CN113926914A - 一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，属于金属塑性加工技术领域。针对大直径浅波波纹管结构特点，本发明采用圆形薄板为原材料，通过冲压预成形、激光切边制坯，经液压胀形出相应波形，辅以机械加工最终成形出波纹管。本发明具有可靠性高、成品率高及尺寸精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，尤其涉及一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法。
背景技术
涡扇发动机是现在多数军用飞机和民用飞机的动力装置，其性能决定着飞机的机动性、工作稳定性、安全性以及可靠性。自20世纪50年代以后，无论在军用还是在民用应用方面，涡扇发动机一直占据主导的地位。航空工业的不断发展使飞机大大增加了对发动机的性能要求，发动机推重比的提高导致发动机零部件的工作环境更加的严酷、恶劣。因此，提升航空发动机零部件的强度和可靠性十分必要。其中，波纹管(或称膨胀节)具有补偿位移、吸收振动等功能，是航空涡扇发动机中的重要补偿结构。波纹管通过自身的弹性伸缩来补偿温度和载荷给发动机内部的管道或管形件带来的位移变化，同时能够吸收机械振动，从而提高发动机的使用寿命。
针对涡扇发动机用高温合金大直径浅波薄壁波纹管，一般采用冲压+弯曲+组焊的组合工艺进行成形。由于是多段拼焊而成，往往为保障焊接精度，需进行多次校形，而焊缝呈现S形，焊接难度大幅提高；焊后则因焊接热输入，导致其变形严重，精度难以得到有效保证；即使最终产品精度得以保证，依然存在多条焊缝，可靠性大幅降低。因此，传统的组合工艺不再适用大直径浅波薄壁波纹管的制造。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，提高了大直径浅波薄壁波纹管成形后的轮廓精度，消除了焊缝对产品可靠性的影响，提升了产品成品率。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，包括如下步骤：
步骤一：将冲压模具安装在压机上，高温合金圆板放置于凹模上，凸模以8～15mm/s的速度合模，保持1～5min；
步骤二：利用激光切割对步骤一制作的高温合金冲压件进行裁剪，制成高温合金筒坯，激光器功率为1800～3000W，切割速度为5～10m/min，气压为12～20Pa；
步骤三：计算出单波展开波长，预设膜片之间的间隙，并用等高垫块填充间隙，将步骤二中制作的高温合金筒坯装入胀形工装；
步骤四：注水加压，逐步加注至压力P1，取出垫块，轴向施加载荷，同时加压至压力P2，待膜片无间隙，在压力P2水平下保持3～5min，拆卸胀形工装与胀形毛坯；
步骤五：将步骤四制作的胀型毛坯预留尺寸机械切断；
步骤六：将步骤五制作的切断毛坯安装在分体式模具上，在车床上安装滚轮，将切断毛坯直边部分由轴向翻至径向；
步骤七：机械加工进行切边得到波纹管。
高温合金大直径浅波薄壁波纹管为整体成形，直径≥600mm、波高为8～20mm、壁厚为0.6～2mm。
所述步骤三中，单波展开波长为
其中，a为波纹管波峰波谷过渡区直壁部分长度、R0为波纹管内径、s为波纹管壁厚、Rn为波纹管波峰波谷内径。
步骤三中，胀型工装包括上端盖、间隔段、膜片、箍环、等高垫块和下端盖，间隔段和箍环均为环形结构，膜片为半圆环；将高温合金筒坯放置在下端盖上；根据待加工的波纹管侧壁的形状和尺寸，在高温合金筒坯外安装间隔段、膜片和箍环，形成多层结构，层与层之间使用等高垫块支撑，上端盖安装在高温合金筒上方；其中，半圆环形的膜片对接后采用箍环固定，上端盖、下端盖处用密封圈密封。
所述步骤三中的胀形工装预设回弹补偿量，比波纹管尺寸增大0.4～0.8mm。
所述步骤四中，压力P1为4～10MPa，轴向载荷下压速度为2～5mm/s，压力P2为6～14MPa。
所述步骤五中预留尺寸比波纹管的实际尺寸增加2～5mm。
所述步骤六中，分体式模具包括顶盘、压环、压块；顶盘为带螺纹孔实心圆盘，压环为4块相同尺寸的扇形结构板，扇形结构板的圆心角为90度，压环的侧壁外表面与波纹管侧壁内表面形状一致；压块为4条矩形带弧长条；使用时，各压环安装在切断毛坯内部，并与压块共同支撑切断毛坯，顶盘通过螺栓与压块和压环固定。
所述步骤六中，翻边时主轴转速为40～80r/min。
所述步骤七中，机械加工根据波纹管的图纸要求内外径尺寸进行加工。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明采用冲压成形制坯，可以完全消除波纹管焊缝，增加了产品可靠性，避免了由焊接所产生的尺寸精度影响；采用液压胀形，通过预设胀形工装补偿量，合理设计胀形工艺参数，实现了波纹管波形的精密成形，有效保证了产品精度，提高了产品成品率；采用分体式模具，有效实现了波纹管直壁部分的滚压翻边，通过合理设置滚压参数，保证了产品的成形精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例所获得的薄壁波纹管图；
图2是本发明实施例中的冲压制坯示意图；
图3是本发明实施例提供的胀形工装结构示意图；
图4是本发明实施例中的切断示意图；
图5是本发明实施例提供的分体式工装结构示意图；
图6是本发明实施例提供的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法的流程图。
具体实施方式
一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法是在长期制造生产中的极大工艺改进。在以往生产过程中，多采用分段冲压成波形，再弯曲成形为弧段，组焊形成最终产品，成形精度极差，严重影响后续装配。焊缝强度低于母材强度，且存在应力集中，极大降低了产品的可靠性。
为改善上述传统工艺方法的缺陷与不足，本发明采用了冲压成形制坯，消除了波纹管焊缝；通过液压胀形，实现了波形的精密成形；通过滚压成形，实现了波纹管直壁部分的翻边。
如图1～6所示，一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，所述的高温合金波纹管为整体成形，无焊缝，直径≥600mm、波高8～20mm、壁厚0.6～2mm。
在本发明中，高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形工序为冲压成形、激光切割、液压胀形、机械加工。
本发明的具体实施步骤如下：
步骤一：将冲压模具安装在压机上，高温合金圆板放置于凹模上，凸模以8～15mm/s的速度合模，保持1～5min；
步骤二：利用激光切割将步骤一制作的高温合金冲压件进行裁剪，制成高温合金筒坯，激光器功率1800～3000W，切割速度5～10m/min，气压12～20Pa；
步骤三：计算出单波展开波长，预设膜片间隙，并用等高垫块填充间隙，将步骤三制作的高温合金筒坯装入胀形工装，其中上下端盖处用密封圈密封；
步骤三中，胀型工装包括上端盖1、间隔段2、膜片3、箍环4、等高垫块5和下端盖6，间隔段2和箍环4均为环形结构，膜片3为半圆环；将高温合金筒坯放置在下端盖6上；根据待加工的波纹管侧壁的形状和尺寸，在高温合金筒坯外安装间隔段2、膜片3和箍环4，形成多层结构，层与层之间使用等高垫块5支撑，上端盖1安装在高温合金筒上方；其中，半圆环形的膜片3对接后采用箍环4固定，上端盖1、下端盖6处用密封圈密封；
步骤四：注水加压，逐步加注至P1，取出垫块，轴向施加载荷，同时加压至P2，待膜片无间隙，P2压力水平下保持3～5min，拆卸工装与胀形毛坯；
步骤五：将步骤四制作的胀型毛坯预留尺寸机械切断；
步骤六：将步骤五制作的切断毛坯装在分体式模具上，在车床上安装滚轮，将切断毛坯直边部分由轴向翻至径向；
步骤六中，分体式模具包括顶盘7、压环8、压块9；顶盘为带螺纹孔实心圆盘，压环8为4块相同尺寸的扇形结构板，扇形结构板的圆心角为90度，压环8的侧壁外表面与波纹管侧壁内表面形状一致；压块9为4条矩形带弧长条；使用时，各压环8安装在切断毛坯内部，并与压块9共同支撑切断毛坯，顶盘7通过螺栓与压块9和压环8固定。
步骤七：机械加工进行切边得到最终产品。
步骤三中单波展开波长为
其中，a为波纹管波峰波谷过渡区直壁部分长度、R0为波纹管内径、s为波纹管壁厚、Rn为波纹管波峰波谷内径。
步骤三中的胀形工装预设回弹补偿量，较产品尺寸增大0.4～0.8mm。
步骤四中成形初波时水压P1为4～10MPa，轴向载荷下压速度为2～5mm/s，保压压力P2应为6～14MPa。
步骤五中预留尺寸为较产品实际尺寸增加2～5mm。
步骤六中翻边时主轴转速为40～80r/min。
步骤七中中机械加工根据产品图纸要求内外径尺寸进行加工，不做限定。
以下结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例：
本实施例中采用原材料为GH4648薄板，参见图1，目标波纹管内径为
最大外径为Φ695.8maxmm，壁厚为0.8mm，波峰波谷过渡区直壁部分长度为3.5mm，波峰波谷内径为2mm。
(1)将冲压模具安装在压机上，厚度0.8mm的GH4648圆板放置于凹模上，凸模以10mm/s的速度合模，保持3min，如图2所示；
(2)利用激光切割对成形后的筒体进行裁剪，制成环坯，激光器功率2400W，切割速度6m/min，气压12Pa；
(3)计算出单波展开波长，
膜片间隙为22.2-9.6＝12.6mm，用12.6mm高的等高垫块填充间隙，将切割好的环坯装入胀形工装，其中上下端盖处用密封圈密封，如图3所示；
(4)注水加压，逐步加压至6MPa，胀形出初波，取出垫块，轴向施加载荷，下压速度3mm/s，同时加压至8.2MPa，待膜片无间隙，8.2MPa压力水平下保持3min，拆卸工装与胀形毛坯；
(5)一侧沿直线部分3mm余量处切断，一侧在中间波峰侧壁切断，如图4所示；
(6)将切断后的坯料装在分体式模具上，模具如图5所示，主轴转速60r/min，将将切断毛坯直边部分由轴向翻至径向；
(7)机械加工进行切边得到最终产品，保证尺寸
和684.4±0.5mm。
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。
Claims (10)
1.一种高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将冲压模具安装在压机上，高温合金圆板放置于凹模上，凸模以8～15mm/s的速度合模，保持1～5min；
步骤二：利用激光切割对步骤一制作的高温合金冲压件进行裁剪，制成高温合金筒坯，激光器功率为1800～3000W，切割速度为5～10m/min，气压为12～20Pa；
步骤三：计算出单波展开波长，预设膜片(3)之间的间隙，并用等高垫块(5)填充间隙，将步骤二中制作的高温合金筒坯装入胀形工装；
步骤四：注水加压，逐步加注至压力P1，取出垫块，轴向施加载荷，同时加压至压力P2，待膜片无间隙，在压力P2水平下保持3～5min，拆卸胀形工装与胀形毛坯；
步骤五：将步骤四制作的胀型毛坯预留尺寸机械切断；
步骤六：将步骤五制作的切断毛坯安装在分体式模具上，在车床上安装滚轮，将切断毛坯直边部分由轴向翻至径向；
步骤七：机械加工进行切边得到波纹管。
2.根据权利要求1所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：高温合金大直径浅波薄壁波纹管为整体成形，直径≥600mm、波高为8～20mm、壁厚为0.6～2mm。
3.根据权利要求2所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤三中单波展开波长为
其中，a为波纹管波峰波谷过渡区直壁部分长度、R0为波纹管内径、s为波纹管壁厚、Rn为波纹管波峰波谷内径。
4.根据权利要求3所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：步骤三中，胀型工装包括上端盖(1)、间隔段(2)、膜片(3)、箍环(4)、等高垫块(5)和下端盖(6)，间隔段(2)和箍环(4)均为环形结构，膜片(3)为半圆环；将高温合金筒坯放置在下端盖(6)上；根据待加工的波纹管侧壁的形状和尺寸，在高温合金筒坯外安装间隔段(2)、膜片(3)和箍环(4)，形成多层结构，层与层之间使用等高垫块(5)支撑，上端盖(1)安装在高温合金筒上方；其中，半圆环形的膜片(3)对接后采用箍环(4)固定，上端盖(1)、下端盖(6)处用密封圈密封。
5.根据权利要求4所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤三中的胀形工装预设回弹补偿量，比波纹管尺寸增大0.4～0.8mm。
6.根据权利要求3所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤四中，压力P1为4～10MPa，轴向载荷下压速度为2～5mm/s，压力P2为6～14MPa。
7.根据权利要求6所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤五中预留尺寸比波纹管的实际尺寸增加2～5mm。
8.根据权利要求7所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤六中，分体式模具包括顶盘(7)、压环(8)、压块(9)；顶盘为带螺纹孔实心圆盘，压环(8)为4块相同尺寸的扇形结构板，扇形结构板的圆心角为90度，压环(8)的侧壁外表面与波纹管侧壁内表面形状一致；压块(9)为4条矩形带弧长条；使用时，各压环(8)安装在切断毛坯内部，并与压块(9)共同支撑切断毛坯，顶盘(7)通过螺栓与压块(9)和压环(8)固定。
9.根据权利要求8所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤六中，翻边时主轴转速为40～80r/min。
10.根据权利要求9所述的高温合金大直径浅波薄壁波纹管成形方法，其特征在于：所述步骤七中，机械加工根据波纹管的图纸要求内外径尺寸进行加工。
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