CN110961515A - 一种钛合金薄壁筒体成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄壁筒体成形技术领域，公开了一种钛合金薄壁筒体成形方法，包括：制造毛坯：加工毛坯，毛坯加工完成后对毛坯进行热处理；制造芯模：加工芯模，芯模加工完成后对芯模进行热处理；制造旋轮：加工旋轮；涂润滑剂：在芯模的外表面涂抹润滑剂；涂冷却液：在芯模与毛坯之间涂抹冷却液；冷旋成形：将毛坯装在外表面涂抹润滑剂的芯模上，通过旋轮将装在芯模上的毛坯旋压成形为筒体，旋压成形过程中在芯模与毛坯之间涂抹冷却液；能够旋压成形满足几何、形位精度要求的钛合金发动机壳体。

Description

一种钛合金薄壁筒体成形方法
技术领域
本发明涉及薄壁筒体成形技术领域，具体是一种钛合金薄壁筒体成形方法。
背景技术
旋压成形技术综合了锻造、挤压、拉伸、环扎和滚压等技术的特点，它借助旋轮的进给运动，加压于随芯模旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形，属于回转成形范畴,是局部连续塑性成形工艺。当前，旋压成形技术已广泛应用于机械、电器、汽车及化工等行业，尤其在航空、航天及兵器工业等尖端领域也得到了越来越多的应用。
导弹发动机壳体材料目前仍采用高强度钢或超高强度钢，导致发动机整体结构消极质量偏高，制约了导弹的射程。随着新一代导弹武器性能的不断提高，迫使导弹发动机壳体朝轻量化方向发展，提高导弹比冲，使导弹射程更远、机动性更强。钛合金具有重量轻、比强度高、耐热和耐蚀等特性，是未来导弹发动机壳体的备选材料。
钛合金在高温状态时塑性较好，所以对于钛合金筒体一般采取热旋成形。但热旋存在温度控制不均匀、高能耗、热辐射严重等问题，工作环境较为恶劣，又由于钛合金在常温状态下塑性较差，且材料在旋压过程中加工硬化严重，旋压成形时容易出现裂纹缺陷，这都直接给钛合金筒体强力冷旋压成形带来难度，而且国内还没有专门的热强力旋压设备，工艺过程存在不稳定因素，严重制约了钛合金材料在导弹发动机壳体上的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种钛合金薄壁筒体成形方法，能够成形满足几何、形位精度要求的发动机壳体。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种钛合金薄壁筒体成形方法，包括：
制造毛坯：毛坯加工完成后对毛坯进行热处理，提高毛坯的热塑性，以减少成形后筒体的裂纹率；
制造芯模：加工芯模，芯模加工完成后对芯模进行热处理，保证芯模具有足够的硬度和刚度；
制造旋轮：加工旋轮；
涂润滑剂：在芯模的外表面涂抹润滑剂，以减少冷压成形过程中芯模与毛坯之间的摩擦，进而保证冷压成形后筒体的尺寸精度；
涂冷却液：在芯模与毛坯之间涂抹冷却液，冷却液能够对冷压成形过程中芯模与毛坯之间因摩擦产生的热进行冷却，进而保证冷压成形的可靠性；
冷旋成形：将毛坯装在外表面涂抹润滑剂的芯模上，通过旋轮将装在芯模上的毛坯旋压成形为筒体，旋压成形过程中在芯模与毛坯之间涂抹冷却液。
进一步地，毛坯材料是TB8钛合金，TB8钛合金具有优异的冷热加工性能及淬透性，毛坯热处理状态是固溶态，保证后续热处理后具有较高的热塑性。
进一步地，芯模的材料为合金工具钢，芯模热处理状态为淬火态，芯模的表面硬度为58-60HRC，保证芯模具有较高的刚度和硬度，以减小后续旋压成形过程中毛坯的变形，从而保证毛坯的尺寸精度。
进一步地，芯模的制造径跳≤0.01mm，安装径跳≤0.04mm，保证芯模与毛坯的安装精度，从而保证后续旋压成形的毛坯的尺寸精度。
进一步地，旋轮的材料为合金工具钢，旋轮的表面硬度60-62HRC，保证旋轮具有较高的刚度和硬度，以减小后续旋压成形过程中毛坯的变形，从而保证毛坯的尺寸精度。
进一步地，旋轮的制造径跳≤0.02mm，安装径跳≤0.05mm，保证旋轮对毛坯的加工精度，从而保证毛坯的尺寸精度。
进一步地，润滑剂为220#机油。
进一步地，冷却液为防锈乳化液和水的混合物，防锈乳化液与水混合比例为1:10。
进一步地，冷旋成形时分两道次对毛坯旋压成形。
本发明的优点在于：
1、本发明对钛合金毛坯进行旋压前的固溶热处理，提高了毛坯的热塑性，便于后续旋压成形。
2、旋压时，在芯模外表面涂抹润滑剂，减小了毛坯与芯模之间的摩擦。
3、旋压时通过控制进给率、压下量和转速，保证了旋压成形的筒体的尺寸精度。
附图说明
图1是本发明的钛合金薄壁筒体冷旋成形的示意图。
图2是本发明实施例1的待旋压的毛坯结构示意图。
图3是本发明实施例1的旋压完成后的筒体部分结构示意图。
附图标记：1-旋轮，2-毛坯，2a-筒体，3-芯模。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的薄壁筒体是指壁厚小于3mm的筒体。
由于钛合金具有优异的冷热加工性能及淬透性，热处理后可获得较高的强度，而冷旋成形具有精度高、过程稳定性好和设备成熟度高等优点，筒体成形方法是一种壁厚减薄的成形，基于此，本发明采用强力冷旋成形方法，即钛合金毛坯处于常温状态下进行旋压成形，以下以TB8钛合金毛坯为例对本发明的成形发明作进一步说明。
本发明的钛合金薄壁筒体成形方法，包括步骤：制造毛坯、制造芯模、制造旋轮、涂润滑剂、涂冷却液、冷选成形。
其中，制造毛坯：加工毛坯2时，遵循体积不变原则确定毛坯的厚度和长度，即旋压后筒体的体积等于旋压毛坯的体积，从而确定旋压前毛坯设计尺寸，以保证成形筒体的尺寸精度。如毛坯材料为TB8高强钛合金，旋压减薄率为70％，旋压筒体壁厚为2.0mm，毛坯的壁厚等于6.6mm，根据体积不变原则，通过计算得到毛坯的长度等于250mm，待旋压的毛坯的结构如图2所示。
毛坯热处理的原则是毛坯具有良好的可旋性，可满足金属最大减薄率要求。如毛坯为TB8钛合金时，毛坯是固溶状态，热处理制度为780℃×1h水冷。
制造芯模：加工芯模3时，保证芯模3的制造径跳≤0.01mm，安装时安装径跳≤0.04mm，芯模3的表面硬度为58-60HRC；芯模3的尺寸和发动机筒体尺寸相适应，并具有足够的硬度和刚度，以防旋压受力时变形损坏，因此，芯模的材料应选用硬度和刚度性能良好的合金工具钢，芯模的材料可以采用9SiCr合金工具钢，芯模的热处理状态为淬火态。
制造旋轮：旋轮1包括包括X旋轮、Y旋轮、Z旋轮，为了保证旋轮的刚度和硬度，旋轮的材料为合金工具钢，旋轮材料可以采用Gr15合金工具钢；加工旋轮时，要保证旋轮的制造径跳≤0.02mm，安装时安装径跳≤0.05mm，旋轮的表面硬度60-62HRC。
为了保证旋压后钛合金筒体成形精度，X旋轮、Y旋轮、Z旋轮型面参数(前角、后角和圆弧半径)如表一所示：
表一
Figure BDA0002296613350000041
涂润滑剂：润滑剂选用220#机油，在芯模3的外表面涂抹润滑剂；
涂冷却液：冷却液为防锈乳化液和水的混合物，防锈乳化液与水混合比例为1:10；旋压成形过程中在芯模3与毛坯2之间涂抹冷却液。
冷旋成形：将毛坯2装在外表面涂抹润滑剂的芯模3上，通过旋轮1将装在芯模3上的毛坯2旋压成形为筒体，旋压成形过程中在芯模3与毛坯2之间涂抹冷却液。
实施例1：
本实施例中采用三旋轮卧式强力ST40-30CNC旋压机，或其他型号，旋轮错距可调，可旋压Φ30mm-Φ400mm的筒体。
本发明的冷旋方法具体操作如下：热处理后的芯模3的安装调整：如图1所示，热处理后的芯模3安装于旋压机主轴后，调整尾部径向跳动，跳动值应不大于0.04mm，芯模型面光洁度应不低于0.8mm，且不存在任何缺陷，保证毛坯与芯模的安装精度以及加工精度。
旋轮1的安装调整：如图1所示，安装旋轮1于旋压机的旋轮轴(未示出)并使径跳值应不大于0.03mm，调整三个旋轮的轴向错距，使X旋轮、Y旋轮、Z旋轮错距值为2.6mm。检查三个旋轮的工作型面是否完好，型面光洁度应不低于0.8mm，且不存在任何缺陷。
旋压时，首先将220#机油涂抹于芯模3的外表面，然后将待旋压的毛坯2装在芯模3上，最后启动旋压机开始旋压成形。
整个旋压成形过程分成两道次完成：第一道次：X旋轮、Y旋轮、Z旋轮的压下量分别为X＝2.85mm、Y＝4.10mm、Z＝5.35mm，旋压机的进给率为1.30mm/r，旋压成形后毛坯壁厚为3.74-3.80mm，减薄率为42.9％左右；第二道次：X旋轮、Y旋轮、Z旋轮的压下量分别为X＝1.42mm、Y＝2.22mm、Z＝3.02mm，旋压机的进给率为1.00mm/r，旋压成形后毛坯壁厚为1.98-2.02mm，减薄率为46.9％左右，最终旋压成形的筒体2a如图3所示。
表二为本实施例中所确定的TB8钛合金薄壁筒体旋压工艺参数。
表二
Figure BDA0002296613350000051
Figure BDA0002296613350000061
需要说明的是，表二只是示例性地给出本发明一个实施例所给出的旋压参数表，而不应该以此来限制本发明的保护范围。根据以上旋压参数，旋压后钛合金筒体内、外表面均无裂纹缺陷，筒体壁厚精度可达0.1mm范围内。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于包括：
制造毛坯：加工毛坯(2)，毛坯(2)加工完成后对毛坯(2)进行热处理；
制造芯模：加工芯模(3)，芯模(3)加工完成后对芯模(3)进行热处理；
制造旋轮：加工旋轮(1)；
涂润滑剂：在芯模(3)的外表面涂抹润滑剂；
涂冷却液：在芯模(3)与毛坯(2)之间涂抹冷却液；
冷旋成形：将毛坯(2)装在外表面涂抹润滑剂的芯模(3)上，通过旋轮(1)将装在芯模(3)上的毛坯(2)旋压成形为筒体，旋压成形过程中在芯模(3)与毛坯(2)之间涂抹冷却液。
2.根据权利要求1所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述毛坯(2)的材料为TB8钛合金，毛坯(2)热处理状态是固溶态。
3.根据权利要求1或2所述的TB8钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述芯模(3)的材料为合金工具钢，所述芯模(3)的热处理状态为淬火态，芯模(3)的表面硬度为58-60HRC。
4.根据权利要求3所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述芯模(3)的制造径跳≤0.01mm，安装径跳≤0.04mm。
5.根据权利要求1所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述旋轮(1)的材料为合金工具钢，旋轮(1)的表面硬度为60-62HRC。
6.根据权利要求5所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述旋轮(1)的制造径跳≤0.02mm，安装径跳≤0.05mm。
7.根据权利要求1所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述润滑剂为220#机油。
8.根据权利要求1所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：所述冷却液为防锈乳化液和水的混合物，防锈乳化液与水混合比例为1:10。
9.根据权利要求1所述的钛合金薄壁筒体成形方法，其特征在于：冷旋成形时分两道次对毛坯(2)旋压成形。
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