一种高精度双曲面钛合金筒体的成形方法与流程

本发明涉及一种高精度双曲面钛合金筒体的成形方法，属于筒形件成形技术领域。

背景技术：

钛合金筒形件在导弹中普遍存在且尤为重要，完成更高效的打击目标的使命。筒形结构件作为弹体的重要组成部分，其结构性能及尺寸精度决定导弹的飞行性能，故而这种高精度、双曲率钛合金筒体的高成品率成形技术显得尤为重要。高速率导弹对结构性能和尺寸精度要求严格，传统分半成形方法一方面配合精度要求高较难保证此尺寸精度；另一方面传统成形需要进行多次焊接，较难保证其所需结构性能要求。高精度、双曲率钛合金筒形件具有极佳飞行性能，因而在航空航天领域应用十分广泛。目前，这种高精度钛合金筒形件的成形主要采用分半热成形的成形方法，分半成形是通过热成形出两个半圆筒形件，再通过对齐焊接，得到筒形件。其一，该方法在热成形上很难保证成形出的每个件型面具有较高的一致性；其二，在热成形后切割半筒形件也受到切割精度影响；其三，每一次焊接都存在焊接质量控制问题，综上该方法由于主要是受到对半零件配合精度和多次焊接质量控制的影响，较难达到优越的产品质量。分半热成形方法中对两半零件配合精度要求极高，增加了切割难度和切割后修配的工作量，加工周期较长；焊缝数较多，焊缝要求高，增加了焊接难度，采用高精度的电子束焊接，增加了加工成本。

技术实现要素：

为解决现有的分半热成形的成形方法在切割后修配难度大，周期长，焊缝数多，焊接成本高的工艺技术难题，本发明提供了一种高精度双曲面钛合金筒体的成形方法，采用的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种高精度双曲面钛合金筒体的成形方法，该成形方法是按照如下步骤进行的：

1)按照筒体的平面展开尺寸切割钛合金板料，将切割后的钛合金板料采用卷焊工艺卷成筒形件；

2)将步骤1)获得的筒形件放置在应力松弛成形工装的胀瓣(1)的外部，然后将胀芯2装入胀瓣1中，配合完好；

3)将按照步骤2)组装后的筒形件、胀瓣1和胀芯2置于热处理设备中，按工艺参数升温进行应力松弛成形；

4)成形结束后降温，获得高精度双曲面钛合金筒体。

进一步地，所述卷焊工艺是将切割的钛合金板材通过卷圆机设备卷至圆筒形，打磨筒形件的对接待焊区域，酸洗待焊区域，将经过打磨和酸洗后的筒形件置于自动氩弧焊机上进行氩弧焊，得到卷焊后的筒形件。

进一步地，所述胀瓣1和胀芯2的材料的热膨胀系数大于钛合金的热膨胀系数。

进一步地，步骤3)是将按照步骤2)组装后的筒形件、胀瓣1和胀芯2置于热处理设备中，然后将热处理设备的真空度抽至5×10^-2pa以上，再以250℃/h的升温速率3h升温至750℃，最后在750℃下保温2h。

进一步地，步骤4)所述降温是随炉冷却至室温。

如图2所示，本发明的胀瓣是根据所选钛合金板材和胀瓣所选材料的膨胀系数计算出成形温度下的模具缩放系数，得到缩放后随型面的胀瓣外型面，将外型面分瓣处理得到胀瓣；胀芯是根据胀瓣内形尺寸配合得到胀芯。

本发明首先，通过分析结构件进行精确下料，采用卷焊的方法将板料卷成筒形件，将筒形件放置在应力松弛成形工装胀瓣外侧，将胀芯装入胀瓣中，使胀瓣和胀芯配合完好。由于选用工装模具材料热膨胀系数大于钛合金，故而筒形件装卸时均有一定间隙，方便装卸。将成形工装放置于热处理设备中，设置加热温度符合工艺参数，进行应力松弛成形。成形结束后，按工艺参数进行降温，获得结构性能和尺寸精度均符合要求的高精度钛合金筒形结构件。

本发明有益效果：

本发明提供了一种高精度双曲率钛合金筒形结构件的成形方法，该方法是发明人针对钛合金热成形加载方式对材料变形流动的影响规律、热成形温度对钛合金成形极限的影响规律等专题研究后的成果，在综合考虑产品质量和成形稳定性的前提下，通过反复试验，研究出一种可实现这种钛合金筒形件高精度、高稳定性生产的成形工艺方法，该方法可以提高产品质量控制，提高产品稳定性，降低生产成本，为该类钛合金筒形结构件的生产提供了全新优化的工艺方法。通过对筒形件成形质量的测量，发现该方法所得零件尺寸精度高、无残余应力、产品状态一致性好。综合考虑尺寸精度、结构性能、成形稳定性等因素，本发明方法在高精度钛合金筒形结构件制造方面，具有良好的应用前景。

本发明针对一种高精度、双曲率钛合金筒体结构件提出了高精高效的成形方法，采用胀芯和胀瓣的应力松弛成形的方式，突破了筒形结构件成形思路限制，成功解决了钛合金筒形件分半成形难以控制产品质量的技术难题，为钛合金筒形结构件的成形提供了先进的工艺方法，极具前瞻性。

本发明采用的应力松弛成形与常规热成形相比，最大的不同在于减少了焊缝数量，因而减少了焊接出现缺陷的机率，提高了产品质量控制能力，提高成品率。此应力松弛成形工装采用胀芯和胀瓣结构，较常规矫形方法更容易装卸。

本发明方法中筒形件卷焊后，筒形件的圆度、直线度等形状尺寸均达不到零件最终尺寸要求，通过应力松弛成形采用工装热应力将筒形件矫形到最终尺寸，再通过应力松弛降温将件方便取下。

本发明中通过选用工装模具材料热膨胀系数大于钛合金，可以使得筒形件装卸时均有一定间隙，方便装卸。

附图说明

图1为双曲率钛合金筒形结构件。

图2为应力松弛成形工装示意图；

(1，胀瓣；2，胀芯)。

图3为成形过程示意图；

(a，将焊接后筒体套于胀瓣外部；b，将胀芯装入胀瓣中，与胀瓣配合，升温进行应力松弛成形；c，筒形件和工装分解示意)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

结合图1-3说明本实施例，本实施例提供了一种高精度双曲面钛合金筒体的成形方法，该成形方法是按照如下步骤进行的：

1)按照筒体的平面展开尺寸切割钛合金板料，将切割的钛合金板材通过卷圆机设备卷至圆筒形，打磨筒形件的对接待焊区域，酸洗待焊区域，将经过打磨和酸洗后的筒形件置于自动氩弧焊机上进行氩弧焊，得到卷焊后的筒形件；

2)将步骤1)获得的筒形件放置在应力松弛成形工装的胀瓣(1)的外部，然后将胀芯2装入胀瓣1中，配合完好；

3)是将按照步骤2)组装后的筒形件、胀瓣1和胀芯2置于热处理设备中，然后将热处理设备的真空度抽至5×10^-2pa以上，再以250℃/h的升温速率3h升温至750℃(应力松弛成形)，最后在750℃下保温2h；

4)成形结束后将步骤3)获得的筒形件随炉冷却至室温，获得高精度双曲面钛合金筒体。

本实施例中胀瓣1和胀芯2的材料的热膨胀系数大于钛合金的热膨胀系数。

本实施例中胀瓣1和胀芯2的材料的热膨胀系数大于钛合金，可以使得筒形件装卸时均有一定间隙，方便装卸。

如图2所示，本实施例中的胀瓣是根据所选钛合金板材和胀瓣所选材料的膨胀系数计算出成形温度下的模具缩放系数，依照筒体模型，配合模具缩放系数，所得缩放后筒体外形，得到胀瓣外型面，内部加工通孔处理，将外型面分瓣处理得到胀瓣，优选为8瓣；胀芯是根据胀瓣内形尺寸配合得到胀芯外型面，胀芯较胀瓣上侧留一定余量，内部加工通孔处理。

本实施例中参照附图3，将板材精确下料，经过卷焊工艺，得到钛合金筒形件坯料；将应力松弛成形工装如附图2所示拆分打开；将筒形件坯料放置于工装胀瓣外侧，如附图3(a)所示；将胀芯装入胀瓣中，使胀芯和胀瓣配合完好，如附图3(b)所示；将装好坯料的工装整体放置于加热设备中，设置加热温度符合工艺参数，升温进行应力松弛成形；成形结束后，按工艺要求进行降温，获得高精度、双曲率钛合金筒形结构件。

为说明本发明方法所能够获得的效果，对按照本发明实施例方法制备的高精度双曲面钛合金筒体的型面贴合度、加工周期、焊缝数量、残余应力、加工稳定性及制造成本进行了测定，同时以传统分半热成形方法制备的筒形件的性能作为对照，比较结果如表1所示。

表1比较结果

从表1可以看出，本发明所提供的成型方法在型面贴合度、加工周期、焊缝数量、残余应力、加工稳定性及制造成本等方面明显优于现有方法，此外与传统分半热成形方法制备的筒形件相比，本发明所提供的成型方法最大优势在于筒形件加工周期短，减少了焊缝数量，提高了加工稳定性，大大减小了加工难度。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。