CN116713385A - 超塑成形模具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超塑成形模具及其使用方法，该超塑成形模具包括第一模具和第二模具；第二模具与第一模具相对设置，且第二模具设有用于将零件毛坯成形为零件的型腔以及连通型腔和型腔外空间的排气孔；其中，第二模具分别设有与型腔相连通的第一通道和第二通道，第一通道设置于零件的有效区外，第一通道包括依次连通的进气管和进气槽，进气槽与型腔相连通。第一通道设置于零件的有效区外，第一通道通入至型腔内的惰性气体不会直接接触零件表面，进而避免零件形成裂纹；同时由于设有进气槽，惰性气体中的氧化皮和粉尘等杂质可以沉积在进气槽内，避免其进入型腔而使得零件表面产生凹坑缺陷。

Description

超塑成形模具及其使用方法

技术领域

本发明涉及钣金成形技术领域，更具体地说，涉及一种超塑成形模具，以及该超塑成形模具的使用方法。

背景技术

超塑成形(SPF)及超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术是一种低成本、高效益和近无余量的构件制造技术，所制造的结构件具有重量轻、结构完整性好等特点，在航空航天领域得到越来越多的应用。

钛合金超塑成形通常在较高的温度下进行，为减少零件表面氧化，目前的方法是使成形过程在真空中或惰性气体的保护中进行。在真空环境下进行超塑成形/扩散连接，需要专用的设备，且适用产品范围小，而惰性气体保护在一般的超塑成形机上即可实现，适用性更广。

在超塑成形模具上设计气孔，零件升温过程中，可以通过气孔向模具型腔内通入惰性气体，起到阻隔氧气的作用，减少零件表面氧化。在进行模具设计时，通常在模具型腔底部的圆角处设计排气孔，模具升温时，通过排气孔反向向模具型腔内通入惰性保护气体。该方法简单有效，但存在以下问题：

1.当模具型腔较浅时，惰性气体通过排气孔进入模具型腔将直吹零件表面，由于惰性气体中携带杂质气体等，易造成排气孔附近的材料氧化。当模具密封性较差时，通入模具型腔的惰性气体显著增加，排气孔附近的材料氧化严重，超塑成形时容易产生裂纹，影响产品表面质量和性能。

2.通入惰性气体时会将管路中及零件表面的氧化皮、粉尘等吹入模具型腔，超塑成形时零件变形在其表面相应位置形成凹坑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是惰性气体中携带的杂质气体易造成排气孔附近的材料氧化，进而形成裂纹，以及惰性气体中携带的杂质会影响零件的成形质量。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

第一方面，提供一种超塑成形模具，包括：第一模具和第二模具；所述第二模具与所述第一模具相对设置，且所述第二模具设有用于将零件毛坯成形为零件的型腔以及连通所述型腔和型腔外空间的排气孔；其中，所述第二模具分别设有与所述型腔相连通的第一通道和第二通道，所述第一通道设置于所述零件的有效区外，所述第一通道包括相互连通的进气管和进气槽，所述进气槽与所述型腔相连通。

优选地，所述第一通道还包括出气管，所述出气管连通所述进气槽与所述型腔。

优选地，所述进气槽的深度大于所述出气管的深度。

优选地，所述第一通道还包括第三通道，所述第三通道连通所述进气槽与所述出气管。

优选地，所述第三通道的宽度小于所述进气槽的宽度。

优选地，所述第一通道还包括第四通道，所述第四通道连通所述进气槽与所述进气管，且所述第四通道垂直于所述进气槽的底部。

优选地，所述第一通道与所述第二通道相对设置。

优选地，所述第一模具设有加压管道，所述加压管道与所述型腔相连通；或者，所述零件毛坯背离所述第二模具的一侧设有加压管道，所述加压管道与所述型腔相连通。

优选地，所述第一通道、所述第二通道以及所述加压管道上均设置有阀门。

第二方面，提供一种上述技术方案中任一种所述的超塑成形模具的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

将零件毛坯放入至所述第一模具与所述第二模具之间并合模形成超塑成形组件，装炉后开始加热，关闭所述第二通道，通过所述第一通道向所述型腔内通入0.02～0.06MPa的惰性气体；

将所述超塑成形组件加热至塑性成形温度，打开所述第二通道进行排气，往所述型腔内或零件毛坯内部充入高压惰性气体，所述零件毛坯进行超塑成形形成零件；

完成超塑成形后开始降温，关闭所述第一通道，通过所述第二通道向所述型腔内通入0.02～0.06MPa的惰性气体；

当所述超塑成形组件的温度降至预设温度以下后，关闭所述第二通道，取出所述零件。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案至少具有如下优点：

1、从第一通道或第二通道通入至型腔内的惰性气体可以在型腔内形成惰性气体环境，将零件表面与氧气隔绝开来，避免零件表面接触氧气被氧化，进而提升零件的成形质量。

2、由于第一通道设置于零件的有效区外，在零件加热和进行超塑成形的过程中，从第一通道通入至型腔内的惰性气体不会直吹零件的表面，可减少由于零件接触惰性气体中的杂质气体而产生的表面裂纹缺陷。

3、由于设置有进气槽，惰性气体通过进气槽时，其携带的氧化皮和粉尘等杂质会沉积在进气槽内，杂质不会进入至型腔内，进而减少由于杂质进入至型腔内所造成的零件表面成形缺陷，提高产品的质量，降低零件的报废率、降低后续打磨等工序的成本。

4、该超塑成形模具结构简单、易加工，成形过程操作方便、易于控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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是本发明实施例一提供的超塑成形模具的结构示意图。

图2是本发明实施例一提供的零件的结构示意图。

图3是本发明实施例二提供的超塑成形模具的结构示意图。

图4是本发明实施例二提供的零件的结构示意图。

图5是本发明实施例二提供的第一通道的结构示意图。

图中各附图标记为：

100、超塑成形模具；200、零件毛坯；300、零件；310、预设孔；

1、第一模具；2、第二模具；11、加压管道；21、型腔；22、排气孔；23、第一通道；24、第二通道；231、进气管；232、进气槽；233、出气管；234、第三通道；235、第四通道。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接位于另一个元件上或者间接位于另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接或间接连接至另一个元件。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性或指示技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种超塑成形模具100，包括第一模具1和第二模具2；第二模具2与第一模具1相对设置，且第二模具2设有用于将零件毛坯200成形为零件300的型腔21以及连通型腔21和型腔外空间的排气孔22；其中，第二模具2分别设有与型腔21相连通的第一通道23和第二通道24，第一通道23设置于零件300的有效区外，第一通道23包括相互连通的进气管231和进气槽232，进气槽232与型腔21相连通。

具体地，第一模具1和第二模具2扣合使得两者内部构成密封的型腔21，零件毛坯200放置于第一模具1与第二模具2之间，在零件毛坯200背离型腔21的一侧施加高压，可以使得零件毛坯200与型腔21的内壁面贴合，进而形成对应形状的零件300。在超塑成形之前的加热过程中，第一通道23用于通入惰性气体(惰性气体包括但不限于氦气、氩气等)，第二通道24用于排出惰性气体，以维持型腔21内惰性气体的气压恒定；在超塑成形完成后，第二通道24用于通入惰性气体，排气孔22用于排出惰性气体，以维持型腔21内惰性气体的气压恒定；排气孔22一般设置在型腔21的底部圆角处。从第一通道23通入至型腔21内的惰性气体或从第二通道24通入至型腔21内的惰性气体可以在型腔21内形成惰性气体的氛围，进而将零件毛坯200(或零件300)的表面与氧气隔绝，减少零件毛坯200(或零件300)表面的氧化，提升零件300的成形质量。

第一通道23设置于零件300的有效区外，需要说明地是，零件300的有效区是指型腔21中用于与零件毛坯200表面接触使得零件毛坯200成形为零件300的区域。例如：图2所示为实施例一的零件300的结构示意图，该零件300为采用超塑成形技术(SPF)成形的单层结构，该零件300上设有预设孔310。不难理解地，在如图1所示的超塑成形模具100中，将进气槽232设置于型腔21与所述预设孔310所对应的位置处(即零件300的有效区外)时，并不会影响零件300的成形，而且从此处通入至型腔21的惰性气体并不会直吹零件300，进而避免惰性气体中携带的杂质气体直接接触零件300的表面而形成裂纹。

进气管231用于与惰性气体源连接，惰性气体从进气管231通入至进气槽232中，惰性气体经过进气槽232时，其携带的氧化皮和粉尘等杂质等会沉积在进气槽232中，以防止杂质进入至型腔21内，避免在零件进行超塑成形时，杂质在零件表面相应的位置形成凹坑。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一通道23还包括第四通道235，第四通道235连通进气槽232与进气管231，且第四通道235垂直于进气槽232的底部。第四通道235垂直于进气槽232的底部，使得从第四通道235内吹出的惰性气体与重力方向相反，便于惰性气体中携带的杂质在重力作用下沉积于进气槽232内。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一通道23与第二通道24相对设置。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一模具1设有加压管道11，加压管道11与型腔21相连通。加压管道11与惰性气体源连接，用于通入高压的惰性气体，以使零件毛坯200超塑成形为对应形状的零件300，该高压的惰性气体的压强优选为1.5～2MPa。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一通道23、第二通道24以及加压管道11上均设置有阀门。阀门可以控制对应通道或管道的通断。

实施例二

如图3、图4和图5所示，基于实施例一，本实施例还提供一种超塑成形模具100，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例中的零件300的形状如图4所示，其为通过超塑成形/扩散连接技术(SPF/DB)成形的两层结构，其零件内部未设有孔洞，因此，在本实施例中，第一通道23优选设置于第二模具2上表面的一侧。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一通道23还包括出气管233，出气管233连通进气槽232与型腔21。出气管233设置于设置于第二模具2上表面的一侧，一端与型腔21连通。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，进气槽232的深度大于出气管233的深度。进气管231用于与惰性气体源连接，惰性气体从进气管231通入至进气槽232中，再经由出气管233通入至型腔21内。进气槽232的深度大于出气管233的深度，使得惰性气体经过进气槽232时，其携带的氧化皮和粉尘等杂质等会更容易沉积在进气槽232中，使得杂质的沉积位置与惰性气体气流的运动方向错开，以防止杂质再次被惰性气体气流吹入至出气管233中。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一通道23还包括第三通道234，第三通道234连通进气槽232与出气管233。第三通道234的宽度小于进气槽232的宽度。第三通道234的宽度较小，进而使得杂质更难进入至第三通道234内。

作为本实施例的其中一种可选实施方式，零件毛坯200背离第二模具2的一侧设有加压管道11，加压管道11与型腔21相连通。具体地，加压管道11可以焊接在零件毛坯200的对应位置，加压管道11的放置位置应当与出气管233的位置错开设置。加压管道11与惰性气体源连接，用于通入高压的惰性气体，以使零件毛坯200超塑成形为对应形状的零件300，该高压的惰性气体的压强优选为1.5～2MPa。

需要说明地是，进气槽232的位置不局限于上述两个实施例中所示的位置和形状，可根据零件结构自由调整。

本发明实施例还提供一种上述实施例中任一种超塑成形模具100的使用方法，该使用方法包括以下步骤：

将零件毛坯200放入至第一模具1与第二模具2之间并合模形成超塑成形组件，装炉后开始加热，关闭第二通道24，通过第一通道23向型腔21内通入0.02～0.06MPa的惰性气体；具体地，在本步骤中，首先对具有超塑性的零件毛坯200进行均匀加热，并使其温度保持在其超塑性变形温度范围内。

将超塑成形组件加热至塑性成形温度，打开第二通道24进行排气，排气孔22关闭，第一通道23打开进行排气或关闭均可，往零件毛坯200背离型腔21的一侧充入高压惰性气体，使零件毛坯200在第一模具1和第二模具2的约束下发生超塑性变形，并保证其应变速率满足零件毛坯200超塑性变形的要求，经胀形、贴模等变形阶段使零件毛坯200与型腔21的内壁面贴合，从而使得零件毛坯200进行超塑成形形成零件300；塑性成形温度由对应材料的自身特性所决定，例如零件毛坯200为TC4钛合金时，其塑性成形温度为860～930℃。

完成超塑成形后开始降温，关闭第一通道23，通过第二通道24向型腔21内通入0.02～0.06MPa的惰性气体；

当超塑成形组件的温度降至预设温度以下后，关闭第二通道24，取出零件300。预设温度也根据不同材料的特性进行确定，例如零件毛坯200为TC4钛合金时，预设温度优选为600℃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超塑成形模具，其特征在于，包括：

第一模具；

第二模具，所述第二模具与所述第一模具相对设置，且所述第二模具设有用于将零件毛坯成形为零件的型腔以及连通所述型腔和型腔外空间的排气孔；

其中，所述第二模具分别设有与所述型腔相连通的第一通道和第二通道，所述第一通道设置于所述零件的有效区外，所述第一通道包括相互连通的进气管和进气槽，所述进气槽与所述型腔相连通。

2.如权利要求1所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第一通道还包括出气管，所述出气管连通所述进气槽与所述型腔。

3.如权利要求2所述的超塑成形模具，其特征在于，所述进气槽的深度大于所述出气管的深度。

4.如权利要求2所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第一通道还包括第三通道，所述第三通道连通所述进气槽与所述出气管。

5.如权利要求4所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第三通道的宽度小于所述进气槽的宽度。

6.如权利要求1所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第一通道还包括第四通道，所述第四通道连通所述进气槽与所述进气管，且所述第四通道垂直于所述进气槽的底部。

7.如权利要求1所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第一通道与所述第二通道相对设置。

8.如权利要求1所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第一模具设有加压管道，所述加压管道与所述型腔相连通；

或者，所述零件毛坯背离所述第二模具的一侧设有加压管道，所述加压管道与所述型腔相连通。

9.如权利要求8所述的超塑成形模具，其特征在于，所述第一通道、所述第二通道以及所述加压管道上均设置有阀门。

10.如权利要求1-9任一项所述的超塑成形模具的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将零件毛坯放入至所述第一模具与所述第二模具之间并合模形成超塑成形组件，装炉后开始加热，关闭所述第二通道，通过所述第一通道向所述型腔内通入0.02～0.06MPa的惰性气体；

将所述超塑成形组件加热至塑性成形温度，打开所述第二通道进行排气，往所述型腔内或零件毛坯内部充入高压惰性气体，所述零件毛坯进行超塑成形形成零件；

完成超塑成形后开始降温，关闭所述第一通道，通过所述第二通道向所述型腔内通入0.02～0.06MPa的惰性气体；

当所述超塑成形组件的温度降至预设温度以下后，关闭所述第二通道，取出所述零件。