CN113770253B - 钛合金四层结构成形模具、模具组件和蒙皮沟槽消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金四层结构成形模具、模具组件和蒙皮沟槽消除方法，属于超塑成形技术领域，用于解决在芯层塌陷条件下，蒙皮出现沟槽的问题。所述钛合金四层结构包括蒙皮和芯层，所述蒙皮上设置有筋条，所述筋条对应于芯层筋格的间隙；所述成形模具包括：可移动成形板；所述可移动成形板上设置有冲头，所述冲头间设置有缓冲槽；所述冲头与所述芯层筋格一一对应，所述缓冲槽与所述筋条一一对应。本发明提供的技术方案能够消除超塑性成形过程中蒙皮上产生的沟槽。

Description

钛合金四层结构成形模具、模具组件和蒙皮沟槽消除方法

技术领域

本发明属于超塑成形技术领域，尤其涉及一种钛合金四层结构成形模具、模具组件和蒙皮沟槽消除方法。

背景技术

在四层结构的超塑成形过程中，蒙皮表面容易出现沟槽。当上芯层和下芯层比较厚时，在超塑成形过程中，在重力的作用下，芯层在芯层筋格生长前发生塌陷，如图1所示。此时，蒙皮的沟槽分为两种情况，一种情况是由芯层筋格在成形过程中挤压蒙皮所形成的沟槽，另一种情况是下芯层与下蒙皮的扩散连接时，上芯层筋格正在生长，因此上芯层筋格生长时会给下蒙皮一个向上的拉力，从而使得下蒙皮表面出现沟槽。

现有消除蒙皮沟槽的方法通常为加厚蒙皮，或通过施加背压增加蒙皮与模具摩擦力。

然而，在图1所示的场景中，蒙皮受到的拉力通常大于芯层筋格挤压蒙皮的力，因此现有技术无法解决该场景下蒙皮出现沟槽的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提出一种钛合金四层结构成形模具、模具组件和蒙皮沟槽消除方法，以解决在芯层塌陷条件下，蒙皮出现沟槽的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种钛合金四层结构成形模具，所述钛合金四层结构包括蒙皮和芯层，所述蒙皮上设置有筋条，所述筋条对应于芯层筋格的间隙；所述成形模具包括：可移动成形板；

所述可移动成形板上设置有冲头，所述冲头间设置有缓冲槽；

所述冲头与所述芯层筋格一一对应，所述缓冲槽与所述筋条一一对应。

进一步地，所述模具还包括：

压板、弹簧和固定成形板；

所述固定成形板与所述压板形成封闭腔室；

所述可移动成形板安装在所述固定成形板上，所述可移动成形板相对于所述固定成形板可移动；

在所述封闭腔室内，所述弹簧一端连接所述压板，一端连接所述可移动成形板。

进一步地，所述模具还包括：限位件；

所述限位件设置在所述封闭腔室内，且设置在所述压板和所述可移动成形板之间，用于限制所述可移动成形板在所述封闭腔室内的最大移动量。

进一步地，所述限位件包括第一尺寸和第二尺寸；

所述限位件以所述第一尺寸限制所述移动量时，所述模具用于蒙皮的预成形；

所述限位件以所述第二尺寸限制所述移动量时，所述模具用于制备所述钛合金四层结构。

进一步地，所述蒙皮的预成形形变量为所述蒙皮的最终形变量的[60％，80％]。

第二方面，本发明实施例提供了一种模具组件，所述模具组件包括：上成形模具；

所述上成形模具采用第一方面所述的模具。

进一步地，所述模具组件还包括：下成形模具；所述下成形模具采用权利要求1-5任一项所述的模具。

第三方面，本发明实施例提供了一种钛合金四层结构的蒙皮沟槽消除方法，包括：

步骤1、选取用于四层结构高温成形的板材和模具组件，所述板材分别用于制备上蒙皮、下蒙皮、上芯层和下芯层；所述模具组件包括上成形模具和下成形模具，上成形模具采用权利要求1或2所述的模具，下成形模具采用上述的模具；

步骤2、分别在所述上蒙皮和所述下蒙皮上设置筋条，并在所述筋条上涂抹阻焊剂；

步骤3、利用下成形模具分别对步骤2中的上下蒙皮进行预成形；

步骤4、依次按照预成形上蒙皮、所述上芯层、所述下芯层、预成形下蒙皮叠放，并设置通气管路，得到构件；

步骤5、将所述构件装入上成形模具和下成形模具组成的空间内，其中所述预成形上蒙皮与所述上成形模具的冲头抵接，所述预成形下蒙皮与所述下成形模具的冲头抵接；

步骤6、将所述构件、所述上成形模具和所述下成形模具安装至热成形机上，加热到扩散连接温度；通过所述通气管路向所述预成形上蒙皮、所述上芯层之间以及所述预成形下蒙皮、所述下芯层之间施加压力，使所述上芯层和所述下芯层完成扩散连接；通过所述通气管路向上、下芯层之间施加压力，实现芯层筋格的超塑成形。

进一步地，在所述下蒙皮上设置第一筋条，并在所述第一筋条上设置圆角；

所述上蒙皮上设置第二筋条，并在所述第二筋条上设置圆角；

所述第一筋条对应所述下芯层筋格间的空隙；

所述第二筋条对应所述上芯层筋格间的空隙。

进一步地，在所述上蒙皮和所述上芯层之间设置第一通气管路；

在所述上芯层和所述下芯层之间设置第二通气管路；

在所述下芯层和所述下蒙皮之间设置第三通气管路。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1.在超塑成形过程中，如图2所示，上(下)芯层筋格在气压P1的作用下挤压上(下)蒙皮。而上(下)芯层筋格间的气体对上(下)蒙皮产生的压力为P2。冲头与芯层筋格一一对应，因此冲头以及冲头上的蒙皮承担压力P1，冲头在压力P1的作用下移动。缓冲槽处的蒙皮承担压力P2，并在P2和背部应力F的作用下，缓冲槽处的蒙皮沿着缓冲槽内壁形成突出部，此时蒙皮表面出现沟槽。通常，突出部的尺寸由背部应力F决定。然而由于缓冲槽的存在，背部应力F不足以让突出部的尺寸持续增加，从而实现在蒙皮表面形成可消除的沟槽。之后，利用P1推动冲头，使得突出部两侧蒙皮继续向下运动，从而实现拉平蒙皮的目的。

2.上下芯层塌陷与下蒙皮接触时，超塑成形过程中钛合金四层结构如图3所示。此时，下芯层C与下蒙皮D扩散链接，而上芯层B的筋格向上生长的会在下芯层C与上芯层B的焊接处(芯层筋格间隙)施加一个向上的拉力F。由于下芯层C与下蒙皮D扩散链接，拉力F拉伸下芯层C会导致下蒙皮表面出现沟槽。本发明通过在下蒙皮上对应芯层筋格间隙的位置上，设置涂抹阻焊剂的筋条，以防止下芯层与上芯层焊接处与蒙皮发生连接，从而避免拉力F作用到下芯层上。

3.冲头和芯层筋格之间一一对应，缓冲槽与筋条一一对应两个组合之间形成联动关系，从而消除下蒙皮上形成的各种沟槽，以及上蒙皮上的沟槽。

4.通过在蒙皮上对应芯层筋格间隙的位置上，设置涂抹阻焊剂的筋条，防止相邻上芯层筋格在生长过程中发生扩散连接，以及防止芯层筋格与筋条发生连接，从而保证超塑成形过程中上芯层和上蒙皮之间的气体能够排出。

5.在模具中设置限位件，以控制可移动成形板在封闭腔室内的具有至少两个最大移动量，且每一个最大移动量对应一个功能，从而实现一模多用，简化了工艺设备。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例提供的上下芯层没完全塌陷的示意图；

图2为本发明实施例提供的芯层筋格挤压蒙皮的局部示意图；

图3为本发明实施例提供的上下芯层完全塌陷的示意图；

图4为本发明实施例提供的上下芯层阻焊剂涂覆部位的示意图；

图5为本发明实施例提供的成形后产品的结构示意图；

图6本发明实施例提供的气路不通时芯层筋格的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种上成形模具组件的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种下成形模具组件的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的限位件的第一尺寸的示意图；

图10为本发明实施例提供的限位件的第二尺寸的示意图；

图11本发明实施例提供的成形过程中蒙皮筋条与芯层筋格的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的热压成形模具处于工作状态的示意图；

图13为本发明实施例提供的实施例1中带筋条蒙皮的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的通气管路结构示意图；

附图标记：1-芯层筋格，2-相邻芯层筋格扩散连接处，3-半封闭区域，4-筋条，5-压板，6-沉头螺钉，7-弹簧，8-固定成形板，9-可移动成形板，91-冲头，92-缓冲槽，10-限位件，A-上蒙皮，B-上芯层，C-下芯层，D-下蒙皮，X-第一通气管路，Y-第二通气管路，Z-第三通气管路。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术，利用金属材料在一个温度区间内兼具超塑性与扩散连接性的特点，一次成形出带有空间夹层结构的整体构件。按照成形构件初始毛坯数量不同可以分为单层、两层、三层及四层结构形式。

针对四层结构，由上到下依次包括：上蒙皮、上芯层、下芯层和下蒙皮。成形之前利用上芯层和下芯层组成一个半封闭的“袋子”，并将袋子置于上下蒙皮之间。之后将上述四层结构设置于模具中，并升温直至芯层材料到达超塑状态。最后向“袋子”内部施加压力，使得“袋子”膨胀，并挤压上下蒙皮，最终使上下蒙皮紧贴模具内壁，从而完成成形过程。

在实际工艺中，会通过焊接的方式将部分“袋子”焊接到一起，如图4所示，阴影区域是上下芯层焊接的区域，因此只有白色的区域的部分才会在压力的作用下生长，这些白色区域生长后成为芯层筋格。成形完成后，上蒙皮A、上芯层B、下芯层C和下蒙皮D的位置如图5所示的结构。

在实际工艺中，上下芯层在重力的作用下会发生塌陷，上下芯层越厚，塌陷程度越大。根据塌陷程度，成形工艺分为三种情况：

第一种情况：

上下芯层足够薄，因此上下芯层塌陷可以忽略不计，此时认为上下芯层筋格同时接触上下蒙皮。因此，在该种情况下蒙皮的沟槽通常是由芯层筋格挤压蒙皮造成的。

第二种情况：

上下芯层足够厚，上下芯层塌陷导致下芯层直接与下蒙皮接触，如图3所示。在该种情况下，上芯层的筋格向上生长的会在下芯层与上芯层的焊接处(芯层筋格间隙)施加一个向上的拉力F。由于下芯层与下蒙皮扩散链接，拉力F拉伸下芯层会导致下蒙皮表面出现沟槽。而上蒙皮的沟槽是由上芯层筋格挤压造成的。

第三种情况：

根据图1所示的钛合金四层结构，该种情况的成形过程中大体分为4个阶段：

第一阶段为芯层筋格的生长期。

该阶段上芯层筋格向靠近上蒙皮的方向生长，下芯层筋格向靠近下蒙皮的方向生长。此时蒙皮不会出现沟槽。

第二阶段下芯层筋格与下蒙皮开始发生扩散连接，上芯层筋格继续生长。

由于上下芯层的塌陷，下芯层筋格会先于上芯层筋格接触到蒙皮。即下芯层筋格与下蒙皮发生扩散连接时，上芯层筋格还没有接触到上蒙皮。因此该阶段，下蒙皮在下芯层筋格的挤压下出现沟槽。

第三阶段下芯层筋格与下蒙皮逐步进行扩散连接，上芯层筋格继续生长。

在该阶段，下芯层筋格与下蒙皮在扩散连接的作用下形成连接关系，此时下芯层筋格向下生长受阻，因此上下芯层的气压会导致芯层筋格沿垂直于向下的方向横向膨胀，甚至导致下芯层筋格之间出现扩散连接。如果下芯层筋格之间发生连接，由于连接处通常发生在靠近下蒙皮的一层，因此连接处可能与下蒙皮再次发生扩散连接。一旦连接处与下蒙皮发生连接，继续生长的上芯层筋格会对下蒙皮产生一个向上的拉力F，如图2所示，从而使下蒙皮出现沟壑。

上述三种情况下，相邻的上芯层筋格的顶部可能会出现扩散连接如图6所示。相邻芯层筋格1在位置2处扩散连接，得到半封闭区域3。在超塑成形工艺中，芯层筋格的生长依靠上下芯层间的压力将上蒙皮和上芯层间的气体挤出。一旦得到半封闭区域3，半封闭区域3中的气体很难被挤压出去，这会影响最终的成形效果。因此，在本发明实施例中，在超塑成形过程中，形成类似的半封闭区域的情况被称为气路不通。

第四阶段，上芯层筋格触碰上蒙皮，并与上蒙皮放生扩散连接。

在该阶段上芯层筋格的挤压会造成上蒙皮出现沟槽。

综上所述，在钛合金四层结构超塑成形的过程中，蒙皮出现沟槽的原因主要有两种：第一种是芯层筋格的挤压，第二种是芯层筋格生长时的拉扯。针对上述问题，本发明实施例提供了一种基于钛合金四层结构的模具，如图7所示，包括：可移动成形板9，可移动成形板9上设置有冲头91，冲头91间设置有缓冲槽92。钛合金四层结构包括蒙皮和芯层，蒙皮上设置有筋条，筋条对应于芯层筋格的间隙；冲头与芯层筋格一一对应，缓冲槽与筋条一一对应。

对于第一种情况，以下芯层和下蒙皮为例，如图2所示，下芯层筋格在气压P1的作用下挤压下蒙皮，其中P1为第二通气管路充入的气体对芯层筋格产生的压力。而下芯层筋格间的气体对下蒙皮产生的压力为P2。冲头与芯层筋格一一对应，因此冲头以及冲头上的蒙皮承担压力P1，冲头在压力P1的作用下移动。缓冲槽处的蒙皮承担压力P2和背部应力F，其中背部应力F为芯层筋格挤压蒙皮产生的。在P2和背部应力F的作用下，缓冲槽处的蒙皮沿着缓冲槽内壁形成突出部，此时蒙皮表面出现沟槽。通常，突出部的尺寸由背部应力F决定。然而由于缓冲槽的存在，背部应力F不足以让突出部的尺寸持续增加，从而实现在蒙皮表面形成可消除的沟槽。之后，利用压力P1推动冲头，使得突出部两侧蒙皮继续向下运动，从而实现拉平蒙皮的目的。

对于第二种情况，利用蒙皮上的筋条将下芯层与上芯层的焊接处与蒙皮隔离开，以阻止下芯层与上芯层的焊接处与下蒙皮发生扩散连接，从而消除上芯层筋格向上生长时产生的拉力对下蒙皮的作用，最终保证下蒙皮不出现沟槽。同时可移动成形板保证上蒙皮不会出现沟槽。

对于第三种情况，伴随着下芯层筋格的生长，在第三阶段，可能会出现芯层筋格的拉力。此时单一的依靠可移动成形板都很难保证下蒙皮不出现沟槽，因此通过筋条与缓冲槽的相互配实现在第二和第三阶段消除沟槽。

具体地，在第三阶段，芯层筋格的挤压是产生应力的主要因素，而上芯层筋格的拉力是一个不稳定因素。也就是说，对于第三种情况，在通常情况下，上芯层筋格的拉力的出现是不可控的。而蒙皮上的筋条可以消除这个不确定因素，避免下蒙皮在成形过程中出现复杂的受力情况，保证可移动成形板能够消除芯层筋格的挤压产生的沟槽。

此外，对于以上3种情况，上蒙皮的筋条可以有效地解决气路不通的问题。具体地，如图11所示，蒙皮上的筋条4将相邻的四个芯层筋格1分隔开来。此时位置2形成了芯层筋格1和筋条4的接触，如果筋条4上没有阻焊剂，筋条4和芯层筋格1发生扩散连接，进而形成半封闭区域3，还是会导致气路不畅通。因此在成形前，要在筋条4上涂抹阻焊剂，以防止筋条4和芯层筋格1发生扩散连接，从而保证气路畅通。

进一步地，模具还包括：压板5、沉头螺钉6、弹簧7、固定成形板8和可移动成形板9。其中，可移动成形板9上设置有冲头91，冲头91间设置有缓冲槽92，冲头91与芯层筋格一一对应。缓冲槽92与蒙皮上的筋条一一对应。

具体的，固定成形板8与压板5连接形成腔室，可移动成形板9的移动侧位于腔室内，可移动成形板9的成形侧设有交替分布的冲头91和缓冲槽92。在一种可能的实施方式中，固定成形板8与压板5通过沉头螺钉6固定，可移动成形板9安装在固定成形板8上，可移动成形板9相对于固定成形板8可移动。在封闭腔室内，弹簧7一端连接压板5，一端连接可移动成形板9，也就是说，弹簧设置在可移动成形板9的移动侧和压板之间。

具体的，固定成形板8的一端与压板5连接，并通过沉头螺钉6固定。固定成形板8的另一端形成上下成形模具的对接面，可移动成形板9的成形侧端面不与固定成形板8的对接面平齐，便于形成上蒙皮、上芯层、下芯层和下蒙皮四层结构的容置成形空间，并使得该空间的形状与扣合后的上蒙皮和下蒙皮相匹配。

具体地，可移动成形板9相对于固定成形板8可沿层向移动，为了便于可移动成形板9在腔体内移动，固定成形板8的对接面侧可以设置阶梯孔，以便于冲头91和缓冲槽92穿过阶梯孔，可移动成形板9的移动侧搭接在限位台阶上，实现对可移动成形板9的限位和固定。

示例性地，固定成形板8为带有阶梯孔的筒状结构，具有小直径段和大直径段，可移动成形板9为活塞状，包括头端和杆端，头端直径大于杆端直径，杆端设有交替分布的冲头91和缓冲槽92。

初始状态下，可移动成形板9的头端搭接在台阶面上，杆端穿过小直径段，弹簧处于自然伸缩状态，或者弹簧一端抵住可移动成形板9的头端。

成形过程中，在成形压力和弹簧的共同作用下，可移动成形板9的头端沿固定成形板8的大直径段的筒壁移动，杆端一同移动，全部或部分移动至固定成形板8的大直径段。

具体地，固定成形板8可以设置安装槽，以便于冲头91和缓冲槽92穿过安装槽。缓冲槽的尺寸取决于芯层筋格间的距离。

在本发明实施例中，预成形使得蒙皮呈碗状，提前为芯层筋格预留足够的生长空间。这意味着需要多制备一个预成形的模具，多一个模具会增加工艺的复杂程度并影响器件尺寸的精确度。为了解决上述技术问题，本发明实施例在图7中模具的基础上，在所述封闭腔室内，压板5和可移动成形板9之间设置限位件10。通过限位件10，可以限制可移动成形板9在封闭腔室内的最大移动量。

为了实现限位件可呈多种状态，且每种状态下的高度尺寸不同，示例性地，限位件为多条曲率半径不同的弧线相接而成，如限位件包括球缺部和与球缺部光滑相接的弯钩部，弯钩部包括上弧面和下弧面，上弧面的半径大于下弧面的半径，球缺半径大小介于上弧面半径和下弧面半径之间，限位件可以沿位于球心部位的轴旋转，旋转角度不同时，限位件的高度尺寸不同。在一种位置中，限位件的球缺部与可移动成形板移动侧抵接，限位件的弯钩部的上弧面的最高点的弧线与压板底面相切，此时高度尺寸最大，限位部实现最小移动量的限值，在另一种位置中，限位件的球缺部一侧与可移动成形板5移动侧抵接，限位件的高度尺寸为球缺部半径，限位部可实现最大移动量的限值。

具体地，本发明实施例提供了另一种模具如图8-10所示，包括图6模具的全部结构和限位件10。图中限位件10具有两个尺寸，其中图8对应第一尺寸，图9对应第二尺寸。在限位件10以第一尺寸限制可移动成形板9移动时，该模具用于蒙皮预成形，在限位件处于第二尺寸时，该模具用于制备钛合金四层结构的下半部分。通过上述方式本发明实现了一模多用，简化了制备钛合金四层结构的工艺。

为了实现上述工艺，本发明实施例提供了一种上成形模具组件，包括；压板5、沉头螺钉6、弹簧7、固定成形板8和可移动成形板9。其中，可移动成形板9上设置有冲头91，冲头91间设置有缓冲槽92，冲头91与芯层筋格一一对应。缓冲槽92与蒙皮上的筋条一一对应。

本发明实施例还提供了一种下成形模具组件，如图8-10所示，包括图6模具的全部结构和限位件10。图中限位件10具有两个尺寸，其中图8对应第一尺寸，图9对应第二尺寸。在限位件10以第一尺寸限制可移动成形板9移动时，下成形模具组件用于蒙皮预成形，在限位件处于第二尺寸时，下成形模具组件用于制备钛合金四层结构的下半部分。

需要说明的是，之所以选择下模具组件作为一模多用的模具是为了适应热压成形工艺。在热压成形工艺中，热压成形设备上的热压成形模的工作状态如图12所示，显然此时下模具组件更适用于热压成形场景中。

本发明实施例提供了一种钛合金四层结构的蒙皮沟槽消除方法，包括以下步骤：

步骤1、选取用于四层结构高温成形的板材和模具组件，板材分别用于制备上蒙皮、下蒙皮、上芯层和下芯层；模具组件包括上成形模具和下成形模具，其中上成形模具和下成形模具采用上面述及的任一结构形式。

步骤2、分别在上蒙皮和下蒙皮上设置筋条，并在筋条上涂抹阻焊剂。

本发明通过在下蒙皮上对应芯层筋格间隙的位置上，设置涂抹阻焊剂的筋条，以防止下芯层与上芯层焊接处与蒙皮发生连接，从而避免拉力F作用到下芯层上。

步骤3、利用下成形模具分别对步骤2中的上下蒙皮进行预成形。

步骤4、依次按照预成形上蒙皮、上芯层、下芯层、预成形下蒙皮叠放，并设置通气管路，得到构件。

在本发明实施例中，如图14所示在上蒙皮和上芯层之间设置第一通气管路X，在上芯层和下芯层之间设置第二通气管路Y，在下芯层和预成形下蒙皮之间设置第三通气管路Z。

步骤5、将构件装入上成形模具和下成形模具组成的空间内，其中预成形上蒙皮与上成形模具的冲头抵接，预成形下蒙皮与下成形模具的冲头抵接。

步骤6、将构件、上成形模具和下成形模具安装至热成形机上，将整体加热到特定温度后，通过通气管路向预成形上蒙皮、上芯层之间以及预成形下蒙皮、下芯层之间施加压力，使上芯层和下芯层完成扩散连接；通过通气管路向上、下芯层之间施加压力，实现芯层筋格的超塑成形。

需要说明的是，上下蒙皮预成形后，上下蒙皮形变量为最终形变量的[60％，80％]。如前所述，消除蒙皮沟槽是借助可移动成形板的可移动性，再结合冲头、缓冲槽和蒙皮筋条之间相互配合的完成的，所以消除蒙皮沟槽需要与钛合金四层结构成形是同步完成的。基于此，在本发明实施例中，钛合金四层结构成形过程为消除蒙皮沟槽过程的一部分。

为了说明上述方案的可行性，本发明给出以下具体实施方式：

实施例1

本实施例提供了一种钛合金四层结构成形模具，包括压板5、沉头螺钉6、弹簧7、固定成形板8和可移动成形板9。固定成形板8与压板5连接形成腔室，可移动成形板9的移动侧位于腔室内，可移动成形板9的成形面侧设有交替分布的冲头91和缓冲槽92。固定成形板8为带有阶梯孔的筒状结构，具有小直径段和大直径段，可移动成形板9为活塞状，包括头端和杆端，头端直径大于杆端直径，杆端设有交替分布的冲头91和缓冲槽92。可移动成形板9的冲头91和缓冲槽92穿过阶梯孔，可移动成形板9的移动侧搭接在限位台阶上，实现对可移动成形板9的限位和固定。在成形压力和弹簧的共同作用下，可移动成形板9的头端沿固定成形板8的大直径段的筒壁移动，杆端一同移动，全部或部分移动至固定成形板8的大直径段。

压板上设有沉头孔以及高温弹簧安装座，以便于高温弹簧的安装以及压板的固定。可动成形板上的每一个小冲头与钛合金四层结构超塑成形的每个筋格相对应，以便在相应位置施加适当的压力，而中间空隙部位可给超塑成形蒙皮预留成形空间，以便在后续成形中消除。

上述成形模具的原理如下：在超塑成形的气压加载以及高温弹簧的作用下，钛合金四层结构产品会在可动型面的引导下缓慢成形，由于筋格间不可避免的挤压力以及芯层与蒙皮之间背压的存在，蒙皮在该模具内会成形处如图2所示的向外突出的可消除沟槽。由于模具上该空隙足够小，因此完全成形该沟槽所需的成形力F较大，而筋格间的挤压力不足以抵抗该成形力F，因此该向外突出的沟槽仅维持在较低的高度。当蒙皮完全贴模时，由于背压的消失以及模具表面的反作用力，最终可以实现沟槽的去除以及表面平整的效果。

实施例2

本实施例提供了一种超塑成形模具组件，包括上成形模具和下成形模具，上成形模具和下成形模具。

上成形模具可采用图7所示的成形模具，下成形模具也可采用图7所示的成形模具，此时，可采用现有的热压成形模具进行上下蒙皮预成形。

上成形模具可采用图7所示的成形模具，下成形模具采用图8所示的成形模具，此时，可采用下成形模具进行上下蒙皮预成形。

上成形模具可采用图8所示的成形模具，下成形模具采用图8所示的成形模具，此时，可采用上成形模具或下成形模具进行上下蒙皮预成形。

采用图8所示的成形模具时，其中新增了一对凸轮结构，因此当凸轮结构固定可动成形板面后(见图9)，该模具可作为上下蒙皮预成形下模用，而当凸轮结构放松时(见图10)，该模具可作为超塑成形模具使用。

以四层结构超塑扩散成形的基本单元为例，采用图8所示的成形模具的成形方法包括：选取用于四层结构高温成形的板材，分别为上蒙皮、下蒙皮、上芯层、下芯层；利用凸轮将成形下模具固定成为热压模具，利用该模具以及热成形上模具将上下蒙皮进行成形，初步得到蒙皮的基本轮廓；为防止成形面材料相互扩散，在蒙皮和芯层的筋格以及通气孔处涂覆阻焊剂；将四层板材依次按照上蒙皮、上芯层、下芯层、下蒙皮叠放，将通气管路焊接到如图14所示的位置后，将其四周封焊；将成形下模具的凸轮置于松开位置，然后将所得构件装入超塑成形上下模中并安装至热成形机上，将整体加热到特定温度后，向上蒙皮、上芯层之间以及下蒙皮、下芯层之间施加压力，使其完成扩散连接；向上、下芯层之间施加压力，实现芯层筋格的超塑成形。

实施例3

本实例中零件的材料为TA15钛合金，零件的外形尺寸为300mm×300mm，其内部结构如图7所示。本实例的具体方法步骤如下：

步骤一、进行坯料的下料。

利用激光切割机对平板进行下料，下料尺寸为300mm×300mm，其中，上、下蒙皮板料的厚度为1.6mm。完成下料后，利用角磨机将板料四周的熔渣去除。

步骤二、进行上下蒙皮的机加预处理。

在本发明实施例中，拟采用铣的方法加工抑制局部扩散的结构。将完成下料的蒙皮在铣床上加工出如图13所示的结构。其中筋条部位宽2mm，格子部位去除材料0.8mm。最后在筋条部位加工出R1的圆角，以防止成形过程中，筋条刺破芯层筋格。

步骤三、进行上下蒙皮热压预成形。

为了提高芯层超塑成形的质量，须对上下蒙皮进行热压预成形。首先将机加预处理上下蒙皮进行碱崩酸洗，以去除表面油污、便于防护涂料的附着。随后将碱崩酸洗后的上下蒙皮表面均匀的喷涂热防护涂层，以进行热成形过程中的润滑和防护。最后将其置于热成形机内预热5分钟后成形，完成成形后保压10分钟，得到蒙皮的基本轮廓。

步骤四、涂覆阻焊剂。

蒙皮的筋条以及芯层气路以及成形部位需要涂覆阻焊剂，以防止高温下发生扩散连接。首先对蒙皮以及芯层内表面涂覆可剥漆，用刀片刻画相应形状后将其剥离。最后将调配好的阻焊剂均匀地喷涂在蒙皮以及芯层的内表面，待阻焊剂完全干燥后，将其余可剥漆去除。

步骤五、封焊。

首先将上芯层将下芯层焊接到一起，并在图14所示的进气口位置焊接进第二通气管路。然后将上、下蒙皮以及封焊好的上下芯层焊接到一起，并在上蒙皮与上芯层之间焊接第一通气管路，在下蒙皮与下芯层之间焊接第三通气管路。

步骤六、扩散连接及超塑成形。

将焊接后的整体装入上模具组件和下模具组件扣合的模具后，将其置于热压机中整体加热到扩散连接温度。随后向第一通气管路、第三通气管路中施加0.1MPa的气压并保温2h，使芯层紧贴，有利于完成其扩散连接。待扩散连接完成后，将板材整体升温到超塑成形温度，并向第二通气管路中持续施加气压，使板材整体完成超塑成形/扩散连接的过程。蒙皮内表面筋条的存在，避免了芯层筋格在超塑成形过程中提前在蒙皮出扩散连接到一起，保证了蒙皮与芯层之间腔体的气路通畅，使得腔体内部气体能够排除，保障了超塑成形过程中内部筋格的质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛合金四层结构成形模具，其特征在于，所述钛合金四层结构由上到下依次包括：上蒙皮、上芯层、下芯层和下蒙皮，所述上蒙皮和所述下蒙皮上设置有筋条，所述筋条对应于芯层筋格的间隙；所述成形模具包括：可移动成形板；

所述可移动成形板上设置有冲头，所述冲头间设置有缓冲槽；

所述冲头与所述芯层筋格一一对应，所述缓冲槽与所述筋条一一对应。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具还包括：

压板、弹簧和固定成形板；

所述固定成形板与所述压板形成封闭腔室；

所述可移动成形板安装在所述固定成形板上，所述可移动成形板相对于所述固定成形板可移动；

在所述封闭腔室内，所述弹簧一端连接所述压板，一端连接所述可移动成形板。

3.根据权利要求2所述的模具，其特征在于，

所述模具还包括：限位件；

所述限位件设置在所述封闭腔室内，且设置在所述压板和所述可移动成形板之间，用于限制所述可移动成形板在所述封闭腔室内的最大移动量。

4.根据权利要求3所述的模具，其特征在于，

所述限位件包括第一尺寸和第二尺寸；

所述限位件以所述第一尺寸限制所述移动量时，所述模具用于蒙皮的预成形；

所述限位件以所述第二尺寸限制所述移动量时，所述模具用于制备所述钛合金四层结构。

5.根据权利要求4所述的模具，其特征在于，

所述蒙皮的预成形形变量为所述蒙皮的最终形变量的60％～80％。

6.一种模具组件，其特征在于，所述模具组件包括：上成形模具；

所述上成形模具采用权利要求1或2所述的模具。

7.根据权利要求6所述的模具组件，其特征在于，所述模具组件还包括：下成形模具；所述下成形模具采用权利要求1-5任一项所述的模具。

8.一种钛合金四层结构的蒙皮沟槽消除方法，其特征在于，包括：

步骤1、选取用于四层结构高温成形的板材和模具组件，所述板材分别用于制备上蒙皮、下蒙皮、上芯层和下芯层；所述模具组件包括上成形模具和下成形模具，上成形模具采用权利要求1或2所述的模具，下成形模具采用权利要求1-5任一项所述的模具；

步骤2、分别在所述上蒙皮和所述下蒙皮上设置筋条，并在所述筋条上涂抹阻焊剂；

步骤3、利用下成形模具分别对步骤2中的上下蒙皮进行预成形；

步骤4、依次按照预成形上蒙皮、所述上芯层、所述下芯层、预成形下蒙皮叠放，并设置通气管路，得到构件；

步骤5、将所述构件装入上成形模具和下成形模具组成的空间内，其中所述预成形上蒙皮与所述上成形模具的冲头抵接，所述预成形下蒙皮与所述下成形模具的冲头抵接；

步骤6、将所述构件、所述上成形模具和所述下成形模具安装至热成形机上，加热到扩散连接温度；通过所述通气管路向所述预成形上蒙皮、所述上芯层之间以及所述预成形下蒙皮、所述下芯层之间施加压力，使所述上芯层和所述下芯层完成扩散连接；通过所述通气管路向上、下芯层之间施加压力，实现芯层筋格的超塑成形。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤2包括：

在所述下蒙皮上设置第一筋条，并在所述第一筋条上设置圆角；

和所述上蒙皮上设置第二筋条，并在所述第二筋条上设置圆角；

所述第一筋条对应所述下芯层筋格间的空隙；

所述第二筋条对应所述上芯层筋格间的空隙。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

在所述上蒙皮和所述上芯层之间设置第一通气管路；

在所述上芯层和所述下芯层之间设置第二通气管路；

在所述下芯层和所述下蒙皮之间设置第三通气管路。

Images