CN116833291A - 一种钛合金回转体零件热成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机零部件加工领域，具体是一种钛合金回转体零件热成形装置，包括固定设置的凸模、与凸模同轴设置的套设在凸模外的可升降的下模、设置在下模上方可升降的上模，上模的内型面与凸模的外型面配合对待拉伸半成品进行拉伸成型，上模和下模对接固定待拉伸半成品，上模的内型面包括上部的7形的圆弧成型面及下部的筒体成型面，圆弧成型面与筒体成型面之间设环形槽，上模顶部设对待拉伸半成品上端进行导向的导向孔；同时，针对钛合金回转体零件热成形加工，本专利还提出了特殊的板料切割方式以及低温成型高温取件的脱模工艺，解决了现有技术存在的钛合金7形回转体成型过程中不易脱模且脱模过程中圆度无法保证的技术问题。

Description

一种钛合金回转体零件热成形装置

技术领域

本发明涉及发动机零部件加工领域，具体是一种钛合金回转体零件热成形装置。

背景技术

钛合金是一种低密度高强度并且耐高温材料，目前已广泛用于航空航天产品上，其中典型材料牌号有TA1、TA15、TC1、TC4等材料。由于钛合金的材料特性使得它钣金成形时必须在达到特定牌号材料的蠕变温度下才可成形(例：TC1材料蠕变温度为680℃-720℃)，这就导致钛合金产品加工难度大，高温模具设计和产品加工都需要长久的经验积累，而如何加工钛合金7形回转体零件正是钛合金产品加工技术领域的一大难题。

钛合金7形回转体零件是指直筒或类似直筒(不含闭角)零件一端由R角过度至圆环平面的产品，母线中直筒线与平面线比例过大无法采用平面拉伸的方式成形，发动机装配件隔热套后环就是典型的钛合金7形回转体零件中的一种，隔热套后环的结构如图1所示，包括圆筒状的下段与圆弧状的上段，针对这样形状的零件，传统加工方案主要是如下两种：

方案一：设计热胀形模具，采用热胀形方式加工，强行将上平面胀出来或在高温胀形时在胀形模具和零件上增加圆环形平面，对待加工零件上平面施加压力，将上平面压制成型。

此方案的不足显而易见：1、只能加工平面段较小的零件，局限性大、产品质量差；2、操作危险性高；3、因为每次拉伸加工后，需要等待热成型炉大幅度降温，才可取件，因此无法在保证窑炉高温的情况下进行连续化加工，即无法进行一炉多件产品加工，使得加工成本高。

方案二：将零件分解成上段和下段两个零件，一条纵焊缝和一条环焊缝将上段和下段组合成一体，加工时需要三套模具，一套拉伸模具、一套胀形模具和一套焊后校形模具，此方案的优点为加工范围广、产品质量好，缺点为模具成本高、加工周期非常长、多次升温成本高昂并且无法实现一炉多件产品加工。

零件加工时多采用热成形的加工方式，热成形技术早期主要是针对高强钢板而开发的，其工艺过程为：首先将常温下强度为500～600MPa的高强钢板加热，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成型，最后快速冷却，将奥氏体转变为马氏体，使冲压件得到硬化，大幅度提高强度、安全性。现将热成形技术应用在隔热套后环的成型加工中，一般是先将板料焊接成锥形的待拉伸半成品，一般是通过下部向上凹陷的、且上顶壁开设有导向孔的上模与凸模配合，将待加工零件拉伸为隔热套后环毛坯件，然后再将毛坯件修理为隔热套后环成品，根据实际试验和加工过程总结出以下问题：

1、由于零件材料为钛合金材料，材料刚性强，钛合金7形回转体零件焊接后无法保证圆度，零件冷状态回弹严重无法人工校圆，成形时由于炉内温度过高并且零件圆度无法保证，此时将零件放入模具内后无法使零件上端契合入上模导向孔，容易与上模内平面发生干涉使零件报废并且损坏模具，若采用下料时将锥筒上口减小则会增大材料延展，超出材料延展率导致焊缝甚至母材开裂；

2、钛合金7形回转体零件拉伸成形后由于零件下段侧面与水平面呈90°或接近90°，打开模具时零件会贴实上模，由于炉内高温且零件为圆柱形，人工取件无法均匀用力会导致零件与上模卡死无法取下零件，同时，无法在热状态下取下零件，导致无法实现一炉多件。

3、模具设计时应尽量减少上模圆柱面与圆筒件的接触面积，上模圆柱面与钛合金7形回转体零件接触面积越大则零件越难以脱模。

因此，提供一款即可以保证钛合金7形回转体圆度，加工后零件易脱模的钛合金回转体零件热成形装置是行业内待解决的技术问题。

发明内容

本发明意在提供一种钛合金回转体零件热成形装置，主要用于解决现有技术存在的钛合金7形回转体成型过程中不易脱模且脱模过程中圆度无法保证的技术问题；其次解决现有技术存在的钛合金7形回转体成型过程中不可进行一炉多件产品加工的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种钛合金回转体零件热成形装置，包括固定设置的凸模、与凸模同轴设置的套设在凸模外的可升降的下模、设置在下模上方可升降的上模，上模的内型面与凸模的外型面配合对待拉伸半成品进行拉伸成型，上模和下模对接固定待拉伸半成品，上模的内型面包括上部的7形的圆弧成型面及下部的筒体成型面，圆弧成型面与筒体成型面之间设环形槽，上模顶部设对待拉伸半成品上端进行导向的导向孔。

本发明的工作原理及有益效果：

1.工作原理：对待拉伸半成品进行热成形加工，将下模与上模共同升起，然后上模独立升起脱离下模，将待拉伸半成品大口端的压边放置在下模上表面，然后控制上模落下与下模贴合压住待拉伸半成品大口端的压边，完成待拉伸半成品的固定；控制上模与下模共同下压，下压的过程中凸模嵌入上模内型面，凸模将待拉伸半成品小口端冲压为7形圆弧面，将待拉伸半成品拉伸成型为隔热套后环毛坯件；然后升起上、下模，将隔热套后环毛坯件由凸模上取下；将隔热套后环毛坯件切割修理，形成隔热套后环。在拉伸的过程中，隔热套后环毛坯件会因为冲压的原因有一定几率卡在凹模的内壁，当上模内壁设置环形槽后，减小了上模内壁与隔热套后环毛坯件的接触面积，同时，上模的内型面包括7形圆弧成型面，将待拉伸半成品的上部加工为“7”形圆弧面，还包括筒体成型面，保证拉伸过程中待拉伸半成品与凸模配合，从而保证隔热套后环毛坯件筒体的圆度。

2.有益效果：

1.本专利通过上模与凸模的配合，进行隔热套后环的拉伸处理，保证了热成形后隔热套后环的圆度；

2.在上模内壁设置环形槽，以减小上模内壁与隔热套后环毛坯件的接触面积，使得隔热套后环毛坯件更容易与上模分离；

综上，本专利的技术方案解决了现有技术存在的钛合金7形回转体成型过程中不易脱模且脱模过程中圆度无法保证的技术问题。

优选的，所述上模包括凹模与压边圈，凹模内型面由上至下包括圆弧成型面与环形槽，压边圈的内型面为筒体成型面，所述压边圈螺钉固定在凹模下表面。

优选的，所述下模中空且开口朝上，下模的底壁中部开设有通孔，所述凸模贯穿所述通孔且与通孔间隙配合，所述下柱体底部固定有底座，底座位于下模下方。

优选的，所述通孔直径小于下模侧壁的内径，所述凸模包括与下模间隙配合的上柱体，上柱体底部同轴固定连接有下柱体，下柱体穿过通孔且与所述通孔间隙配合。下模上下运动的过程中，相对于凸模上下滑动，其中，因为通孔内径小于下模侧壁内径，因此可以推断出上柱体的直径大于下柱体的直径，当下模向上运动时，下模的底壁与下柱体下表面贴合，则不会进一步向上运动，当下模向下运动时，下模的底壁下侧贴合底座上表面，则不会进一步向下运动，综上，底座以及凸模的结构设计可以对下模的运动轨迹进行限位，使得下模始终与凸模扣合，在上下模对齐的情况下，凸模也与上模中空部对齐，便于对待拉伸半成品进行加工。

优选的，所述底座5底部开设有液缸孔，底座下方安装有带动下模整体上下运动的第一液缸，第一液缸的输出端穿过液缸孔并固定连接在环形板下表面；所述上模顶面固定连接有带动上模整体上下运动的第二液缸。控制第一液缸与第二液缸伸缩，将上、下模分开与压紧，用于固定待拉伸半成品；控制第一液缸与第二液缸伸缩，控制上、下模整体上下移动，促使凸模将待拉伸半成品拉伸成型为隔热套后环毛坯件。

优选的，一种钛合金回转体零件热成形的方法，包括如下步骤：

S1：领取板料，将板料上下缘的非产品区域切割成均匀n等分分瓣；

S2：将板料焊接为锥筒形待拉伸半成品，然后由人工将小口端的n等分分瓣向内弯折使零件形成一个内径较小的导向端，将大口端的n等分分瓣向外翻形成压边，压边垂直于待拉伸半成品的轴线；

S3：对待拉伸半成品进行热成形加工，将待拉伸半成品与模具共同升温到670℃-700℃，将下模与上模共同升起，然后上模独立升起脱离下模，将待拉伸半成品大口端的压边放置在下模上表面，然后控制上模落下与下模贴合压住待拉伸半成品大口端的压边，完成待拉伸半成品的固定；控制上模与下模共同下压，下压的过程中凸模嵌入上模内型面，将待拉伸半成品拉伸成型为隔热套后环毛坯件；拉伸加工完成后，第二液缸上移，带动上模下模共同升起，将隔热套后环毛坯件由凸模1上脱模，然后第一液缸继续上升，使得上、下模分离；

S4：上模与隔热套后环毛坯件因为冲压而卡紧，隔热套后环毛坯件若随着上模一同升起，将上模与隔热套后环毛坯件一同升温至720℃-750℃，因为上模与隔热套后环毛坯件热膨胀系数不同，使得上模与隔热套后环毛坯件之间的间隙增大，隔热套后环毛坯件自然掉落；

S5：将隔热套后环毛坯件非产品区域修理后形成隔热套后环。

本发明的有益效果：

1.将板料的下缘切割出压边，作用在于配合钛合金回转体零件热成形装置，上模下模合模压住压边，对待拉伸半成品进行定位；

2.板料焊接后，整个待拉伸半成品的圆度会受到影响，将板料的上缘切割出分瓣，作用在于使待拉伸半成品上端上端能够纫到上模的导向孔里面，保证待拉伸半成品小口端能够被上模的圆弧成型面整齐压制，而不会存在因为卷曲而压废的情况；

3.相比起传统的加工工艺，本专利所述的热成型加工工艺配合钛合金回转体零件热成形装置，无需将热成型炉大幅度降温，便可控制上、下模将隔热套后环毛坯件由凸模上取下，然后分离上、下模，若隔热套后环毛坯件卡在上模内，则采用低温成型高温取件的方式来脱模，因为钛合金回转体零件热成形装置与隔热套后环材料不同，二者的膨胀系数存在差异(隔热套后环热膨胀系数：钛合金回转体零件热成形装置热膨胀系数＝0.9965)，所以先将炉内温度升至670℃-700℃，即为钛合金的蠕变温度，针对隔热套后环进行成型加工，上模升起后，再将炉内温度升至720℃-750℃，使得上模与隔热套后环毛坯件的间隙增大，使得二者更易分离；整个加工过程中，可以保证热成型炉的温度，避免大幅度升降炉温从而造成时间与能量的浪费，实现了传统工艺无法实现的一炉多件产品加工，解决了现有技术存在的钛合金7形回转体成型过程中不可进行一炉多件产品加工的技术问题。

优选的，所述步骤S3中，对待拉伸半成品进行热成形加工之前，在钛合金回转体零件热成形装置内型面均匀涂抹石墨水剂，在待拉伸半成品表面涂抹钛合金保护涂料后再均匀涂抹石墨水剂。

优选的，所述步骤s5中，隔热套后环毛坯件的修理方式为：将隔热套后环毛坯件大口端压边与小口端分瓣按照加工要求激光切割，形成隔热套后环。

优选的，所述步骤s1中，在板料焊接前，使用三轴锥滚滚圆待拉伸半成品，使得待拉伸半成品两端的间隙不大于0.3mm。滚圆后便于板料的焊接。

优选的，所述步骤s1中，在焊接前需对焊丝及待拉伸半成品待焊接区域20mm范围内的氧化皮进行抛光，再使用丙酮擦拭抛光区域直至抛光处无污染物。

优选的，所述步骤s1中，激光切割前在板料表面刷上润滑油。润滑油用于保护零件表面，防止被激光飞溅物烧伤。

优选的，所述步骤s1中，激光切割后对待拉伸半成品表面进行抛修，去除待拉伸半成品的重熔层和边缘毛刺，修磨至呈金属光泽。

附图说明

图1为本发明的钛合金回转体零件的结构示意图；

图2为本发明的钛合金回转体零件热成形装置的结构示意图；

图3为本发明的钛合金回转体零件热成形装置的结构示意图；

图4为本发明的钛合金回转体零件热成形装置的正视图；

图5为本发明的钛合金回转体零件热成形装置的图3的A-A剖面图；

图6为本发明的钛合金回转体零件热成形装置的图4的B处放大图；

图7为本发明的焊接前板料结构图；

图8为本发明的板料焊接为待拉伸半成品结构图；

图9为本发明的压边弯折后待拉伸半成品俯视图。

说明书附图中的附图标记包括：凸模1、凹模2、压边圈3、下模4、底座5、液缸孔51、内六角柱头螺钉6、圆弧成型面7、筒体成型面8、环形槽9、上段10、下段11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

钛合金回转体零件热成形装置结构如2-4图所示，包括底座5，底座5固定安装在用于固定钛合金回转体零件热成形装置的机架上，即底座5的位置绝对固定，所述底座5上同轴放置有圆筒形的下模4，下模4上同轴放置有圆筒形的上模，上模与下模4内滑动连接有凸模1，凸模1底部与底座5通过螺钉固定连接；

所述上模包括筒体成型面8，筒体成型面8上方设有圆弧成型面7，圆弧成型面7与筒体成型面8之间设有环形槽9；圆弧成型面7最大内径与筒体成型面8内径一致，共同保证隔热套后环成品圆筒状的下段的圆度，环形槽9内径大于筒体成型面8的内径，使得隔热套后环在成型过程中，与上模的接触存在避空，更利于隔热套后环成品与上模脱模；上模顶部中部开设有导向孔，导向孔内径小于筒体成型面8内径，保证待加工半成品的导向端纫到上模的导向孔里面，保证待拉伸半成品小口端能够被上模的圆弧成型面整齐压制，而不会存在因为卷曲而压废的情况；

所述下模4中空且开口朝上，底壁中部开设有通孔，且通孔直径小于下模4的内径；所述凸模1包括与下模4中空部间隙配合的上柱体，上柱体底部同轴一体成型有下柱体，下柱体插入通孔且与所述通孔间隙配合，下柱体底部与底座5螺钉固定，当下模4上下运动时，通孔套设在下柱体外表面上下运动，即下模4的行程范围等于下柱体的长度。

下模4的运动受第一液缸驱动，上模的运动受第二液缸的驱动(第一液缸、第二液缸未在附图中画出)。所述底座5底部开设有供第一液压顶杆通过的液缸孔，第一液缸顶杆端部穿过液缸孔并螺栓固定在环形板下表面，第一液缸带动下模4整体向上运动；所述上模顶面螺栓连接有第二液缸，第二液缸的顶杆端部固定在上模顶面，第二液缸的缸体固定在用于固定钛合金回转体零件热成形装置的机架上。

钛合金回转体零件的加工过程如下：

1.领取板料，在板料表面刷上润滑油，将板料按照加工要求在上缘与下缘的非产品区域激光切割一排止裂孔，再由板料上缘、下缘激光切割出若干与止裂孔联通的U形槽，激光切割后对板料表面进行抛修，去除板料表面的重熔层和边缘毛刺，修磨至呈金属光泽，然后使用三轴锥滚滚圆待拉伸半成品，使得两个板料两端对齐后的间隙不大于0.3mm；

2.对焊丝及板料焊接区域20mm范围内的氧化皮进行抛光，再使用丙酮擦拭抛光区域直至抛光处无污染物，最后将两个板料焊接为锥筒形待拉伸半成品，然后由人工将小口端相邻止裂孔之间的板料向内弯折使零件上端形成一个内径较小的导向端，将大口端相邻止裂孔之间的板料向外翻形成压边，压边垂直于待拉伸半成品的轴线；

2.煤油渗漏测试：在焊缝周围涂抹白垩粉，并在焊缝周围开设煤油槽，然后在煤油槽内倒入煤油，观察白垩粉上是否有红色油渍，若存在红色油渍，则重新焊接；

3.在钛合金回转体零件热成形装置内型面均匀涂抹石墨水剂，将通过煤油渗漏测试的焊接成锥筒形的待拉伸半成品外表面先涂抹钛合金保护涂料，再均匀涂抹石墨水剂；

4.使用钛合金回转体零件热成形装置对待拉伸半成品进行热成形加工：将待拉伸半成品与模具共同升温到690℃，控制第二液缸与第一液缸伸缩，将下模4与上模升起，然后上模独立升起脱离下模4，将待拉伸半成品的下缘的压边放置在下模4上表面，控制第二液缸下压，上模落下与下模4贴合压住待拉伸半成品大口端的压边，同时，下移上模的过程中，应该要注意调整待拉伸半成品位置，以确保上模压住下缘的压边后，待拉伸半成品的导向端伸出导向孔；接着控制第一液缸下压，第二油缸的力大于第一油缸，第一油缸被迫被压缩，将上模与下模4共同下压，直至下模4底壁贴紧底座5上表面，下压的过程中凸模1伸入上模中空部，将待拉伸半成品拉伸成型为隔热套后环毛坯件；拉伸加工完成后，第二液缸上移，带动上模下模共同升起，将隔热套后环毛坯件由凸模1上脱模，然后第一液缸继续上升，使得上、下模分离；

5.上模与隔热套后环毛坯件因为冲压而卡紧，隔热套后环毛坯件随着上模一同升起，将上模与隔热套后环毛坯件一同升温至730℃，因为上模与隔热套后环毛坯件热膨胀系数不同(隔热套后环热膨胀系数：钛合金回转体零件热成形装置热膨胀系数＝0.9965)，使得上模与隔热套后环毛坯件之间的间隙增大，隔热套后环毛坯件自然掉落；

6.清洗去除隔热套后环表面的涂料；

7.将隔热套后环毛坯件大口端压边与小口端分瓣按照加工要求激光切割，形成隔热套后环，并手工去除切割后形成的重熔层和毛刺，直至隔热套后环表面呈现金属光泽。

实施例2

与实施例1不同的地方在与，所述上模由凹模2与压边圈4组成，凹模内型面上端为圆弧成型面7，圆弧成型面7下方为环形槽9，所述凹模2下端通过螺钉固定好有压边圈3，即压边圈3将环形槽9下方开口封闭，所述压边圈3内壁为筒体成型面8，压边圈3的筒体成型面8与圆弧成型面7共同与凸模1配合加工隔热套后环的同时，共同限定隔热套后环圆筒状的下段直径，保证隔热套后环周面的圆度。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种钛合金回转体零件热成形装置，其特征在于：包括固定设置的凸模、与凸模同轴设置的套设在凸模外的可升降的下模、设置在下模上方可升降的上模，上模的内型面与凸模的外型面配合对待拉伸半成品进行拉伸成型，上模和下模对接固定待拉伸半成品，上模的内型面包括上部的7形的圆弧成型面及下部的筒体成型面，圆弧成型面与筒体成型面之间设环形槽，上模顶部设对待拉伸半成品上端进行导向的导向孔。

2.根据权利要求1所述的钛合金回转体零件热成形装置，其特征在于：所述上模包括凹模与压边圈，凹模内型面由上至下包括圆弧成型面与环形槽，压边圈的内型面为筒体成型面，所述压边圈螺钉固定在凹模下表面。

3.根据权利要求1所述的钛合金回转体零件热成形装置，其特征在于：所述下模中空且开口朝上，下模的底壁中部开设有通孔，所述凸模贯穿所述通孔且与通孔间隙配合，所述下柱体底部固定有底座，底座位于下模下方。

4.根据权利要求3所述的钛合金回转体零件热成形装置，其特征在于：所述通孔直径小于下模侧壁的内径，所述凸模包括与下模间隙配合的上柱体，上柱体底部同轴固定连接有下柱体，下柱体穿过通孔且与所述通孔间隙配合。

5.根据权利要求4所述的钛合金回转体零件热成形装置，其特征在于：所述底座5底部开设有液缸孔，底座下方安装有带动下模整体上下运动的第一液缸，第一液缸的输出端穿过液缸孔并固定连接在环形板下表面；所述上模顶面固定连接有带动上模整体上下运动的第二液缸。

6.根据权利要求1所述的一种钛合金回转体零件热成形的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：领取板料，将板料上下缘的非产品区域切割成均匀n等分分瓣；

S2：将板料焊接为锥筒形待拉伸半成品，然后由人工将n等分分瓣向内弯折使零件小口端形成一个内径较小的导向端，将大口端相邻止裂孔之间的板料向外翻形成压边，压边垂直于待拉伸半成品的轴线；

S3：对待拉伸半成品进行热成形加工，将待拉伸半成品与模具共同升温到670℃-700℃，将下模与上模共同升起，然后上模独立升起脱离下模，将待拉伸半成品大口端的压边放置在下模上表面，然后控制上模落下与下模贴合压住待拉伸半成品大口端的压边，完成待拉伸半成品的固定；控制上模与下模共同下压，下压的过程中凸模嵌入上模内型面，将待拉伸半成品拉伸成型为隔热套后环毛坯件；拉伸加工完成后，第二液缸上移，带动上模下模共同升起，将隔热套后环毛坯件由凸模1上脱模，然后第一液缸继续上升，使得上、下模分离；

S4：上模与隔热套后环毛坯件因为冲压而卡紧，隔热套后环毛坯件若随着上模一同升起，将上模与隔热套后环毛坯件一同升温至720℃-750℃，因为上模与隔热套后环毛坯件热膨胀系数不同，使得上模与隔热套后环毛坯件之间的间隙增大，隔热套后环毛坯件自然掉落；

S5：将隔热套后环毛坯件非产品区域修理后形成隔热套后环。

7.根据权利要求6所述的钛合金回转体零件热成形的方法，其特征在于：所述步骤S3中，对待拉伸半成品进行热成形加工之前，在钛合金回转体零件热成形装置内型面均匀涂抹石墨水剂，在待拉伸半成品表面涂抹钛合金保护涂料后再均匀涂抹石墨水剂。

8.根据权利要求6所述的钛合金回转体零件热成形的方法，其特征在于：所述步骤s5中，隔热套后环毛坯件的修理方式为：将隔热套后环毛坯件大口端压边与小口端分瓣按照加工要求激光切割，形成隔热套后环。

9.根据权利要求6所述的钛合金回转体零件热成形的方法，其特征在于：所述步骤s1中，在板料焊接前，使用三轴锥滚滚圆待拉伸半成品，使得待拉伸半成品两端的间隙不大于0.3mm。

10.根据权利要求6所述的钛合金回转体零件热成形的方法，其特征在于：所述步骤s1中，在焊接前需对焊丝及待拉伸半成品待焊接区域20mm范围内的氧化皮进行抛光，再使用丙酮擦拭抛光区域直至抛光处无污染物。