CN109848229A - 一种钛合金薄壁翼片精确成形方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，该方法涉及一种钛合金薄壁翼片精确成形模具，该模具包括方形凸模、左、右分瓣凹模和轴向凹模套；分瓣凹模合模后内部为成形件形状的模腔；轴向凹模套内模面与分瓣凹模的外模面相合；方形凸模固定垂直冲程机构上，对准模腔开口；模腔设有型腔，型腔和模腔之间带有斜坡端面，并设置不等长的工作带和促流角，该方法公开了将坯料放入模腔，方形凸模向下挤压坯料，坯料由型腔经过斜坡端面到达模腔，随着继续下压，金属坯料沿模腔端面向壁薄部分均匀流动，最终得到一次成形成形件，有效克服传统工艺所存在的自身缺陷带来的问题，提高成形效率和成形精度，成形件综合力学性能好，并且降低了生产成本，适用于大批量生产。

Description

一种钛合金薄壁翼片精确成形方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形技术领域，具体涉及一种钛合金薄壁翼片精确成形方法。

背景技术

翼片是导弹上的一个重要部件，它在导弹飞行的过程中保证导弹有良好的操纵性和稳定性，实现导弹的机动飞行，最后精确击毁目标的目的。钛合金具有强度高、抗腐蚀性强、比重轻、在高温和低温下性能稳定等特性，是制备导弹尾翼的常用材料。采用传统机械切削工艺成形导弹尾翼，容易造成金属流线的被切断，使得尾翼的强度、耐腐蚀性和其他的力学性能降低，最终会限制尾翼的使用范围和寿命，同时机械加工工艺复杂，难度大，工序多，周期长，且要将90％以上的钛合金转化成切屑，使生产成本进一步提高。采用精铸或压铸工艺，虽可提高材料利用率，但由于尾翼翼端尺寸极小，造成在成型时难以充满，且尾翼成形对尺寸精度、力学性能及其均匀性要求高，铸造尾翼的机械性能达不到使用要求。采用搅拌摩擦焊也可以生产变壁厚异形构件，对于一些特殊结构部位焊接成形。但是搅拌摩擦焊的焊接部位强度比较低，成形后容易留下残余应力等缺陷，容易受力后产生断裂。而且并不是所有的材料(塑性差的钛合金)都适合搅拌摩擦焊，应用局限性比较明显。目前，采用热挤压成形，将坯料加热到成形温度后放到冷或稍加预热的模具中成形，由于尾翼翼端壁厚差较大，造成成形过程中翼端金属流速不一致，同时由于成形过程模具受热、散热的随意性大，导致坯料温度不均匀，变形抗力波动大，组织结构差异，力学性能差，同时使挤压件残余应力大，易产生变形，产品精度难以保证，有时甚至产生开裂等缺陷。造成尾翼成品率低，材料及加工浪费，成本居高不下的局面。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，能够有效克服传统机械挤压成形和铸造、焊接制造工艺所存在的自身缺陷带来的问题，成形效率和成形精度高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，该方法涉及一种钛合金薄壁翼片精确成形模具，该模具包括方形凸模、左分瓣凹模、右分瓣凹模和轴向凹模套；左、右分瓣凹模为两个垂直非对称结构，固定在各自的水平冲程机构上水平相向或者相反移动，左、右分瓣凹模合模后内部为成形件形状的模腔；轴向凹模套套于分瓣凹模外部，由滑动机构带动轴向凹模套上下移动，轴向凹模套内模面与分瓣凹模的外模面相贴合；方形凸模固定在分瓣凹模上方的垂直冲程机构上，对准固定分瓣凹模的模腔开口；所述的模腔的上方设有放置坯料的型腔，型腔和模腔之间带有促进金属流动的斜坡端面，斜坡端面和模腔之间设置不等长的工作带和促流角，该方法的步骤包括下料、预加热及装配、多向挤压、脱模，具体为：

S1下料：将坯料从原料中按照一定尺寸裁剪下来；

S2预加热：装配以前，先将该模具的左、右分瓣凹模，方形凸模和轴向凹模套预热；

将该模具进行装配：先将轴向凹模套与滑动机构固定，方形凸模与垂直冲程结构固定，然后将左分瓣凹模和右分瓣凹模分别与水平冲程机构的水平缸联接，坯料在放入前预热；

S3多向挤压：先通过水平冲程机构驱动左、右分瓣凹模相对运动，待左、右分瓣凹模完全合模后，坯料放入型腔，启动滑动机构，轴向凹模套向下运动，轴向凹模套内模面和左、右分瓣凹模的外模面完全接触后，启动垂直冲程带动方形凸模向下挤压坯料，金属坯料由型腔经过斜坡端面到达模腔，随着方形凸模继续下压，金属坯料沿模腔端面向壁薄部分均匀流动，成形件挤压完成；

S4脱模：成形完毕后，方形凸模回程，滑动机构带动轴向凹模套向上运动与左、右两分瓣凹模分离，等轴向凹模套全部回程后，左右分瓣凹模开模，然后取出挤压件。

进一步，该方法还包括S5切削加工：成形件切削加工得到加工件。

进一步，所述S2预加热时的左分瓣凹模、右分瓣凹模、方形凸模和轴向凹模套的预热温度为850℃，坯料的预热温度为900℃。

采用上述方案后，本发明的增益效果在于：坯料经过本发明可直接一次成形完毕，成形精度高，模具的设计及制造简便。采用温挤压成形技术，钛合金材料容易成形，并且挤压成形力不大。分瓣凹模带有控制金属流动速度的不等长的工作带，可以促使金属沿模腔端面向壁薄部分流动，增加壁薄处的金属供给量，促流角促使流速加快从而使整个断面上的金属流动均匀。在成形过程中，随上面的轴向凹模套的垂直向下运动，轴向凹模套的内模面和分瓣凹模的外模面相互作用，完全将分瓣凹模径向封死并实现成形。而且可以利用轴向凹模套的垂直作用力转化为水平加载力，可以大大节约设备能量。产品成形后，水平方向的两个分瓣凹模开合都由多向加载设备控制，自动开合，成形件可以从分瓣凹模中顺利地脱出，操作方便简单，生产效率高。与传统工艺相比，经过挤压成形后，金属的晶粒组织变得更加细化和均匀，可以提高零件的综合力学性能，同时显著地提高了成形效率和成形精度，并且降低了生产成本，适用于大批量生产。

附图说明

图1是由本发明实施例中的成形件经加工而成的加工件的结构示意图；

图2是图1沿A-A的剖视图；

图3是本发明实施例挤压成形的成形件示意图；

图4是图3沿B-B的剖视图；

图5是本发明实施例的模具组装示意图；

图6是本发明实施例中方形凸模结构示意图；

图7是图6沿C-C的剖视图；

图8是本发明实施例中合模后分瓣凹模俯视图；

图9是图8沿D-D的剖视图；

图10是图8沿E-E的剖视图；

图11是本发明实施例中导轨座板的横截面示意图。

附图标记说明：

加工件1、带孔竖筋2、成形件3、方形凸模4、上联接模板5、轴向凹模套6、左分瓣凹模7、右分瓣凹模8、右联接头9、左联接头10、右联接杆11、左联接杆12、右水平联接模板13、左水平联接模板14、导轨座板15、内六角螺栓16、圆柱销钉17、通孔18、型腔19、斜坡端面20、模腔21、导轨22。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

经本发明挤压而成的成形件3可加工成如图1所示的加工件1，该加工件1有三条带孔竖筋2。本发明挤压成形操作是以成形件3为对象的。

本发明要成形的成形件3所采用的模具如图5所示，包括方形凸模4、上联接模板5、轴向凹模套6、左分瓣凹模7、右分瓣凹模8、右联接头9、左联接头10、右联接杆11、左联接杆12、右水平联接模板13、左水平联接模板14、导轨座板15。

左、右分瓣凹模7,8为两个垂直非对称结构，位于模具纵向对称线的左、右两边，固定在各自的水平冲程机构上水平相向或者相反移动，左、右分瓣凹模7,8合模后内部是按照成形件3形状制成的模腔21。模腔21的上方设有放置坯料的型腔19，型腔19和模腔21之间带有促进金属流动的斜坡端面20，斜坡端面20和模腔21之间设置不等长的工作带和促流角γ，以控制金属流动速度和促使金属沿模腔21端面向壁薄部分流动，增加壁薄处的金属供给量，促使流速加快从而使整个断面上的金属流动均匀。

作为较佳的实施例，斜坡端面20角度一般可以设置为45°；不等长的工作带设置原则为壁厚的部分工作带长为25mm，壁薄的部分工作带长为5mm；促流角γ＝5°，促流高度h＝10mm。

在左分瓣凹模7的外侧通过联接机构与水平冲程机构连接，实现水平方向的移动。在本实施例中联接机构包括左联接头10、左联接杆12、左水平联接模板14，左联接头10嵌固于左分瓣凹模7的外侧，左联接杆12连接左联接头10和左水平联接模板14。左水平联接模板14固定于水平冲程机构上。水平冲程机构上的水平缸工作就带动左水平联接模板14水平移动，然后带动左分瓣凹模7的水平移动。

当然这种联接机构也并非局限于本实施例中所举，只要能实现相同功能的所有联接机构都可以为本发明所用。

另外右分瓣凹模8的联接结构与左分瓣凹模7的联接结构相同，通过右联接头9、右联接杆11、右水平联接模板13实现，这里不做赘述。

为了使得左、右分瓣凹模7,8水平移动平稳顺畅，将左、右分瓣凹模7,8安装在导轨座板15之上，如图11所示，导轨座板15上开设有T型导轨22，在左右分瓣凹模8的底部都具有嵌入T型导轨22的导条(图中未示出)。这样，导条可以引导左、右分瓣凹模7,8沿T型导轨22移动向左右两边开合。

方形凸模4固定左分瓣凹模7、右分瓣凹模8上方的垂直冲程机构上，由多向成形液压机冲孔缸单独连接并驱动，做垂直运动，对准在模腔21的开口处。上联接模板5和轴向凹模套6通过内六角螺栓16和圆柱销钉17连接定位。由于方形凸模4向下冲程，所以在上联接模板5上需要开设通孔18，供方形凸模4穿过。上联接模板5是固定在滑块(图中未示出)上实现上下移动，从而构成带动轴向凹模套6上下移动的滑动机构。

轴向凹模套6套于左分瓣凹模7和右分瓣凹模8外部，由滑动机构带动轴向凹模套6上下移动。

这里还需要值得说明的是，轴向凹模套6的内模面和左分瓣凹模7、右分瓣凹模8的外模面是相互贴合的。左分瓣凹模7、右分瓣凹模8合模后，外表是为圆台形状，上底面小，下底面大，圆台的母线和高形成7°角的锥形斜面，轴向凹模套6的内模面与圆台的侧面完全贴合。这样的设计，是为了把轴向凹模套6对分瓣凹模7,8的加载力可以分解成垂直加载力和水平加载力。当然，这里的7°角可以需要加载的力度适当调正。

一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，该方法的步骤包括下料、预加热及装配、多向挤压、脱模，具体为：

S1下料：将坯料从原料中按照一定尺寸裁剪下来；

S2预加热：装配以前，先将该模具的左分瓣凹模7、右分瓣凹模8、方形凸模4和轴向凹模套6预热到850℃；

S3将多向挤压模具进行装配：先将轴向凹模套6固定在上联接模板5，上联接模板5与滑块通过压板螺栓固定，方形凸模4与垂直冲程结构的冲孔缸活塞螺纹联接固定，然后将将导轨座板15与设备工作台连接，左分瓣凹模7和右分瓣凹模8分别装到导轨座板15的T型导轨22上。同时右水平联接模板13和左水平联接模板14分别与水平冲程机构的水平缸联接，通过开启设备，保证模具的开合与设备的行程相适应，左、右分瓣凹模7,8开启保证一定直径的坯料可以放入，坯料在放入前加热到900℃；

多向挤压：先通过水平冲程机构驱动左、右分瓣凹模7,8相对运动，待左、右分瓣凹模7,8完全合模后，坯料放入型腔19，启动滑动机构，轴向凹模套6向下运动，轴向凹模套6内模面和左、右分瓣凹模7,8的外模面完全接触后，启动垂直冲程带动方形凸模4向下挤压坯料，金属坯料由型腔19经过斜坡端面20到达模腔21，随着方形凸模4继续下压，金属坯料沿模腔21端面向壁薄部分均匀流动，成形件3挤压完成；

S4脱模：成形完毕后，方形凸模4回程，滑动机构带动轴向凹模套6向上运动与左、右分瓣凹模7,8分离，等轴向凹模套6全部回程后，左、右分瓣凹模7,8开模，然后取出成形件；

成形件3可经过S5切削加工得到加工件1。

多向挤压过程完全是一次成形挤压件，没有经过多道次的重复加工。其中轴向凹模套6和左、右分瓣凹模7,8的接触面与垂直中心线是一个7°角，所以在挤压时将轴向凹模套6本身的垂直加载力形成作用在左、右分瓣凹模7,8垂直加载力和水平加载力，挤压力度更加均匀，同时可以节省部分设备能源，达到同样的挤压效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，该方法涉及一种钛合金薄壁翼片精确成形模具，该模具包括方形凸模、左分瓣凹模、右分瓣凹模和轴向凹模套；左、右分瓣凹模为两个垂直非对称结构，固定在各自的水平冲程机构上水平相向或者相反移动，左、右分瓣凹模合模后内部为成形件形状的模腔；轴向凹模套套于分瓣凹模外部，由滑动机构带动轴向凹模套上下移动，轴向凹模套内模面与分瓣凹模的外模面相贴合；方形凸模固定在分瓣凹模上方的垂直冲程机构上，对准固定分瓣凹模的模腔开口；所述的模腔的上方设有放置坯料的型腔，型腔和模腔之间带有促进金属流动的斜坡端面，斜坡端面和模腔之间设置不等长的工作带和促流角，该方法的步骤包括下料、预加热及装配、多向挤压、脱模，具体为：

S1下料：将坯料从原料中按照一定尺寸裁剪下来；

S2预加热：装配以前，先将该模具的左分瓣凹模、右分瓣凹模、方形凸模和轴向凹模套预热；

将该模具进行装配：先将轴向凹模套与滑动机构固定，方形凸模与垂直冲程结构固定，然后将左分瓣凹模和右分瓣凹模分别与水平冲程机构的水平缸联接，坯料在放入前加热；

多向挤压：先通过水平冲程机构驱动左、右分瓣凹模相对运动，待左、右分瓣凹模完全合模后，坯料放入型腔，启动滑动机构，轴向凹模套向下运动，轴向凹模套内模面和左、右分瓣凹模的外模面完全接触后，启动垂直冲程带动方形凸模向下挤压坯料，金属坯料由型腔经过斜坡端面到达模腔，随着方形凸模继续下压，金属坯料沿模腔端面向壁薄部分均匀流动，成形件挤压完成；

S4脱模：成形完毕后，方形凸模回程，滑动机构带动轴向凹模套向上运动与左、右两分瓣凹模分离，等轴向凹模套全部回程后，左右分瓣凹模开模，然后取出挤压件。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，其特征在于：该方法还包括S5切削加工：成形件切削加工得到加工件。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁翼片精确成形方法，其特征在于：所述S2预加热时的左分瓣凹模、右分瓣凹模、方形凸模和轴向凹模套的预热温度为850℃，坯料的预热温度为900℃。