大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，適用于航空航天用鈦合金等金屬材料精密成形，屬于鈑金及熱加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超塑成形/擴(kuò)散連接是二十世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的以一種整體結(jié)構(gòu)成形的工藝技術(shù)，即SPF/DB技術(shù)，它是利用具有特定顯微組織鈦合金，在適當(dāng)?shù)臏囟燃皦毫ο?，具有較大的材料延伸率和良好的擴(kuò)散性能的特點(diǎn)，成形整體空心結(jié)構(gòu)?？杀荛_(kāi)鈦合金機(jī)械加工的缺點(diǎn)，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，減重效果明顯；提高結(jié)構(gòu)完整性，增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度。在過(guò)去，航空航天產(chǎn)品零部件多采用鋁合金機(jī)加結(jié)構(gòu)或鈦合金骨架蒙皮焊接結(jié)構(gòu)，具有加工周期長(zhǎng)、材料利用率低、制造成本高、產(chǎn)品平均密度大等特點(diǎn)。當(dāng)前，航空航天產(chǎn)品零部件正向輕量化、復(fù)雜化及整體化方向發(fā)展，由于SPF/DB組合工藝技術(shù)具有優(yōu)良的成形工藝特性，以美國(guó)為代表的國(guó)家正在大力推行該項(xiàng)技術(shù)在航空軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，取得了顯著的應(yīng)用效果。
[0003]相比較于傳統(tǒng)的蒙皮骨架焊接或鉚接的制造方式，鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)工藝使飛行器結(jié)構(gòu)具有重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、成形性好、構(gòu)件尺寸精度高，可設(shè)計(jì)性高，有利于減重增航、大幅提升武器性能等特點(diǎn)，是解決導(dǎo)彈性能要求高、重量要求嚴(yán)的有效途徑。鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)最常見(jiàn)的應(yīng)用是用于平板外形以及小曲率的曲面外形夾層零件。
[0004]對(duì)于大曲率復(fù)雜型面的成形，普通熱沖壓方法成形時(shí)，對(duì)成形設(shè)備和模具要求增加頂出壓緊裝置，從而提高了生產(chǎn)難度、增加了生產(chǎn)成本。
[0005]本發(fā)明所稱(chēng)“大曲率”其含義是指:曲率半徑不大于400mm ;曲線上某處的曲率反映的是曲線的彎曲程度，曲率和曲率半徑成反比；曲率越大曲率半徑越小，說(shuō)明曲線彎曲的程度越高，鈑金成形時(shí)零件起皺破裂的風(fēng)險(xiǎn)越大，成形越困難。本發(fā)明最適用于曲率半徑10mm?400mm的鈑金零件成形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明公開(kāi)一種大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，通過(guò)一套模具來(lái)完成。針對(duì)普通熱沖壓方法成形的缺點(diǎn)，旨在提出一種加工出的零件質(zhì)量可控性和穩(wěn)定性好，通用性強(qiáng)，加工合格率高的方法，有效地保證航空航天用大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008](I)坯料鈑金預(yù)成形
[0009]根據(jù)最終成形零件的外形尺寸計(jì)算零件的展開(kāi)尺寸，在零件易起皺區(qū)域?qū)Π宀呐髁线M(jìn)行預(yù)先切除多余料處理，使無(wú)壓邊成形后能得到表面無(wú)褶皺的板材坯料，并預(yù)留后續(xù)焊接工序合理間隙，兩端預(yù)留定位面；將模具放入熱成形機(jī)升溫，將內(nèi)、外層板材坯料分別放入模具成形，成形后對(duì)內(nèi)、外層板材坯料分別焊接，再同時(shí)放入模具熱校形；
[0010](2)毛坯件裝配及焊接
[0011]將步驟(I)所得內(nèi)、外層板坯料進(jìn)行表面處理，然后按照雙層結(jié)構(gòu)要求，對(duì)內(nèi)層板材坯料的外表面進(jìn)行止焊劑圖形涂敷，合裝外層板材坯料得雙層結(jié)構(gòu)毛坯件，由兩端預(yù)留定位面定位固定，對(duì)雙層結(jié)構(gòu)毛坯件的端面進(jìn)行封焊，在預(yù)留好的進(jìn)氣道口位置處焊接進(jìn)氣管；
[0012](3)超塑成形/擴(kuò)散連接
[0013]將模具放入熱成形機(jī)升溫，將封焊完成后的雙層結(jié)構(gòu)毛坯件放入模具，由模具兩端定位銷(xiāo)及定位槽定位，在模具合模壓力及氣壓共同作用下進(jìn)行擴(kuò)散連接/超塑成形；成形完畢后進(jìn)行表面處理并切割到要求尺寸。
[0014]在上述方案的基礎(chǔ)上，
[0015]步驟(I)中，將模具放入熱成形機(jī)升溫到800?820°C時(shí)，放入坯料完成零件的熱成形；
[0016]步驟(2)中，毛坯件裝配定位由兩端預(yù)留定位面保證；
[0017]步驟(3)中，將模具放入熱成形機(jī)升溫到920?950°C時(shí)，放入毛坯進(jìn)行超塑成形/擴(kuò)散連接；
[0018]在無(wú)任何壓邊力的作用下，通過(guò)同一套工裝完成了大曲率鈦合金板材的預(yù)成形及超塑成形/擴(kuò)散連接，在多次成形過(guò)程中，在步驟(3)中，使用模具下模一端的槽口及另一端的定位銷(xiāo)定位，保證了型面的定位精度。
[0019]本發(fā)明為降低工藝難度和復(fù)雜性，通過(guò)合理計(jì)算零件展開(kāi)尺寸，改進(jìn)鈑金成形方法，創(chuàng)新性地在沒(méi)有壓邊力的幫助下，完成了大曲率復(fù)雜型面零件的一次熱成形，克服了零件的起皺失穩(wěn)現(xiàn)象，降低了工裝的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。在分別完成了兩層板材的預(yù)成型后，對(duì)內(nèi)層板材進(jìn)行止焊劑涂覆，然后合裝內(nèi)外板材并對(duì)端面進(jìn)行封焊，在預(yù)留好的進(jìn)氣道口位置處焊接進(jìn)氣管。將其放入模具，完成零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形。
[0020]本發(fā)明的大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，可以實(shí)現(xiàn)大曲率雙層結(jié)構(gòu)零件的制備。相比較傳統(tǒng)制造工藝，采用該工藝方法制造的零件具有結(jié)構(gòu)重量更輕，比強(qiáng)度和比剛度高、成形性好、構(gòu)件尺寸精度高，可設(shè)計(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)。
[0021]本發(fā)明板材的預(yù)成型及超塑成形/擴(kuò)散連接成形通過(guò)同一套工裝來(lái)完成，由于精確計(jì)算了零件的展開(kāi)尺寸，在零件起皺區(qū)域進(jìn)行了預(yù)先切除多余料處理，并預(yù)留了定位面，在預(yù)成形完成后再整體焊接并進(jìn)行熱校形。并利用同一套工裝進(jìn)行超塑成形/擴(kuò)散連接成形。通過(guò)改進(jìn)成形工藝方法，降低了工裝的設(shè)計(jì)制造難度，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1、大曲率復(fù)雜鈦合金零件典型零件外形示意圖；
[0023]圖2、零件展開(kāi)尺寸示意圖；
[0024]圖3、預(yù)成形及超塑成形/擴(kuò)散連接成形工裝總體結(jié)構(gòu)示意圖
[0025]圖中標(biāo)記表示:I上模，2定位銷(xiāo)，3下模
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面，結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0027]該鈦合金零件為一種典型結(jié)構(gòu)大曲率雙層結(jié)構(gòu)零件，其形狀尺寸如下圖1所示，外層為2mm厚鈦板，內(nèi)層為Imm厚鈦板。
[0028](I)鈑金預(yù)成形
[0029]根據(jù)最終成形零件的外形尺寸計(jì)算下料尺寸，在易起摺部位合理去除板材多余料，如下圖2所示，使無(wú)壓邊成形后能得到表面無(wú)褶皺的坯料，并預(yù)留后續(xù)焊接工序合理間隙，預(yù)留兩端定位面；將模具如下圖3放入熱成形機(jī)升溫到800?820°C，將內(nèi)、外層板材分別放入模具成形，使用下模(3) —端的槽口及另一端的定位銷(xiāo)(2)定位，保證了型面的定位精度。如圖3所示，成形后內(nèi)、外板材分別焊接成一體，再同時(shí)放入模具熱校形。
[0030](2)超塑成形/擴(kuò)散連接用毛坯件裝配及焊接
[0031]將內(nèi)、外層板進(jìn)行表面處理，然后按照雙層結(jié)構(gòu)要求對(duì)內(nèi)層板材的外表面進(jìn)行止焊劑圖形涂敷，合裝外層板材坯料得雙層結(jié)構(gòu)毛坯件，由兩端面預(yù)留定位面定位固定，對(duì)雙層結(jié)構(gòu)毛坯件的端面進(jìn)行封焊，在預(yù)留好的進(jìn)氣道口位置處焊接進(jìn)氣管；
[0032]3.超塑成形/擴(kuò)散連接
[0033]將模具放入熱成形機(jī)升溫到920?950°C后，將封焊完成后的雙層結(jié)構(gòu)毛坯放入模具，由模具兩端定位銷(xiāo)及定位槽定位，在模具合模壓力及氣壓共同作用下進(jìn)行擴(kuò)散連接/超塑成形。
[0034]成形完畢后進(jìn)行表面處理并切割到要求尺寸。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的較佳可行實(shí)施例，并非因此局限本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，故凡是運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效變化，均包含于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，包括如下步驟: (1)坯料鈑金預(yù)成形 根據(jù)最終成形零件的外形尺寸計(jì)算零件的展開(kāi)尺寸，在零件易起皺區(qū)域?qū)Π宀呐髁线M(jìn)行預(yù)先切除多余料處理，并預(yù)留后續(xù)焊接工序合理間隙，兩端預(yù)留定位面；將模具放入熱成形機(jī)升溫，將內(nèi)、外層板材坯料分別放入模具成形，成形后對(duì)內(nèi)、外層板材坯料分別焊接，再同時(shí)放入模具熱校形； (2)毛坯件裝配及焊接 將步驟(I)熱校形所得內(nèi)、外層板坯料進(jìn)行表面處理，然后按照雙層結(jié)構(gòu)要求，對(duì)內(nèi)層板材坯料的外表面進(jìn)行止焊劑圖形涂敷，合裝外層板材坯料得雙層結(jié)構(gòu)毛坯件，由兩端預(yù)留定位面定位固定，對(duì)雙層結(jié)構(gòu)毛坯件的端面進(jìn)行封焊； (3)超塑成形/擴(kuò)散連接 將模具放入熱成形機(jī)升溫，將封焊完成后的雙層結(jié)構(gòu)毛坯件放入模具，由模具兩端定位銷(xiāo)及定位槽定位，在模具合模壓力及氣壓共同作用下進(jìn)行擴(kuò)散連接/超塑成形；成形完畢后進(jìn)行表面處理并切割到要求尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，其特征在于:步驟(2)中，還包括在預(yù)留好的進(jìn)氣道口位置處焊接進(jìn)氣管。
3.如權(quán)利要求1所述大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，其特征在于:步驟(I)中，將模具放入熱成形機(jī)升溫到800?820°C。
4.如權(quán)利要求1所述大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法，其特征在于:步驟(3)中，將模具放入熱成形機(jī)升溫到920?950°C。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種大曲率復(fù)雜型面鈦合金零件的超塑成形/擴(kuò)散連接成形方法。通過(guò)合理計(jì)算零件展開(kāi)尺寸，精確計(jì)算了零件的展開(kāi)尺寸，在零件起皺區(qū)域進(jìn)行了預(yù)先切除多余料處理，在預(yù)成形完成后再整體焊接并進(jìn)行熱校形，將預(yù)成型并焊接完成后的零件放入同一套工裝進(jìn)行超塑成形/擴(kuò)散連接成形。本發(fā)明在沒(méi)有壓邊力的幫助下，預(yù)成型及超塑成形/擴(kuò)散連接成形通過(guò)同一套工裝來(lái)完成，完成了大曲率復(fù)雜型面零件的一次熱成形，克服了零件的起皺失穩(wěn)現(xiàn)象，降低了工藝難度和工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，屬于鈑金及熱加工領(lǐng)域。
【IPC分類(lèi)】B23P15-00, B23K20-02, B21D37-16, B21D22-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104588982
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410693454
【發(fā)明人】李妍華, 李保永, 王猛團(tuán), 秦中環(huán)
【申請(qǐng)人】北京航星機(jī)器制造有限公司
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2014年11月26日