CN106425314A - 一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，它包括如下步骤：一、采用增材制造技术,包括但不限于激光熔化沉积和电子束熔丝沉积，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材；二、采用型材热拉弯成形技术，对带筋钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到带筋钛合金曲型材；三、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件；通过以上步骤，极大提高了带筋钛合金曲率构件制造过程中的材料利用率，显著降低了制造成本，提高了成形精度，实现了带筋钛合金曲率构件的低成本绿色制造。
Description
【技术领域】
本发明提供一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，具体地说，提供一种将增材制造与型材热拉弯两种工艺组合，近净成形带筋钛合金曲率构件的制造方法,属于金属成形技术领域。
【技术背景】
新一代大型飞机为了减轻重量，提高经济性，大量采用碳纤维复合材料，如波音制造的787大型客机，碳纤维复合材料用量占结构材料总重量的50％。钛合金与碳纤维复合材料的强度、刚度、热特性匹配良好，二者电位接近，不易产生电偶腐蚀，而且钛合金本身具有比强度高、抗腐蚀性能良好、耐高温等一系列优异特点。因此，与复合材料蒙皮相连接的承力骨架大量采用带筋钛合金曲率构件,这种高性能构件外形细长，主体具有曲率特征并且局部带有加强筋，其成形质量直接关系到飞机的装配精度和服役性能。
该类带筋钛合金曲率构件的传统制造方法主要为锻造毛坯+数控加工+热校形。对制造装备要求高，需要大型或超大型液压锻造工业装备、大型锻造模具制造及大规格锻坯加工；锻件预留的大量加工余量需后续数控加工去除，材料利用率极低(一般小于5-10％)，数控加工量极大，而钛合金本身材料价格昂贵，数控加工难度大，这大大增加了零件的制造成本；锻造工艺能使材料获得良好的力学性能，但大量的机械加工一方面破坏了锻造工艺形成的织构和流线，进而降低了构件性能，另一方面也使锻造过程中产生的复杂残余应力发生释放，引起零件变形，需要制造非常复杂的热校形夹具对零件进行热校形，成本极高。这些均限制了带筋钛合金曲率构件这种高性能结构在大型飞机上的广泛应用。因此，需要从提高材料利用率、降低制造成本、改善成形精度等方面入手，发展先进工艺，实现这种高性能结构的低成本精确制造。
【发明内容】
1、目的：本发明的目的是为了解决带筋钛合金曲率构件传统制造过程中，材料利用率低、制造成本高、成形精度差等问题，而提供一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，它是将增材制造与型材热拉弯两种工艺结合的近净成形组合制造新工艺。
2、技术方案：
为达到上述目的，本发明提供了一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，包括如下步骤：
步骤一、采用增材制造技术(包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积)，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材；
步骤二、采用型材热拉弯成形技术，对带筋钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到带筋钛合金曲型材；
步骤三、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件。
其中，在步骤一中所述的“采用增材制造技术(包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积)，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材”，其作法如下：将等截面钛合金直型材待增材制筋区域打磨抛光，用丙酮清洗；将增材制造所用的原料(钛粉末或丝材等)进行真空干燥处理；利用增材制造机床，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材。
其中，在步骤二中所述的“采用型材热拉弯成形技术，对带筋钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到带筋钛合金曲型材”，其作法如下：通过自阻加热将带筋钛合金直型材加热到预定温度；对带筋钛合金直型材进行热拉弯，成形出所需的曲率外形；保持温度和贴模状态不变，对带筋钛合金曲型材进行一定时间的在线应力松弛；对带筋钛合金曲型材进行控温冷却、卸载。
其中，在步骤三中所述的“对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件”，其作法如下：将带筋钛合金曲型材装卡在数控加工机床上，根据零件的尺寸要求，通过少量数控加工获得最终的钛合金曲率构件。
本发明提供的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，亦可采用如下工艺步骤：
步骤一＇、采用型材热拉弯成形技术，对等截面钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到等截面钛合金曲型材；
步骤二＇、采用增材制造技术(包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积)，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材；
步骤三＇、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件。
其中，在步骤一中所述的“采用型材热拉弯成形技术，对等截面钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到等截面钛合金曲型材”，其作法如下：通过自阻加热将等截面钛合金直型材加热到预定温度；对等截面钛合金直型材进行热拉弯，成形出所需的曲率外形；保持温度和贴模状态不变，对等截面钛合金曲型材进行一定时间的在线应力松弛；对等截面钛合金曲型材进行控温冷却、卸载。
其中，在步骤二中所述的“采用增材制造技术(包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积)，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材”，其作法如下：将等截面钛合金曲型材待增材制筋区域打磨抛光，用丙酮清洗；将增材制造所用的原料(钛粉末或丝材等)进行真空干燥处理；利用增材制造机床，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材。
其中，在步骤三中所述的“对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件”，其作法如下：将带筋钛合金曲型材装卡在数控加工机床上，根据零件的尺寸要求，通过少量数控加工获得最终的钛合金曲率构件。
通过以上步骤，极大提高了带筋钛合金曲率构件制造过程中的材料利用率，显著降低了制造成本，提高了成形精度，实现了带筋钛合金曲率构件的低成本绿色制造。
3、优点及功效：增材制造与型材热拉弯均属于先进高效的近净成形工艺，本发明将二者组合，用以近净成形带筋钛合金曲率构件，极大提高了材料利用率，减少了数控加工量，显著降低了制造成本，所成形零件回弹小，残余应力水平低，无需进行后续热校形，节省了工装成本，缩短了零件制造周期，提高了生产效率。
【附图说明】
图1为本发明所述方法第一种实施例流程图。
图2为本发明图1中步骤一的具体方法流程图。
图3为本发明图1中步骤二的具体方法流程图。
图4为本发明所述方法另一种实施例流程图。
图5为本发明图4中步骤一＇的具体方法流程图。
图6为本发明图4中步骤二＇的具体方法流程图。
图7为本发明所述方法一种实施例工艺示意图。
图中符号说明如下：
1等截面钛合金直型材；2激光头；3钛合金粉末；4激光束；5局部加强筋；6带筋钛合金曲型材；7夹钳；8热拉弯模具；9带筋钛合金曲率构件；F拉力；M弯矩。
【具体实施方式】
以下配合附图及具体实施例，进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的具体实施方式。
图1为本发明一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法的一种实施例流程图。如图1所示，该流程包括：
步骤一、采用增材制造技术(包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积)，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材；
步骤二、采用型材热拉弯成形技术，对带筋钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到带筋钛合金曲型材；
步骤三、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件。
在本实施例中，如图2所示，为图1中步骤一的具体方法流程，包括：
步骤1、将等截面钛合金直型材待增材制筋区域打磨抛光，用丙酮清洗；
步骤2、将增材制造所用的原料(钛粉末或丝材等)进行真空干燥处理；
步骤3、利用增材制造机床，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材。
在本实施例中，如图3所示，为图1中步骤二的具体方法流程，包括：
步骤4、通过自阻加热将带筋钛合金直型材加热到预定温度；
步骤5、对带筋钛合金直型材进行热拉弯，成形出所需的曲率外形；
步骤6、保持温度和贴模状态不变，对带筋钛合金曲型材进行一定时间的在线应力松弛；
步骤7、对带筋钛合金曲型材进行控温冷却、卸载。
在本实施例中，步骤三包括：将带筋钛合金曲型材装卡在数控加工机床上，根据零件的尺寸要求，通过少量数控加工获得最终的钛合金曲率构件。
相对于上述实施例的步骤顺序，本发明还有另一种实施例，在步骤顺序上有所不同，但采用的初始型材和获得的最终零件是相同的。
图4为本发明一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法的另一种实施例流程图。如图4所示，该流程包括：
步骤一＇、采用型材热拉弯成形技术，对等截面钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到等截面钛合金曲型材；
步骤二＇、采用增材制造技术(包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积)，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材；
步骤三＇、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件。
在本实施例中，如图5所示，为图4中步骤一＇的具体方法流程，包括：
步骤1＇、通过自阻加热将等截面钛合金直型材加热到预定温度；
步骤2＇、对等截面钛合金直型材进行热拉弯，成形出所需的曲率外形；
步骤3＇、保持温度和贴模状态不变，对等截面钛合金曲型材进行一定时间的在线应力松弛；
步骤4＇、对等截面钛合金曲型材进行控温冷却、卸载。
在本实施例中，如图6所示，为图4中步骤二＇的具体方法流程，包括：
步骤5＇、将等截面钛合金曲型材待增材制筋区域打磨抛光，用丙酮清洗；
步骤6＇、将增材制造所用的原料(钛粉末或丝材等)进行真空干燥处理；
步骤7＇、利用增材制造机床，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材。
在本实施例中，步骤三＇包括：将带筋钛合金曲型材装卡在数控加工机床上，根据零件的尺寸要求，通过少量数控加工获得最终的钛合金曲率构件。
为了对上述本发明一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法进行更易理解的解释，下面结合具体实施例进行说明，然而该实施例仅是为了具体地阐述本发明，并不构成对本发明不当的限定。
图7为本发明一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法的一种实施例工艺示意图，如图7a)至图7d)所示，以制造U形截面带筋钛合金曲率构件为例进行说明：
步骤1、根据零件需求，准备等截面钛合金直型材1作为坯料，将待增材制筋的区域打磨抛光，并用丙酮进行清洗去除表面油污；
步骤2、准备具有一定粒度的钛合金粉末3作为增材制筋的原料，并在一定温度的真空环境下进行一定时间的干燥处理；
步骤3、将等截面钛合金直型材1定位装卡在增材制造成套设备的工作台上，采用一定工艺参数，利用激光头2发射的激光束4熔化沉积钛合金粉末3，在等截面钛合金直型材1上的预定区域，增材制造出局部加强筋5，制得带筋钛合金直型材；
步骤4、在型材热拉弯机上安装型材热拉弯模具8，夹钳7夹持住步骤3中制得的带筋钛合金直型材，采用低压大电流将带筋钛合金直型材自阻加热到预定温度；
步骤5、对带筋钛合金直型材施加拉力F，以一定应变速率进行预拉，达到预拉应变量后，对带筋钛合金直型材施加拉力F和弯矩M，以一定应变速率进行包覆成形，直至完全贴合热拉弯模具8，之后以一定应变速率进行补拉，直至达到总应变量，得到带筋钛合金曲型材6。在此过程中，带筋钛合金型材的温度波动应控制在合理范围；
步骤6、夹钳7继续夹持贴模状态的带筋钛合金曲型材6，位置不发生变化，保持之前热拉弯时的温度，对带筋钛合金曲型材6保温一定时间，以实现在线应力松弛；
步骤7、利用加热装置对带筋钛合金曲型材6以一定冷却速率进行控温冷却，当带筋钛合金曲型材6达到预定温度后，加热装置停止工作，型材热拉弯机卸载，夹钳7松开，取出带筋钛合金曲型材6，空冷至室温；
步骤8、根据零件最终尺寸要求对带筋钛合金曲型材6进行少量数控加工，得到最终的带筋钛合金曲率构件9，加工结束。
其中，步骤2中的“一定粒度”一般为40-400μm左右，或者40-325目左右；
其中，步骤2中的“钛合金粉末”一般采用真空等离子旋转电极雾化法制备，也可采用其他适当方法进行制备；
其中，步骤2中的“一定温度”一般为100℃左右，“一定时间”一般为8h左右；
其中，步骤3中的“一定工艺参数”一般为：激光功率(2-6kW)、光斑直径(3.5-6mm)、扫描速度(300-800mm/min)、送粉速度(150-1000g/h)，保护气氛为氩气，成形腔氧含量(＜7×10-5)；
其中，步骤4中的“预定温度”一般为钛合金熔化温度的0.45-0.6倍；
其中，步骤5中的“一定应变速率”不应大于0.05s-1，推荐为0.00005-0.005s-1，“预拉应变量”为0.5％-3％，“总应变量”一般不大于15％；
其中，步骤5中的“温度波动”不应超过30℃，最好不要超过15℃；
其中，步骤6中的“一定时间”为5-120min；
其中，步骤7中的“一定冷却速率”应小于工件在空气中的冷却速率；
其中，步骤7中的“预定温度”一般为200℃左右。
利用本发明制造的带筋钛合金曲率构件，一般主体为具有曲率特征的等截面细长结构，局部带有加强筋。主体结构一般可采用钛合金挤压型材作为毛坯，在制坯过程中，材料承受三向压应力，其机械性能优异，能够满足零件主体结构的性能要求。局部加强筋采用增材制造技术，材料力学性能可以达到甚至超过锻造钛合金水平，局部特征同样能够满足零件性能要求。
本发明一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法提高了材料利用率，降低了制造成本，改善了零件成形质量。
以上所述的具体实施例，仅是为了对本发明的目的、技术方案和优点及功效进行进一步详细说明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、采用增材制造技术,包括但不限于激光熔化沉积和电子束熔丝沉积，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材；
步骤二、采用型材热拉弯成形技术，对带筋钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到带筋钛合金曲型材；
步骤三、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件；
通过以上步骤，极大提高了带筋钛合金曲率构件制造过程中的材料利用率，显著降低了制造成本，提高了成形精度，实现了带筋钛合金曲率构件的低成本绿色制造。
2.根据权利要求1所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“采用增材制造技术，包括但不限于激光熔化沉积、电子束熔丝沉积，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材”，其作法如下：将等截面钛合金直型材待增材制筋区域打磨抛光，用丙酮清洗；将增材制造所用的原料进行真空干燥处理；利用增材制造机床，在等截面钛合金直型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金直型材。
3.根据权利要求1所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“采用型材热拉弯成形技术，对带筋钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到带筋钛合金曲型材”，其作法如下：通过自阻加热将带筋钛合金直型材加热到预定温度；对带筋钛合金直型材进行热拉弯，成形出所需的曲率外形；保持温度和贴模状态不变，对带筋钛合金曲型材进行预定时间的在线应力松弛；对带筋钛合金曲型材进行控温冷却、卸载。
4.根据权利要求1所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件”，其作法如下：将带筋钛合金曲型材装卡在数控加工机床上，根据零件的尺寸要求，通过少量数控加工获得最终的钛合金曲率构件。
5.一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：该方法亦采用如下工艺步骤：
步骤一＇、采用型材热拉弯成形技术，对等截面钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到等截面钛合金曲型材；
步骤二＇、采用增材制造技术，包括但不限于激光熔化沉积和电子束熔丝沉积，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材；
步骤三＇、对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件。
6.根据权利要求5所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：
在步骤一＇中所述的“采用型材热拉弯成形技术，对等截面钛合金直型材进行通电自阻加热拉弯，成形出所需的曲率外形，并进行在线应力松弛和控温冷却，得到等截面钛合金曲型材”，其作法如下：通过自阻加热将等截面钛合金直型材加热到预定温度；对等截面钛合金直型材进行热拉弯，成形出所需的曲率外形；保持温度和贴模状态不变，对等截面钛合金曲型材进行预定时间的在线应力松弛；对等截面钛合金曲型材进行控温冷却、卸载。
7.根据权利要求5所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：
在步骤二＇中所述的“采用增材制造技术，包括但不限于激光熔化沉积和电子束熔丝沉积，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材”，其作法如下：将等截面钛合金曲型材待增材制筋区域打磨抛光，用丙酮清洗；将增材制造所用的原料进行真空干燥处理；利用增材制造机床，在等截面钛合金曲型材上的预定区域，增材制造出局部加强筋，形成带筋钛合金曲型材。
8.根据权利要求5所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：
在步骤三＇中所述的“对带筋钛合金曲型材进行少量数控加工，得到满足尺寸要求的带筋钛合金曲率构件”，其作法如下：将带筋钛合金曲型材装卡在数控加工机床上，根据零件的尺寸要求，通过少量数控加工获得最终的钛合金曲率构件。
9.根据权利要求2、7所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：增材制造所用的原料为钛粉末。
10.根据权利要求2、7所述的一种带筋钛合金曲率构件的组合制造方法，其特征在于：增材制造所用的原料为丝材。
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