一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法技术

一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法，包括了毛坯设计―镦粗、冲孔―薄壁环件辗轧―刚模胀形―精加工―钛合金薄壁异形环件的过程，整个流程主要靠材料塑性成形，仅在最终阶段通过切削切除加工余量以去除环件外包裹的氧化皮，保证了环件性能，节约了成本。由于最终成形异形环件时采用的是刚模胀形，环件的最终几何形状和尺寸由模具保证，能够达到很高的精度，并且连续进行多次加工时可以保证零件尺寸、精度的一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法
本专利技术涉及塑性加工领域，是一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法。
技术介绍
高性能钛合金等厚薄壁异形环件在航空航天领域具有广阔的应用前景。目前一般采用环轧直接成形或环轧+切削或环坯刚模胀形的方法成形此类环件。采用环轧的方法直接成形异形环件(LiangTian,YuLuo,Hua-jieMao,LinHua.Ahybridoftheoryandnumericalsimulationresearchforvirtualrollingofdouble-grooveballrings.IntJAdvManufTechnol.(2013)69:1–13)，当所成形异形环件壁厚均匀时，轧辊和环坯之间没有稳定的接触面，这将使得辗轧过程难以持续进行，成形环件精度也难以满足航空航天要求。环轧+切削的方法(薛林峰.钛合金薄壁异形件切削加工仿真技术研究.南京：南京航空航天大学，2014)，是先通过环轧成形矩形环件，再通过数控切削获得满足形状尺寸要求的异形环件。该方法一方面切削破坏了金属流线从而降低了环件性能，另一方面导致昂贵的钛合金材料利用率极低。环坯刚模胀形的方法，如公开号为102489596A的中国专利技术专利“钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法”，提出了一种采用刚模胀形工艺将钛合金矩形环坯胀形成为锥形环件的方法，由于该方法成形的环件精度由胀形模具保证，提高了成形精度。该方法需高精度、高性能的环轧件作为毛坯，该专利未披露毛坯的设计和和成形方法。对于钛合金等厚薄壁异形环件的成形制造，还可考虑采用冲压+弯焊的方法，即首先通过板料冲压获得环件的异形截面，然后经弯曲焊接获得满足要求的环件。该方法使得环件引入了焊缝，难以满足航空航天高性能要求，环件精度也有待提高。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的精度低，或者材料利用率不高，性能差的不足，本专利技术提出了一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法。本专利技术的技术方案是：一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法，其包括毛坯设计——镦粗、冲孔——薄壁环件辗轧——刚模胀形——精加工——钛合金等厚薄壁异形环件。具体步骤如下：步骤一、毛坯设计。所述毛坯设计包括确定胀形毛坯外径RZ、胀形毛坯内径rz、胀形毛坯高度hz、初始毛坯内径r0、初始毛坯轴向高度h0和初始毛坯外径R0。根据未进行精加工的环件尺寸计算胀形工艺毛坯，所述未精加工环件壁厚为bf，未精加工环件的最小外径为Rfmin，最大外径为Rfmax，所述未精加工环件壳体厚度的1/2处的轴向长度为lf；所述胀形工艺毛坯为薄壁矩形环件，壁厚为bz，高度为hz，外径为Rz，内径为rz。胀形工艺毛坯尺寸计算公式为：Rz＝Rfmin(1)hz＝lf(2)通过公式(4)确定所述轴向高度缩减量Δh：公式(4)中，r0为初始毛坯内径，R2为芯辊半径，h0为初始毛坯轴向高度，Δb为初始毛坯壁厚总减小量。薄壁环件的辗轧采用径轴向辗轧，轴向高度的辗轧量要大于环件辗轧过程中轴向高度的缩减量。环件辗轧芯辊半径为R2，初始毛坯内径r0选取比R2稍大的值。在确定初始毛坯的尺寸时，令r0+bZ＝C2(6)将公式(5)～(7)代入公式(8)，得到初始毛坯外径R0：步骤二，制备初始毛坯。步骤三，成形刚模胀形的毛坯。通过环件辗轧将得到的初始毛坯成形为刚模胀形的毛坯。将得到的初始毛坯加热至适宜成形温度后进行径轴向热辗轧。轧制曲线采用直线，芯辊的每转进给量保持为环件实时壁厚的1/n倍，所述n的取值范围通过公式(10)、(11)确定：通过公式(12)确定芯辊的进给速度：其中：R1为驱动辊半径，R2为芯辊半径，R为环件实时外径，r为环件内径，b为环件壁厚，δ＝arctanμ，Δh为芯辊每转进给量，Δt为环件每转时间，t0为驱动辊每转时间。将初始毛坯辗轧成为薄壁矩形环件，该环件的外径为RZ，壁厚为bZ，轴向高度为hZ；得到刚模胀形的毛坯；步骤四，成形异形环件。将胀形毛坯放入加热炉中加热至适宜成形温度，将加热好的胀形毛坯套进刚模胀形凸模外围进行胀形，胀形过程中模具芯轴在压力机作用下向下移动，从而使凸模块沿径向水平移动，将毛坯压入凹模中，成形环件；胀形过程分为三次，每次胀形完成后将环件旋转角度α进行下一次胀形，并通过控制每次胀形后环件最大外径来分配每次的胀形量。环件的初始最大外径为RZ，第一次胀形完成后环件最大外径为R1；将环件旋转角度α进行第二次胀形，第二次胀形完成后环件最大外径为R2，再次将环件旋转角度α进行第三次胀形，将环件胀形至最终尺寸，最大外径为Rfmax。三次胀形时，环件的旋转方向相同。所述三次胀形芯轴的下移量分别为S1、S2和S3，每次胀形时间均为10s～20s，完成胀形后环件旋转β角，旋转β角后对环件保压30s。第一次胀形后环件最大外径R1、第二次胀形后环件最大外径R2、环件旋转角度α、胀形完成后环件的旋转角度β、三次胀形芯轴的下移量S1、S2和S3分别通过公式(15)～(21)确定：m为模具凸模分瓣数，θ为胀形模具芯轴的锥角；步骤五，精加工。本专利技术考虑环轧技术能获得高性能环件的优点，结合刚模胀形方法可获得高精度的技术优势，提出一种难变形钛合金等厚薄壁异形环件的轧胀复合成形方法。该方法首先通过环轧获得薄壁矩形环件，然后通过刚模胀形获得高精度的等厚薄壁异形环件。由于本专利技术采用了上述技术方案，初始毛坯经环件辗轧得到薄壁矩形环件后经刚模胀形得到薄壁异形环件，整个流程主要靠材料塑性成形，仅在最终阶段通过切削去除加工余量。最终成形异形环件时采用的是刚模胀形，环件的最终几何形状和尺寸由模具保证。因此，与
技术介绍
相比，本专利技术具有以下优点：1、节约材料：在本专利技术中，毛坯的制备、环件的成形都是采用塑性成形的方式，仅在最终去除加工余量时采用切削的方法。因此成形等厚薄壁异形环件时，采用本专利技术，材料利用率可达70％以上；而采用环轧+切削的方法，材料利用率不到50％。因此本专利技术为等厚薄壁异形环件的成形节约了材料，降低了成本；2、环件精度高：在本专利技术中环件最终由模具成形，环件的几何形状和尺寸由模具保证，其尺寸精度可达1‰～2‰，且批量生产时产品质量一致性好。而采用直接辗轧方法，只有在环件结构简单和设备性能优异的情况下，成形的环件尺寸精度可达到3‰～5‰，且难以保证产品质量的一致性；3、环件综合性能好：本专利技术主要通过塑性变形获得等厚薄壁异形环件，既能避免环轧+切削的方法破坏金属流线，又能避免冲压+弯焊的方法引入焊缝，同时通过塑性变形又能实现对加工材料的组织和性能进行有效调控，因此采用本专利技术提出的方法成形的异形环件可获得
技术介绍
难以达到的高性能。附图内容附图1是钛合金薄壁异形环件轧胀复合成形方法的流程图；附图2是钛合金薄壁异形环件刚模热胀形模具图；附图3是实施例1中钛合金薄壁异形环件结构示意图；附图4是实施例2中钛合金薄壁异形环件结构示意图。图中：1.芯轴；2.凸模；3.凹模。具体实施方式实施例1本实施例是一种采用钛合金轧胀复合成形工艺成形如图3所示环件的方法。在采用轧胀复合成形工艺成形异形环件时，采用申请号为201510197511.1的专利技术创造中公开的胀形模具。所述胀形模具包括芯轴1、n个支架、n个凸模2、凹模3和底座；在所述底座的上表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、毛坯设计；步骤二，制备初始毛坯；步骤三，成形刚模胀形的毛坯；通过环件辗轧将得到的初始毛坯成形为刚模胀形的毛坯；步骤四，成形异形环件；通过压力机实现异形环件的成形；具体是：将得到的胀形毛坯放入加热炉中加热至880～930℃后套装在刚模胀形凸模外表面进行胀形；胀形过程分为三次，每次胀形完成后将环件旋转角度α进行下一次胀形，并通过控制每次胀形后环件的最大外径来分配每次的胀形量；环件的初始最大外径为RZ，第一次胀形完成后环件最大外径为R1；将环件旋转角度α进行第二次胀形，第二次胀形完成后环件最大外径为R2，再次将环件旋转角度α进行第三次胀形，将环件胀形至最终尺寸，最大外径为Rfmax；三次胀形时，环件的旋转方向相同；所述三次胀形芯轴的下移量分别为S1、S2和S3，每次胀形时间为10s～20s，完成胀形后环件旋转β角，旋转β角后对环件保压30s；步骤五，精加工，得到最终环件。

【技术特征摘要】
1.一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、毛坯设计；步骤二，制备初始毛坯；步骤三，成形刚模胀形的毛坯；通过环件辗轧将得到的初始毛坯成形为刚模胀形的毛坯；步骤四，成形异形环件；通过压力机实现异形环件的成形；具体是：将得到的胀形毛坯放入加热炉中加热至880～930℃后套装在刚模胀形凸模外表面进行胀形；胀形过程分为三次，每次胀形完成后将环件旋转角度α进行下一次胀形，并通过控制每次胀形后环件的最大外径来分配每次的胀形量；环件的初始最大外径为RZ初，第一次胀形完成后环件最大外径为R1'；将环件旋转角度α进行第二次胀形，第二次胀形完成后环件最大外径为R2'，再次将环件旋转角度α进行第三次胀形，将环件胀形至最终尺寸，最大外径为Rfmax；三次胀形时，环件的旋转方向相同；所述三次胀形芯轴的下移量分别为S1、S2和S3，每次胀形时间为10s～20s，完成胀形后环件旋转β角，旋转β角后对环件保压30s；步骤五，精加工，得到最终异形环件。2.如权利要求1所述钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法，其特征在于，所述毛坯设计包括确定胀形毛坯外径RZ、胀形毛坯内径rz、胀形毛坯高度hz、初始毛坯内径r0、初始毛坯轴向高度h0和初始毛坯外径R0；根据未进行精加工的环件尺寸计算胀形毛坯，所述未精加工环件壁厚为bf，未精加工环件的最小外径为Rfmin，最大外径为Rfmax，所述未精加工环件壳体厚度的1/2处的轴向长度为lf；所述胀形毛坯为薄壁矩形环件，壁厚为bz，高度为hz，外径为Rz，内径为rz；胀形毛坯尺寸计算公式为：Rz＝Rfmin(1)hz＝lf(2)通过公式(4)确定所述轴向高度缩减量Δh：公式(4)中，R1为驱动辊半径，r0为初始毛坯内径，R2为芯辊半径，h0为初始毛坯轴向高度，Δb为初始毛坯壁厚总减小量；薄壁矩形环件的辗轧采用径轴向辗轧，轴向高度的辗轧量要大于环件辗轧过程中轴向高度的缩减量；环件辗轧芯辊半径为R2，初始毛坯内径r0选取比R2稍大的值；在确定初始毛坯的尺寸时，令r0+bZ＝C2(6)将公式(5)～(7)代入公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭良刚，高冰，杨合，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61