位置进行补偿，提高环形件胀形后的壁厚精度，弥补了胀形工艺造成的厚度缺陷；另外，成形模具中带有外型芯，与内型芯一起在径向力的作用下实现了对环形毛坯的耦合成形，该结构可成形具有复杂母线的环形结构；胀形中成形模具外形芯为外部可以为带有斜面的分块结构，斜面形状起到外型芯与外环顺利脱离，分块的结构能够保证外型芯与零件的脱离；胀形模具的外环内侧可以为带有斜面的环形整体结构，起到限位作用，可精确定位内外型芯的耦合位置，成形的环形件具有精度高、一致性好的特点。同时其斜面结构能够在成形后在外力作用下使外型芯取出，进而取出零件。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
将板料裁切成圆形毛坯，将圆形毛坯置于旋压模具内旋压成带底的锥形毛坯；
将锥形毛坯置于成形模具中，对成型模具的中心轴线方向施加载力，带动锥形毛坯发生径向形变；
当径向变形到一定程度时，成形模具内外两侧对锥形毛坯的周壁进行耦合加压，最终成形出复杂曲母线整体结构环形件。
2.根据权利要求1所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，所述复杂曲母线整体结构环形件为钛合金薄壁环形件。
3.根据权利要求1所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，旋压成带底的锥形毛坯以后还需要切去锥形毛坯的飞边。
4.根据权利要求1所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，所述板料的厚度为所述复杂曲母线整体结构环形件厚度的1.5-2.5倍。
5.根据权利要求1所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，旋压前根据复杂曲母线整体结构环形件周壁不同区域的厚薄情况，设置不等壁厚的旋压参数。
6.根据权利要求5所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，所述旋压参数包括旋轮加载力、进给速度和进给量。
7.根据权利要求1所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，对圆形毛坯旋压前需对圆形毛坯进行高温加热处理。
8.根据权利要求7所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，所述高温加热处理的温度不低于650℃。
9.根据权利要求1所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，将锥形毛坯置于成形模具中以后对锥形毛坯进行高温加热处理并在整个加压中都需确保锥形毛坯处于高温状态。
10.根据权利要求9所述的一种复杂曲母线整体结构环形件的成形方法，其特征在于，所述锥形毛坯在整个加压过程中的温度保持在730℃-750℃之间。
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