CN113926905B - 一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具及成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具，包括：成形凸模和成形凹模；在所述成形凸模上设置有凸模型面，在所述成形凹模上设置有凹模型面；在凸模型面内设置有压力腔，在成形凸模上设置有进气孔连通至所述压力腔，在进气孔上设置有进气管；在成形凹模的底部上设置有排气孔，所述排气孔向上延伸至所述凹模型面上。在进行超塑成形加工时，毛坯料与凸模型面上的压力腔形成一个封闭的压力空间，毛坯料被加热到超塑性温度后，在气体压力的作用下，毛坯料产生超塑性变形，完全贴合成形凹模的凹模型面，得到喷管Ⅱ段前壳体分半零件，将两个喷管Ⅱ段前壳体分半零件焊接得到喷管Ⅱ段前壳体零件。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机零件成型加工技术领域，尤其涉及一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具及成形方法。
背景技术
航空发动机喷管Ⅱ段前壳体零件(结构见图1和图2)，所成形的喷管Ⅱ段前壳体是一个一端为圆另一端为椭圆的变截面钛合金钣金件，椭圆的长轴比圆的直径大，椭圆的短轴比圆的直径小；零件技术条件要求沿母线纵向焊缝不多于2条。
由于钛合金在常温下韧性强、粘性大、导湿导热差、弹性模量小、化学亲和力强造成钛合金零件常温下成形困难，成形精度不高。采用传统的热成形方法成形零件，由于零件的变截面结构特点，无法实现校形，从而无法得到符合产品精度要求的零件。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具及成形方法，旨在解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具，包括：成形凸模和成形凹模；在所述成形凸模上设置有凸模型面，在所述成形凹模上设置有凹模型面；在凸模型面内设置有压力腔，在成形凸模上设置有进气孔连通至所述压力腔，在进气孔上设置有进气管；在成形凹模的底部上设置有排气孔，所述排气孔向上延伸至所述凹模型面上。
优选的，在所述凹模型面包括第一区域、以及第一区域前、后两侧的第二区域；所述第一区域的形状与喷管Ⅱ段前壳体分半零件的形状一致，所述第二区域与第一区域平滑过渡；所述凸模型面与所述凹模型面之间的间隙为喷管Ⅱ段前壳体分半零件厚度的1.0～1.1倍。
优选的，在第一区域前、后两侧的第二区域上分别设置有筋槽；在所述凸模型面上设置有筋；在第一区域两侧筋槽的左、右两端延伸至成形凹模的顶面并相连形成封环状；在所述成型凸模的左、右两侧设置有耳板，凸模型面上筋的两端延伸至成形凸模两侧耳板的下表面上并相连形成封环状；所述筋槽与筋的位置相对应。
优选的，所述排气孔位于所述第一区域两侧边缘与筋槽之间位置处。
优选的，在所述成形凸模上设置有减轻孔。
优选的，在所述成形凹模的底平面上设置有排气槽，所述排气孔连通至所述排气槽。
优选的，在所述成形凹模正面上设置有挡板；所述成形凸模和所述成形凹模合模时，所述挡板抵挡在所述成形凸模的前端面上。
优选的，在所述成形凸模和所述成形凹模上分别设置有起吊螺栓。
本发明还提供了一种变截面钛合金壳体零件超塑成形方法，采用所述变截面钛合金壳体零件超塑成形模具，包括如下步骤：
步骤S1：制备毛坯料：所述毛坯料包括锥筒部和法兰边，毛坯料制备步骤为：按照喷管Ⅱ段前壳体分半零件展开尺寸加上加工余量计算板料尺寸，采用板材进行下料得到扇形毛料，将扇形毛料进行滚弯形成锥筒部，再折弯形成法兰边；
步骤S2：涂保护层及石墨层：在毛坯料的上下表面、以及超塑成形模具上凸模型面、凹模型面、成形凹模的顶面、成型凸模上耳板的下表面上涂Ti-1#保护层，待干燥后再涂石墨水溶液润滑剂，室温下自然干燥；
步骤S3：超塑成形：超塑成形模具安装在热压力机工作台上，将热压力机的气管与模具的进气管对接，对热压力机设备及超塑成形模具加热升温至第一设定温度，将毛坯料放入超塑成形模具内并保温，所述毛坯料的法兰边放置在所述成形凹模顶面上，毛坯料上锥筒部的余量部分放置在凹模型面的第二区域上，待毛坯料升温至第一设定温度后，将成形凸模和成形凹模合模压紧毛坯料，往进气管中充入氩气并保压，降温至第二设定温度时将零件取出，自然冷却后得到半成形零件；
步骤S4：对步骤S3中得到的半成形零件进行清洗，除石墨；划线后进行线切割得到喷管Ⅱ段前壳体分半零件，将两个喷管Ⅱ段前壳体分半零件焊接得到喷管Ⅱ段前壳体零件。
优选的，步骤S1中采用TA15板材进行下料；在步骤S3中，所述第一设定温度为800℃～1000℃，所述第二设定温度为400℃～700℃；所述步骤S4中焊接方式为激光焊接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明所提供的超塑成形模具，在进行超塑成形加工时，毛坯料与凸模型面上的压力腔形成一个封闭的压力空间，毛坯料被加热到超塑性温度后，在气体压力的作用下，毛坯料产生超塑性变形，完全贴合成形凹模的凹模型面，得到喷管Ⅱ段前壳体分半零件，将两个喷管Ⅱ段前壳体分半零件焊接得到喷管Ⅱ段前壳体零件，采用本发明所提供的超塑成形模具及成形方法制备得到的喷管Ⅱ段前壳体零件，具有成形性好、精度高、没有回弹、无残余应力的优点。
(2)通过在成形凸模上设置筋、以及在成形凹模上设置筋槽，合模时筋与筋槽将毛坯料压紧并起到密封的作用，增强了超塑成形模具的密封性能。
附图说明
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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为喷管Ⅱ段前壳体零件的主视图；
图2为图1中喷管Ⅱ段前壳体零件沿A-A的剖视图；
图3为本发明提供的一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的立体结构示意图；
图4为本发明提供的一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的主视图；
图5为本发明中成形凸模的结构示意图；
图6为本发明中成形凹模的结构示意图；
图7为图4中沿B-B的剖视图；
图8为图4中沿C-C的剖视图
图9为喷管Ⅱ段前壳体分半零件的主视图；
图10为喷管Ⅱ段前壳体分半零件的左视图；
图11为本发明中毛坯料的主视图；
图12为本发明中毛坯料的右视图；
图13为本发明中毛坯料的俯视图；
图14为本发明中半成形零件的主视图；
图15为图14中沿D-D的剖视图；
图16为本发明中半成形零件的俯视图；
附图标号说明：1-喷管Ⅱ段前壳体零件；2-喷管Ⅱ段前壳体分半零件；3-毛坯料；31-锥筒部；32-法兰边；4-半成形零件-；100-成形凸模；101-凸模型面；102-压力腔；103-进气孔；104-进气管；105-筋；106-减轻孔；107-耳板；200-成形凹模；201-凹模型面；2011-第一区域；2012-第二区域；202-排气孔；203-筋槽；204-排气槽；300-挡板；400-起吊螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示为喷管Ⅱ段前壳体零件1的结构示意图，该零件是一个一端为圆，另一端为椭圆的变截面钛合金钣金件，椭圆的长轴比圆的直径大，椭圆的短轴比圆的直径小，即该零件X方向的正向端为圆形，X方向的负向端为椭圆形，该零件在沿着X方向上由椭圆形逐渐过渡到圆形；喷管Ⅱ段前壳体零件1的材质为TA15。
如图9、图10所示为喷管Ⅱ段前壳体分半零件2的结构示意图，该喷管Ⅱ段前壳体分半零件2为管Ⅱ段前壳体零件1沿椭圆的长轴所在的对称平面一分为二的分半零件，X方向的正向端为半圆形，X方向的负向端为半椭圆形状，该喷管Ⅱ段前壳体分半零件2在沿X方向上有半椭圆形状逐渐过渡到半圆形。
如图11至图13所示为本发明中毛坯料3的结构示意图，毛坯料3的结构包括半锥筒形状的锥筒部31以及锥筒部31两侧的法兰边32。
如图1至图8所示为发明提供的一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的具体实施例，所述超塑成形模具包括：成形凸模100和成形凹模200；在所述成形凸模100上设置有凸模型面101，在所述成形凹模200上设置有凹模型面201；在凸模型面101内设置有压力腔102，在成形凸模100上设置有进气孔103连通至所述压力腔102，在进气孔103上设置有进气管105；在成形凹模200的底部上设置有排气孔202，所述排气孔202向上延伸至所述凹模型面201上。
在本实施例中，如图5、图6所示，在所述凹模型面201包括第一区域2011、以及第一区域2011前、后两侧的第二区域2012；所述第一区域2011的形状与喷管Ⅱ段前壳体分半零件的形状一致，所述第二区域2012与第一区域2011平滑过渡；所述凸模型面101与所述凹模型面201之间的间隙为喷管Ⅱ段前壳体分半零件厚度的1.0～1.1倍，在本实施例中，成形凸模100和成形凹模200的材质为Ni7N，按模具材料和TA15的线膨胀系数计算缩放系数，凹模型面201、凸模型面101的缩放系数为0.8～1.0。
在本实施例中，如图5、图6所示，在第一区域2011前、后两侧的第二区域2012上分别设置有筋槽203，在X方向上，筋槽203距离第一区域2011边缘的距离为20mm；另外，压力腔102在XY平面上投影的面积大于第一区域2011在XY平面上投影的面积，在X方向上，凸模型面101上压力腔102的边缘距离第一区域2011边缘的距离为15mm。在所述凸模型面101上设置有筋105；在第一区域2011两侧筋槽203的左、右两端延伸至成形凹模200的顶面并相连形成封环状；在所述成型凸模100的左、右两侧设置有耳板107，凸模型面101上筋105的两端延伸至成形凸模100两侧耳板107的下表面上并相连形成封环状；所述筋槽203与筋105的位置相对应。在对毛坯料3进行超塑成形加工时，所述毛坯料3的法兰边31放置在所述成形凹模200顶面上，毛坯料3上锥筒部31的余量部分放置在凹模型面201的第二区域2012上，成形凸模100与成形凹模200合模时，成形凸模100两侧耳板107的下表面将毛坯料3的法兰边31压紧在成形凹模200两侧的顶面上，凸模型面101上压力腔102以外的区域将毛坯料3上锥筒部31的余量部分压紧在凹模型面201的第二区域2012上，通过筋槽203与筋105相配合的结构使得压力腔102形成一个封闭的压力空间。
在本实施例中，如图6所示，所述排气孔202位于所述第一区域2011两侧边缘与筋槽203之间位置处，具体地，排气孔202的数量为两个沿X方向分布、且位于第一区域2011的两侧，排气孔202距离第一区域2011边缘的距离为10mm。排气孔202位于第一区域2011外，可以避免排气孔202对成型后的零件表面造成伤害。
在本实施例中，如图5所示，在所述成形凸模100上设置有减轻孔106。设置减轻孔106目的是为了减轻成形凸模100的重量，便于模具的起吊移动。
在本实施例中，如图6所示，在所述成形凹模200的底平面上设置有排气槽205，所述排气孔202连通至所述排气槽205。
在本实施例中，如图1、图2所示，在所述成形凹模100正面上设置有挡板300；所述成形凸模100和所述成形凹模200合模时，所述挡板300抵挡在所述成形凸模100的前端面上，具体地，挡板300设置在凹模型面201为半圆形一端的端面上，由于凹模型面201在沿X正方向上呈现向下倾斜的形状，通过设置挡板300既可在合模时为成形凸模100形成定位，又可在放入毛坯料3时对毛坯料3进行定位。
在本实施例中，在所述成形凸模100和所述成形凹模200上分别设置有起吊螺栓400。设置起吊螺栓400便于模具的起吊移动。
本发明还提供了一种变截面钛合金壳体零件超塑成形方法，采用所述变截面钛合金壳体零件超塑成形模具，包括如下步骤：
步骤S1：制备毛坯料3：所述毛坯料3包括锥筒部31和法兰边32，毛坯料制备步骤为：按照喷管Ⅱ段前壳体分半零件2展开尺寸加上加工余量计算板料尺寸，采用TA15板材进行下料得到扇形毛料，将扇形毛料进行滚弯形成锥筒部31，再折弯形成法兰边32；
步骤S2：涂保护层及石墨层：在毛坯料3的上下表面、以及超塑成形模具上凸模型面101、凹模型面201、成形凹模200的顶面、成型凸模100上耳板107的下表面上涂Ti-1#保护层，待干燥后再涂石墨水溶液润滑剂，室温下自然干燥；
步骤S3：超塑成形：超塑成形模具安装在热压力机工作台上，将热压力机的气管与模具的进气管103对接，对热压力机设备及超塑成形模具加热升温至第一设定温度800℃～1000℃，将毛坯料3放入超塑成形模具内并保温，所述毛坯料3的法兰边31放置在所述成形凹模200顶面上，毛坯料3上锥筒部31的余量部分放置在凹模型面201的第二区域2012上，待毛坯料3升温至第一设定温度800℃～1000℃后，将成形凸模100和成形凹模200合模压紧毛坯料3，往进气管103中充入氩气并保压，降温至第二设定温度400℃～700℃时将零件取出，自然冷却后得到半成形零件4；
步骤S4：对步骤S3中得到的半成形零件4进行清洗，除石墨；划线后进行线切割得到喷管Ⅱ段前壳体分半零件2，将两个喷管Ⅱ段前壳体分半零件2激光焊接得到喷管Ⅱ段前壳体零件1。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于，所述变截面钛合金壳体零件超塑成形模具包括：成形凸模（100）和成形凹模（200）；
在所述成形凸模（100）上设置有凸模型面（101），在所述成形凹模（200）上设置有凹模型面（201）；
在凸模型面（101）内设置有压力腔（102），在成形凸模（100）上设置有进气孔（103）连通至所述压力腔（102），在进气孔（103）上设置有进气管（105）；
在成形凹模（200）的底部上设置有排气孔（202），所述排气孔（202）向上延伸至所述凹模型面（201）上；
所述凹模型面（201）包括第一区域（2011）、以及第一区域（2011）前、后两侧的第二区域（2012）；所述第一区域（2011）的形状与喷管Ⅱ段前壳体分半零件的形状一致，所述第二区域（2012）与第一区域（2011）平滑过渡；所述凸模型面（101）与所述凹模型面（201）之间的间隙为喷管Ⅱ段前壳体分半零件厚度的1.0~1.1倍；
在所述成形凸模（100）的左、右两侧设置有耳板（107），凸模型面（101）上筋（105）的两端延伸至成形凸模（100）两侧耳板（107）的下表面上并相连形成封环状；
所述变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，包括如下步骤：
步骤S1：制备毛坯料（3）：所述毛坯料（3）包括锥筒部（31）和法兰边（32），毛坯料制备步骤为：按照喷管Ⅱ段前壳体分半零件（2）展开尺寸加上加工余量计算板料尺寸，采用板材进行下料得到扇形毛料，将扇形毛料进行滚弯形成锥筒部（31），再折弯形成法兰边（32）；
步骤S2：涂保护层及石墨层：在毛坯料（3）的上下表面、以及超塑成形模具上凸模型面（101）、凹模型面（201）、成形凹模（200）的顶面、成形凸模（100）上耳板（107）的下表面上涂Ti-1#保护层，待干燥后再涂石墨水溶液润滑剂，室温下自然干燥；
步骤S3：超塑成形：超塑成形模具安装在热压力机工作台上，将热压力机的气管与模具的进气管（103）对接，对热压力机设备及超塑成形模具加热升温至第一设定温度，将毛坯料（3）放入超塑成形模具内并保温，所述毛坯料（3）的法兰边（31）放置在所述成形凹模（200）顶面上，毛坯料（3）上锥筒部（31）的余量部分放置在凹模型面（201）的第二区域（2012）上，待毛坯料（3）升温至第一设定温度后，将成形凸模（100）和成形凹模（200）合模压紧毛坯料（3），往进气管（103）中充入氩气并保压，降温至第二设定温度时将零件取出，自然冷却后得到半成形零件（4）；
步骤S4：对步骤S3中得到的半成形零件（4）进行清洗，除石墨；划线后进行线切割得到喷管Ⅱ段前壳体分半零件（2），将两个喷管Ⅱ段前壳体分半零件（2）焊接得到喷管Ⅱ段前壳体零件（1）。
2.如权利要求1所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：在第一区域（2011）前、后两侧的第二区域（2012）上分别设置有筋槽（203）；在所述凸模型面（101）上设置有筋（105）；
在第一区域（2011）两侧筋槽（203）的左、右两端延伸至成形凹模（200）的顶面并相连形成封环状；
所述筋槽（203）与筋（105）的位置相对应。
3.如权利要求2所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：所述排气孔（202）位于所述第一区域（2011）两侧边缘与筋槽（203）之间位置处。
4.如权利要求1所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：在所述成形凸模（100）上设置有减轻孔（106）。
5.如权利要求1所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：在所述成形凹模（200）的底平面上设置有排气槽（205），所述排气孔（202）连通至所述排气槽（205）。
6.如权利要求1所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：在所述成形凹模（100）正面上设置有挡板（300）；所述成形凸模（100）和所述成形凹模（200）合模时，所述挡板（300）抵挡在所述成形凸模（100）的前端面上。
7.如权利要求1所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：在所述成形凸模（100）和所述成形凹模（200）上分别设置有起吊螺栓（400）。
8.如权利要求1所述的变截面钛合金壳体零件超塑成形模具的成形方法，其特征在于：步骤S1中采用TA15板材进行下料；在步骤S3中，所述第一设定温度为800℃～1000℃，所述第二设定温度为400℃～700℃；所述步骤S4中焊接方式为激光焊接。
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