CN111842657A - 大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具及其成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具及其成形方法，其包括桶段、上压板和下压板，所述的桶段为具有内型面的空心柱体形结构，桶段的内型面与筒形件外型面相吻合；所述的桶段的外侧壁沿周向均匀设置不少于个测温孔，测温孔设置在桶段中部，用于***热电偶，监测桶段温度的均匀性。本发明提供的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具由于一次整体成形出钛合金筒形结构件，整体零件成形精度高，解决了分割零件装配后的误差累积的问题，后续不需要进行焊接后热处理，缩短了生产周期，减少了大量工装，节约钛合金用料，降低了生产成本，不需要进行标准件连接，大大减小了结构件整体重量，最终全面提高了技术、经济等各方面效益。
Description
技术领域
本发明属于金属板材塑性成形的技术领域，具体涉及一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具及其成形方法。
背景技术
航空钣金零件具有尺寸大小不一，形状复杂，材料各异，品种繁多，技术水平差异大等特点。在生产过程中每个零件由于材料、工艺等因素的影响，成形后的零件都会存在一定型面偏差，零件制造后进行装配，装配过程中，零件制造误差积累，导致最终产品误差大，产品精度得不到保证，同时在装配过程中使用了大量的铆钉、螺钉等连接件，大大增加了机体重量，不利于飞机结构效率。因此飞机设计中越来越多的采用大型整体结构件。超塑成形/扩散连接技术可以使复杂薄壁零件整体化，在降低产品结构重量、提高结构完整性和承载效率方面具有独特的技术优势，已经成为一种推动现代航空结构设计和突破传统钣金零件制造的先进制造技术。
目前，针对大型复杂双曲率钛合金筒形零件的制备，通常是按曲率变化特征或结构特征将零件分割成4块或4块以上相对简单的小零件，然后针对每一个小零件设计热成形模具，采用热成形技术制备每个小零件，制备完成后采用焊接或铆接等连接方式将零件组合成整体筒形件，整个制造过程，需要大量成形模具、检验模具、焊接夹具、装配型架、焊接后热处理工装等模具，在最终装配过程中会造成零件误差的累积，引起最终产品的精度和质量，同时装配过程使用的各种标准件也大大增加了产品重量，整个工艺过程周期长，成本高，严重制约产品交付。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具，以解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案为：
一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具，其包括桶段3、上压板4和下压板5，所述的桶段3为具有内型面的空心柱体形结构，桶段3的内型面与筒形件外型面相吻合，桶段3的壁厚为150mm-200mm；
所述的桶段3的外侧壁沿周向均匀设置不少于4个测温孔10，测温孔10设置在桶段3中部，用于***热电偶，监测桶段3温度的均匀性，测温孔10的直径8mm，测温孔10的底部距桶段3的内型面20mm；
所述的桶段3的外侧壁近下端面处，至少设置1个通气孔11，用以超塑成形时通氩气，通气孔11为
高20mm的长圆槽，用以放置通气钛管；
所述的桶段3分别在侧壁上部和下部各均匀设置2个排气孔12，排气孔12的直径10mm，排气孔12连接钛管，钛管另一端连接设备真空气路，用来排除模具内的气体，防止零件高温氧化和氢化，并保证毛料贴模。
所述的上压板4和下压板5与桶段3相配合，上压板4和下压板5的外形与桶段3外形一致，为实心柱体结构，高度为100mm-150mm；在上压板4和下压板5的侧壁上，至少沿一个直径两端分别设置测温孔10，用以监测上压板4和下压板5温度，该测温孔10的直径为8mm，深度为200mm，测温孔10距离上压板4和下压板5的型面20mm。
所述的上压板4和下压板5远离桶段3的表面，均设置有T型压板槽7，用于模具与超塑成形/扩散连接设备的连接固定；在下压板5与桶段3的接触面上，设置有压边梗6，以满足成形气密的要求；压边梗6高0.3mm，宽4mm，压边梗6的外缘距下压板5外缘约70mm-80mm，用以成形时压住毛料边缘，保证成形不漏气。
在所述的桶段3、上压板4和下压板5的外侧壁上，沿径向分别设置对应的两个导向槽9，用以安装导向板8，以连接桶段3、上压板4和下压板5，导向板8通过螺钉固定在上压板4、下压板5的导向槽9内；
在所述的桶段3、上压板4、下压板5的外侧壁还分别设置有吊装棒13，用于生产过程中，模具的移动和装卸。
另一方面，本发明提供了一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形方法，其包括以下步骤：
1)毛料制备
1.1)毛料包括毛料上盖14、毛料桶段15和毛料压边余量16三部分；
1.1)在CATIA V5软件中，将模具的设计基准型面2展开，将展开后的数模沿长度方向减小5mm-10mm，宽度方向减小2mm-3mm，展开数据作为毛料桶段15制备数模；
1.2)根据步骤1.1)中的展开数据进行下料，同时制出毛料桶段15的通气孔，毛料桶段15的通气孔与模具的通气孔11相匹配，去除毛料边缘毛刺，粗糙度不低于Ra 6.3；
1.3)将毛料桶段15滚弯成与模具的桶段3的内型面相吻合；
1.4)制备毛料上盖14和毛料压边余量16；
1.5)封焊：预先修配和抛光毛料待焊区域，采用激光焊接将毛料桶段15焊接成与模具的桶段3的内型面相吻合；采用氩弧焊将毛料桶段15与毛料上盖14、毛料桶段15与毛料压边余量16以及毛料桶段15与通气管接成一个封闭型腔，即，毛料制备完毕；
2)止焊剂涂覆：清理步骤1)中制备的毛料，并在毛料的外表面和模具的内型面喷涂止焊剂；
3)装模：在模具的上压板4、下压板5与设备平台接触部位放好石棉毡，再将步骤2)中获得的封焊后的筒形的毛料放入模具，在各测温孔10中插好测温热电偶；
4)气密检查：采用水浸法对步骤2)中获得的封焊后的筒形的毛料进行气密性检查；
5)进炉升温：将步骤4)中检查好的毛料随模具一同进炉升温，设置平台温度960～970℃，升温速率60～75℃/h，模具温度达到300℃时通过模具上的排气管路通入0.12～0.15Mpa氩气清扫保护；
6)超塑成形：模具温度达到860℃时开始成形，成形压力1.5～2.0Mpa，设备密封压力应高于模具压边埂6内气压作用力100KN以上；
7)降温取件：模具随路冷却至450～550℃时降温取件，降温过程中模具内通0.12～0.15Mpa氩气保护；
8)制外形：按模胎要求制取符合数模要求的筒形件。
本发明的效果和益处是：本发明在实际零件生产中取得了明显的效果，由于一次整体成形出钛合金筒形结构件，整体零件成形精度高，解决了分割零件装配后的误差累积的问题，后续不需要进行焊接后热处理，缩短了生产周期，减少了大量工装，节约钛合金用料，降低了生产成本，不需要进行标准件连接，大大减小了结构件整体重量，最终全面提高了技术、经济等各方面效益。
附图说明
图1为筒形件模型。
图2为修整后型面。
图3为本发明实施例中提供的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具的结构示意图。
图4为本发明实施例中提供的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具的下压板的结构示意图。
图5为毛料。
其中，1筒形件外型面；2模具设计基准面；3模具桶段；4模具上压板；5模具下压板；6压边梗；7压板槽；8导向板；9导向槽；10测温孔；11通气孔；12排气孔；13吊装棒；14毛料上盖；15毛料桶段；16毛料压边余量。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图3为本发明实施例中提供的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具的结构示意图。图4为本发明实施例中提供的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具的下压板的结构示意图。参见图3和图4，在本实施例中，大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具，其包括桶段3、上压板4和下压板5，所述的桶段3为具有内型面的空心柱体形结构，桶段3的内型面与筒形件外型面相吻合，桶段3的壁厚为150mm-200mm。所述的桶段3的外侧壁沿周向均匀设置不少于4个测温孔10，测温孔10设置在桶段3中部，用于***热电偶，监测桶段3温度的均匀性，测温孔10的直径8mm，测温孔10的底部距桶段3的内型面20mm。桶段3的外侧壁近下端面处，至少设置1个通气孔11，用以超塑成形时通氩气，通气孔11为
高20mm的长圆槽，用以放置通气钛管。桶段3分别在侧壁上部和下部各均匀设置2个排气孔12，排气孔12的直径10mm，排气孔12连接钛管，钛管另一端连接设备真空气路，用来排除模具内的气体，既可以防止零件高温氧化和氢化，也可以成形时，保证毛料更好的贴模。
上压板4和下压板5与桶段3相配合，上压板4和下压板5的外形与桶段3外形一致，为实心柱体结构，高度为100mm-150mm。在上压板4和下压板5的侧壁上，至少沿一个直径两端分别设置测温孔10，用以监测上压板4和下压板5温度，该测温孔10的直径为8mm，深度为200mm，测温孔10距离上压板4和下压板5的型面(即上压板4的下表面，下压板5的上表面)20mm。
上压板4和下压板5远离桶段3的表面(即各自型面的对侧面)，均设置有T型压板槽7，用于模具与超塑成形/扩散连接设备的连接固定。在下压板5与桶段3的接触面上，设置有压边梗6，以满足成形气密的要求。压边梗6高0.3mm，宽4mm，压边梗6的外缘距下压板5外缘约70mm-80mm，用以成形时压住毛料边缘，保证成形不漏气。
在桶段3、上压板4和下压板5的外侧壁上，沿径向分别设置对应的两个导向槽9，用以安装导向板8，以连接桶段3、上压板4和下压板5，导向板8通过螺钉固定在上压板4、下压板5的导向槽9内，模具装配时，根据导向板8和导向槽9的位置关系，先将下压板5的导向板8***桶段3对应的导向槽9，将桶段3与下压板4连接，再将上压板4的导向板8***桶段3对应的导向槽9，将桶段3与上压板4连接，最终将模具装配完成。在桶段3、上压板4、下压板5的外侧壁还分别设置有吊装棒13，用于生产过程中，模具的移动和装卸。
大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具的设计、制造方法，包括以下步骤：
1)如图1，以筒形件外型面1为参考，设计模具。
2)在CATIA V5软件中提取筒形件外型面1，将提取后的型面两个端面按照零件加工需求向外延伸20-40mm，修正延长后的端面，保证端面边线连续，将修整后的型面(如图2)作为模具设计基准2。
3)整个模具(如图3)包含三部分，分别为桶段3、上压板4和下压板5。
4)模具的桶段3：以修整后的型面作为模具桶段的内型面，建立桶段3的模型，桶段3的壁厚为150mm-200mm，满足模具刚性要求即可。
5)上压板4、下压板5：上压板4、下压板5与桶段3相配合，外形与桶段3外形一致，高度为100mm-150mm，满足模具刚性要求即可。
6)模具尺寸修正。考虑到超塑成形模具因为经济效益原因通常不会采用钛合金制造，而选用铸钢、高温合金钢等材料进行制造，模具材料与零件材料在成形温度下的热膨胀存在差异，为了保证高温成形时的准确性，采用热力耦合模拟仿真对模具的缩放量进行计算，通常根据不同的模具材料和零件结构特征，可以按0.990-0.998对模具进行缩尺计算。模具主体设计完成后，按照计算好的缩放系数对模具进行缩放，缩放后的模具即为最终模具制造的依据。
7)在下压板5与桶段3的接触面上，为了满足成形气密的要求，设计高0.3mm，宽4mm的压边梗6，压边梗6外缘距模具外缘约70mm-80mm，用以成形时压住毛料边缘，保证成形不漏气。
8)在上压板4、下压板5上分别制出T型压板槽7，用于模具与超塑成形/扩散连接设备的连接固定。压板槽7的尺寸根据所选成形设备连接关系确认，同时兼顾方便连接卡板的装卸及利于模具加工。当工序准备时，将模具吊放于设备下平台上，调整好位置，将模具上平台下降紧贴模具上压板4，将设备卡板放入T型压板槽7内，拧紧卡板螺栓，将模具固定在设备上、下平台上。
9)在桶段3、上压板4、下压板5径向分别设置对应的两个导向槽9，用以安装导向板8，连接桶段3、上压板4、下压板5，确定其装配时的位置关系，导向槽9尺寸100mm(长)×30mm(宽)，导向板8尺寸100mm(长)×50mm(宽)，导向槽9与导向板8高度尺寸依据需要确定，导向板8通过螺钉固定在上压板4、下压板5的导向槽9内，模具装配时，根据导向板8和导向槽9的位置关系，先将下压板5的导向板8***桶段3对应的导向槽9，将桶段3与下压板4连接，再将上压板4的导向板8***桶段3对应的导向槽9，将桶段3与上压板4连接，最终将模具装配完成。
10)在上压板4、下压板5上至少沿一个直径两端分别设计测温孔10，用以监测上压板4、下压板5温度，测温孔10直径8mm，深200mm，测温孔10距离上、下压板型面20mm。工序开始前将设备的热电偶***测温孔10。
11)在桶段3部分沿周向，均匀设计不少于4个测温孔10，测温孔10设置在桶段3中部，监测桶段3温度的均匀性，测温孔10的直径8mm，测温孔10底部距桶段内型面20mm。工序开始前将设备的热电偶***测温孔10。
12)在桶段3部分，沿下端面至少设计1个通气孔11，用以超塑成形时通氩气，通气孔11设计成
高20的长圆槽，用以放置通气钛管。
13)在桶段3部分，分别在上部和下部各均匀设置2个排气孔12，排气孔12直径10mm，排气孔12连接钛管，钛管另一端连接设备真空气路，用来排除模具内的气体，既可以防止零件高温氧化和氢化，也可以成形时，保证毛料更好的贴模。
14)在桶段3、上压板4、下压板5合适位置分别制出吊装棒13，用来生产过程中，模具的移动和装卸。
一种大型复杂双曲率钛合金筒形件的成形工艺，包括以下步骤：
1)毛料制备
1.1)毛料包括毛料上盖14、毛料桶段15和毛料压边余量16三部分(如图5所示)。
1.1)在CATIA V5软件中，将模具的设计基准型面2展开，将展开后的数模沿长度方向减小5mm-10mm，宽度方向减小2mm-3mm，以可以将毛料装入模具同时尽量保证毛料尺寸最大为原则，以此展开数据作为毛料桶段15制备数模。
1.2)根据步骤1.1)中的展开数据进行下料，同时制出毛料桶段15的通气孔，毛料桶段15的通气孔与模具的通气孔11相匹配，去除毛料边缘毛刺，粗糙度不低于Ra 6.3。
1.3)将毛料桶段15滚弯成接近模具的桶段3的内型面。
1.4)制备毛料上盖14和毛料压边余量16。
1.5)封焊：预先修配和抛光毛料待焊区域，再将毛料桶段15焊接成一个椭圆，为提高毛料桶段15焊缝整体性能，此处焊缝采用激光焊接；最后再采用氩弧焊将毛料桶段15与毛料上盖14、毛料桶段15与毛料压边余量16以及毛料桶段15与通气管接成一个封闭型腔，即，毛料制备完毕。
2)止焊剂涂覆：清理步骤1)中制备的毛料(即，封焊件)，并在毛料的外表面和模具的内型面喷涂止焊剂；
3)装模：在模具的上压板4、下压板5与设备平台接触部位放好石棉毡(主要用于模具找平和防止设备加压时对平台的损坏)，再将步骤2)中获得的封焊后的筒形的毛料放入模具，在各测温孔10中插好测温热电偶；
4)气密检查：采用水浸法对步骤2)中获得的封焊后的筒形的毛料进行气密性检查；
所述的水浸法为：采用蘸湿的带有肥皂泡沫的棉布对连接部位进行擦拭，同时对管路中充入并保持0.1～0.3MPa的气体，1～2min若无气泡产生可判定气密合格。
5)进炉升温：将步骤4)中检查好的毛料随模具一同进炉升温，设置平台温度960～970℃，升温速率60～75℃/h，模具温度达到300℃时通过模具上的排气管路通入0.12～0.15Mpa氩气清扫保护；
6)超塑成形：模具温度达到860℃时开始成形，成形压力1.5～2.0Mpa，设备密封压力应高于模具压边埂6内气压作用力100KN以上；
7)降温取件：模具随路冷却至450～550℃时降温取件，降温过程中模具内通0.12～0.15Mpa氩气保护；
8)制外形：按模胎要求制取符合数模要求的筒形件(如图1所示)。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。
Claims (2)
1.一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具，其特征在于，所述的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具包括桶段(3)、上压板(4)和下压板(5)，所述的桶段(3)为具有内型面的空心柱体形结构，桶段(3)的内型面与筒形件外型面相吻合，桶段(3)的壁厚为150mm-200mm；
所述的桶段(3)的外侧壁沿周向均匀设置不少于4个测温孔(10)，测温孔(10)设置在桶段(3)中部，用于***热电偶，监测桶段(3)温度的均匀性，测温孔(10)的直径8mm，测温孔(10)的底部距桶段(3)的内型面20mm；
所述的桶段(3)的外侧壁近下端面处，至少设置1个通气孔(11)，用以超塑成形时通氩气，通气孔(11)为
高20mm的长圆槽，用以放置通气钛管；
所述的桶段(3)分别在侧壁上部和下部各均匀设置2个排气孔(12)，排气孔(12)的直径10mm，排气孔(12)连接钛管，钛管另一端连接设备真空气路，用来排除模具内的气体，防止零件高温氧化和氢化，并保证毛料贴模；
所述的上压板(4)和下压板(5)与桶段(3)相配合，上压板(4)和下压板(5)的外形与桶段(3)外形一致，为实心柱体结构，高度为100mm-150mm；在上压板(4)和下压板(5)的侧壁上，至少沿一个直径两端分别设置测温孔(10)，用以监测上压板(4)和下压板(5)温度，该测温孔(10)的直径为8mm，深度为200mm，测温孔(10)距离上压板(4)和下压板(5)的型面20mm；
所述的上压板(4)和下压板(5)远离桶段(3)的表面，均设置有T型压板槽(7)，用于模具与超塑成形/扩散连接设备的连接固定；在下压板(5)与桶段(3)的接触面上，设置有压边梗(6)，以满足成形气密的要求；压边梗(6)高0.3mm，宽4mm，压边梗(6)的外缘距下压板(5)外缘约70mm-80mm，用以成形时压住毛料边缘，保证成形不漏气；
在所述的桶段(3)、上压板(4)和下压板(5)的外侧壁上，沿径向分别设置对应的两个导向槽(9)，用以安装导向板(8)，以连接桶段(3)、上压板(4)和下压板(5)，导向板(8)通过螺钉固定在上压板(4)、下压板(5)的导向槽(9)内；
在所述的桶段(3)、上压板(4)、下压板(5)的外侧壁还分别设置有吊装棒(13)，用于生产过程中，模具的移动和装卸。
2.一种大型复杂双曲率钛合金筒形件成形方法，其特征在于，所述的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形方法采用如权利要求1所述的大型复杂双曲率钛合金筒形件成形模具，包括以下步骤：
1)毛料制备
1.1)毛料包括毛料上盖(14)、毛料桶段(15)和毛料压边余量(16)三部分；
1.1)在CATIA V5软件中，将模具的设计基准型面(2)展开，将展开后的数模沿长度方向减小5mm-10mm，宽度方向减小2mm-3mm，展开数据作为毛料桶段(15)制备数模；
1.2)根据步骤1.1)中的展开数据进行下料，同时制出毛料桶段(15)的通气孔，毛料桶段(15)的通气孔与模具的通气孔(11)相匹配，去除毛料边缘毛刺，粗糙度不低于Ra 6.3；
1.3)将毛料桶段(15)滚弯成与模具的桶段(3)的内型面相吻合；
1.4)制备毛料上盖(14)和毛料压边余量(16)；
1.5)封焊：预先修配和抛光毛料待焊区域，采用激光焊接将毛料桶段(15)焊接成与模具的桶段(3)的内型面相吻合；采用氩弧焊将毛料桶段(15)与毛料上盖(14)、毛料桶段(15)与毛料压边余量(16)以及毛料桶段(15)与通气管接成一个封闭型腔，即，毛料制备完毕；
2)止焊剂涂覆：清理步骤1)中制备的毛料，并在毛料的外表面和模具的内型面喷涂止焊剂；
3)装模：在模具的上压板(4)、下压板(5)与设备平台接触部位放好石棉毡，再将步骤2)中获得的封焊后的筒形的毛料放入模具，在各测温孔(10)中插好测温热电偶；
4)气密检查：采用水浸法对步骤2)中获得的封焊后的筒形的毛料进行气密性检查；
5)进炉升温：将步骤4)中检查好的毛料随模具一同进炉升温，设置平台温度960～970℃，升温速率60～75℃/h，模具温度达到300℃时通过模具上的排气管路通入0.12～0.15Mpa氩气清扫保护；
6)超塑成形：模具温度达到860℃时开始成形，成形压力1.5～2.0Mpa，设备密封压力应高于模具压边埂(6)内气压作用力100KN以上；
7)降温取件：模具随路冷却至450～550℃时降温取件，降温过程中模具内通0.12～0.15Mpa氩气保护；
8)制外形：按模胎要求制取符合数模要求的筒形件。
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