一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法
【专利摘要】一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法。本发明涉及金属材料塑性加工中的难变形材料精密热成形【技术领域】，尤其涉及一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法。本发明是为解决现有方法存在的壁厚减薄剧烈、易出现轴向开裂、成形过程中变形不均以及构件的整体性能下降的问题，成形方法：理论计算获得变壁厚筒坯形状尺寸、机械加工初始厚壁筒坯、旋前涂覆润滑剂和保护剂、旋压成形变壁厚筒坯、电火花端切变壁厚筒坯口部、热扩口前涂覆润滑剂和保护剂和感应加热扩口成形，得到直筒-扩张段复合等壁厚钛合金曲母线构件。获得工件整体壁厚均匀性高；提高了扩口系数及构件的整体性能。
【专利说明】一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料塑性加工中的难变形材料精密热成形【技术领域】，尤其涉及一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法。
【背景技术】
[0002]钛合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐热耐腐蚀等优点，因而在航空、航天、兵器和石油化工等领域得到了日益广泛的应用。随着以上各领域减重、节省原材料及降低成本的需要，钛合金等薄壁回转体构件有着越来越广泛的应用，特别是直筒-扩张段复合等壁厚钛合金中、大型薄壁曲母线构件有着重要的用途。对于该类构件传统的卷焊+热校形工艺由于焊缝的存在使得构件性能下降，难以满足极端环境服役要求。传统的扩口成形工艺通常是采用等壁厚的管材坯料进行加工，由于成形过程中变形区外缘处于近似单向环向拉应力状态，壁厚减薄剧烈，易于出现轴向开裂缺陷，限制了扩口成形极限系数的提高。此夕卜，由于扩口区在成形过程中变形不均，使得成形获得的工件壁厚沿曲母线分布不均，越靠近口部壁厚越薄，使得构件的整体性能下降，为此需要通过设计合理的制坯方案和扩口方案来成形最终壁厚沿曲母线均匀分布的薄壁回转体构件。
[0003]强力旋压工艺是一种广泛用于成形薄壁筒形件的先进制造技术，和机械加工、卷焊、铸造等工艺相比具有省力省料、成形效率高、组织性能好等优点，适用于钛合金等难变形材料薄壁筒形件的低成本高效制造。
【发明内容】
[0004]本发明是为解决现有方法存在的壁厚减薄剧烈、易出现轴向开裂、成形过程中变形不均以及构件的整体性能下降的问题，而提供一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法。
[0005]本发明的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具由上模板、上模具、下模具、感应加热装置、隔热环和下模板构成；其中上模具位于上模板下部，上模具分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，下部为直径小于上部的圆柱形，下模具分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具的上部为圆柱形，下模具的中部为圆台，下模具的下部为圆柱形，感应加热装置环绕在下模具外表面，隔热环位于下模具下方并与下模具相对接，下模板位于隔热环下端面处。
[0006]本发明的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法按以下步骤进行:
[0007]—、计算变壁厚筒坯理论几何形状尺寸并确定变壁厚筒坯实际几何形状尺寸:基于塑性加工过程体积不变规律，根据目标工件的几何形状尺寸计算目标工件的理论体积，即得到变壁厚筒坯的理论体积，然后使确定的变壁厚筒坯的理论几何形状尺寸中筒坯轴向两端分别预留一段废料段后，作为变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸；所述的变壁厚筒坯等壁厚段与变壁厚段的轴向长度之比为1:(0.7?3.0);
[0008]二、确定初始等壁厚筒坯几何形状尺寸:根据步骤一得到的变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸以及塑性加工过程体积不变原理，保持筒坯内径不变，反算得到初始等壁厚筒坯几何形状尺寸；
[0009]三、机械加工初始等壁厚筒坯:选择钛合金筒形坯料进行车削，车削至步骤二得到的初始等壁厚筒坯几何形状尺寸，得到旋压前毛坯，车削时对钛合金筒形坯料的内外表面均进行车削，并保证内外圆的同轴度以及端面和轴线的垂直度；
[0010]四、旋压得到变壁厚筒坯:先将旋压模具加热至温度为180?220°C后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为180?220°C后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压，保持筒坯内径不变，得到旋压后变壁厚筒坯，即具有步骤一中实际几何形状尺寸的变壁厚筒坯；旋压工艺参数为:第一道次旋压温度控制为740?800°C，减薄率为15%?40%，第二道次旋压温度控制为700?800°C，减薄率为20%?35%，第三道次旋压温度控制为650?750°C，减薄率为20%?30% ；
[0011]五、电火花线切割端切变壁厚筒坯口部:通过电火花线切割将步骤四得到的旋压后毛坯口部多余废料切除，得到扩口成形前毛坯，即具有步骤一中确定的理论几何形状尺寸的变壁厚筒坯，线切割时保证待切割工件端面和轴线垂直；
[0012]六、感应加热在线挤压扩口成形:先将扩口成形模具加热至温度为180?220°C后将扩口成形模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为180?220°C后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再将扩口成形模具继续加热至温度为350?450°C，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形，得到直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件；
[0013]其中所述的扩口成形模具由上模板、上模具、下模具、感应加热装置、隔热环和下模板构成；
[0014]其中感应加热在线挤压扩口成形工艺参数为:液压机的压下速度为10mm/min?20mm/min,扩口系数为扩口前后还料端口内径的比为1: (1.4?1.9),位于下模具区域的还料温度为650?750°C，且位于下模具区域的坯料温度满足自上而下递增，递增温度梯度为沿还料轴向20°C /mm。
[0015]本发明提供了一种制造等壁厚钛合金曲母线薄壁回转体构件的方法，根据金属塑性加工中体积不变原理和扩口成形坯料轴向截面壁厚变化规律首先进行扩口预制筒坯尺寸反算，然后采用强力旋压工艺制备出满足尺寸形状要求的预制坯料，最后通过在线感应加热扩口成形出直筒-扩张段复合的等壁厚钛合金曲母线薄壁回转体构件。本发明所述的成形直筒-扩张段复合的等壁厚钛合金曲母线薄壁回转体构件的方法，该方法包括强力旋压制备变壁厚筒坯和在线感应加热扩口成形直筒-扩张段复合等壁厚曲母线构件。
[0016]本发明相对于现有技术具有以下有益效果:①获得整体壁厚均匀性较高的直筒-扩张段复合曲母线零件；②减缓扩口成形时口部破裂缺陷的产生趋势，提高扩口系数；③采用旋压方式进行变壁厚制坯，并经过在线感应加热挤压扩口成形能够获得整体无焊缝的等壁厚回转体工件；④相对于多段卷焊结构，可显著提高钛合金曲母线薄壁回转体构件的整体性能。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为试验二中目标工件结构示意图；
[0018]图2为试验二步骤一中变壁厚筒坯的结构示意图；
[0019]图3为本发明的模具的示意图；1为上模板，2为上模具，3为下模具，4为感应加热装置，5为隔热环,6为下模板；
[0020]图4为试验二步骤六中扩口成形过程中模具和工件示意图；1为上模板，2为上模具，3为下模具，4为感应加热装置,5为隔热环,6为下模板,7为筒还；
[0021]图5为试验二步骤四中旋压后变壁厚筒坯的壁厚分布曲线图；
[0022]图6为试验二步骤六中扩口成形后直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件壁厚分布曲线图。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具由上模板1、上模具2、下模具3、感应加热装置4、隔热环5和下模板6构成；其中上模具2位于上模板I下部，上模具2分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，其直径大于车削后热加工前变壁厚筒坯小端外径，下部为直径小于上部的圆柱形，其直径与车削后热加工前变壁厚筒坯内径匹配，下模具3分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具3的上部为圆柱形，下模具3上部圆柱形直径与车削后热加工前变壁厚筒坯内径匹配，下模具3上部圆柱形高度为40mm?100mm，下模具3的中部为圆台，该圆台底部直径等于目标工件扩口段最大内径，该圆台高为目标工件扩口段高度，下模具3下部为圆柱形，其直径等于中部圆台底部直径，感应加热装置4环绕在下模具3外表面，隔热环5位于下模具3下方并与下模具3相对接，下模板6位于隔热环5下端面处。
[0024]【具体实施方式】二:本实施方式的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法按以下步骤进行:
[0025]一、计算变壁厚筒坯理论几何形状尺寸并确定变壁厚筒坯实际几何形状尺寸:基于塑性加工过程体积不变规律，根据目标工件的几何形状尺寸计算目标工件的理论体积，即得到变壁厚筒坯的理论体积，然后使确定的变壁厚筒坯的理论几何形状尺寸中筒坯轴向两端分别预留一段废料段后，作为变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸；所述的变壁厚筒坯等壁厚段与变壁厚段的轴向长度之比为1:(0.7?3.0);
[0026]二、确定初始等壁厚筒坯几何形状尺寸:根据步骤一得到的变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸以及塑性加工过程体积不变原理，保持筒坯内径不变，反算得到初始等壁厚筒坯几何形状尺寸；
[0027]三、机械加工初始等壁厚筒坯:选择钛合金筒形坯料进行车削，车削至步骤二得到的初始等壁厚筒坯几何形状尺寸，得到旋压前毛坯，车削时对钛合金筒形坯料的内外表面均进行车削，并保证内外圆的同轴度以及端面和轴线的垂直度；
[0028]四、旋压得到变壁厚筒坯:先将旋压模具加热至温度为180?220°C后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为180?220°C后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压，保持筒坯内径不变，得到旋压后变壁厚筒坯，即具有步骤一中实际几何形状尺寸的变壁厚筒坯；旋压工艺参数为:第一道次旋压温度控制为740?800°C，减薄率为15%?40%，第二道次旋压温度控制为700?800°C，减薄率为20%?35%，第三道次旋压温度控制为650?750°C，减薄率为20%?30% ；
[0029]五、电火花线切割端切变壁厚筒坯口部:通过电火花线切割将步骤四得到的旋压后毛坯口部多余废料切除，得到扩口成形前毛坯，即具有步骤一中确定的理论几何形状尺寸的变壁厚筒坯，线切割时保证待切割工件端面和轴线垂直；
[0030]六、感应加热在线挤压扩口成形:先将扩口成形模具加热至温度为180?220°C后将扩口成形模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为180?220°C后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再将扩口成形模具继续加热至温度为350?450°C，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形，得到直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件；
[0031]其中所述的扩口成形模具由上模板1、上模具2、下模具3、感应加热装置4、隔热环5和下模板6构成；其中上模具2位于上模板I下部，上模具2分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，其直径大于步骤四中旋压后变壁厚筒坯小端外径，下部为直径小于上部的圆柱形，其直径与步骤四中旋压后变壁厚筒坯内径匹配，下模具3分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具3的上部为圆柱形，下模具3上部圆柱形直径与步骤四中旋压后变壁厚筒坯内径匹配，下模具3上部圆柱形高度为40mm?100mm,下模具3的中部为圆台，该圆台底部直径等于目标工件扩口段最大内径,该圆台高为目标工件扩口段高度，下模具3下部为圆柱形，其直径等于中部圆台底部直径，感应加热装置4环绕在下模具3外表面，隔热环5位于下模具3下方并与下模具3相对接，下模板6位于隔热环5下端面处；
[0032]其中装配时上模具2下部圆柱形插入筒坯小端内部，下模具3上部圆柱形插入筒坯大端内部；
[0033]其中感应加热在线挤压扩口成形工艺参数为:液压机的压下速度为10mm/min?20mm/min，扩口系数为扩口前后坯料端口内径的比为1:(1.4?1.9)，位于下模具3区域的坯料温度为650?750°C，且位于下模具3区域的坯料温度满足自上而下递增，递增温度梯度为沿坯料轴向20°C /mm。
[0034]本实施方式提供了一种制造等壁厚钛合金曲母线薄壁回转体构件的方法，根据金属塑性加工中体积不变原理和扩口成形坯料轴向截面壁厚变化规律首先进行扩口预制筒坯尺寸反算，然后采用强力旋压工艺制备出满足尺寸形状要求的预制坯料，最后通过在线感应加热扩口成形出直筒-扩张段复合的等壁厚钛合金曲母线薄壁回转体构件。本实施方式所述的成形直筒-扩张段复合的等壁厚钛合金曲母线薄壁回转体构件的方法，该方法包括强力旋压制备变壁厚筒坯和在线感应加热扩口成形直筒-扩张段复合等壁厚曲母线构件。
[0035]本实施方式相对于现有技术具有以下有益效果:①获得整体壁厚均匀性较高的直筒-扩张段复合曲母线零件；②减缓扩口成形时口部破裂缺陷的产生趋势，提高扩口系数；③采用旋压方式进行变壁厚制坯，并经过在线感应加热挤压扩口成形能够获得整体无焊缝的等壁厚回转体工件；④相对于多段卷焊结构，可显著提高钛合金曲母线薄壁回转体构件的整体性能。[0036]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】二不同的是:步骤一中所述的筒坯轴向两端分别预留一段废料段的长度为IOmm?20mm。其它步骤与参数与【具体实施方式】二相同。
[0037]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】二或三不同的是:步骤一中所述的变壁厚筒坯等壁厚段与变壁厚段的轴向长度之比为1:(1?2.5)。其它步骤与参数与【具体实施方式】二或三相同。
[0038]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】二至四之一不同的是:步骤四中先将旋压模具加热至温度为200°C后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为200°C后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压。其它步骤与参数与【具体实施方式】二至四之一相同。
[0039]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】二至五之一不同的是:步骤四中旋压工艺参数为:第一道次旋压温度控制为740?800°C，减薄率为15%?35%，第二道次旋压温度控制为700?800°C，减薄率为20%?30%，第三道次旋压温度控制为650?750°C，减薄率为20%?28%。其它步骤与参数与【具体实施方式】二至五之一相同。
[0040]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】二至六之一不同的是:步骤六中先将扩口成形模具加热至温度为20(TC后将扩口成形模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为200 °C后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨。其它步骤与参数与【具体实施方式】二至六之一相同。
[0041]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】二至七之一不同的是:步骤六中将扩口成形模具继续加热至温度为380?430°C，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形。其它步骤与参数与【具体实施方式】二至七之一相同。
[0042]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】二至八之一不同的是:步骤六中液压机的压下速度为15mm/min。其它步骤与参数与【具体实施方式】二至八之一相同。
[0043]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】二至九之一不同的是:步骤六中扩口系数为扩口前后坯料端口内径的比为1:1.7。其它步骤与参数与【具体实施方式】二至九之一相同。
[0044]用以下试验验证本发明的有益效果:
[0045]试验一、(结合图3) —种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具由上模板1、上模具2、下模具3、感应加热装置4、隔热环5和下模板6构成；其中上模具2位于上模板I下部，上模具2分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，其直径大于车削后热加工前变壁厚筒坯小端外径，下部为直径小于上部的圆柱形，其直径与车削后热加工前变壁厚筒坯内径匹配，下模具3分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具3的上部为圆柱形，下模具3上部圆柱形直径与车削后热加工前变壁厚筒坯内径匹配，下模具3上部圆柱形高度为60_，下模具3的中部为圆台，该圆台底部直径等于目标工件扩口段最大内径，该圆台高为目标工件扩口段高度，下模具3下部为圆柱形，其直径等于中部圆台底部直径，感应加热装置4环绕在下模具3外表面，隔热环5位于下模具3下方并与下模具3相对接，下模板6位于隔热环5下端面处。
[0046]试验二、(结合图1、图2、图3和图4)一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法按以下步骤进行:[0047]目标工件尺寸:(如图1所示)直筒段内径0250mm，扩张段最大内径0400mm，扩张段长度为150mm,壁厚为2mm ；
[0048]成形方法:一、(如图2所示)计算变壁厚筒坯理论几何形状尺寸并确定变壁厚筒坯实际几何形状尺寸:基于塑性加工过程体积不变规律，根据目标工件的几何形状尺寸计算目标工件的理论体积，即得到变壁厚筒坯的理论体积，然后使确定的变壁厚筒坯的理论几何形状尺寸中筒坯轴向两端分别预留长度为15_的一段废料段，作为变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸；所述的变壁厚筒坯等壁厚段L1与变壁厚段L2的轴向长度之比为1:1.7 ;
[0049]所述的变壁厚筒坯等壁厚段厚度为2mm ；
[0050]所述的变壁厚筒坯变壁厚段厚度为2mm?4mm，由变壁厚段开始到结束壁厚呈现递增趋势；
[0051]二、确定初始等壁厚筒坯几何形状尺寸:根据步骤一得到的变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸以及塑性加工过程体积不变原理，保持筒坯内径不变，反算得到初始等壁厚筒坯几何形状尺寸；
[0052]初始等壁厚筒还几何形状尺寸:内径为025Omtn,壁厚IOmm?15mm ;
[0053]三、机械加工初始等壁厚筒坯:选择TA15钛合金筒形坯料进行车削，车削至步骤二得到的初始等壁厚筒坯几何形状尺寸，得到旋压前毛坯，车削时对钛合金筒形坯料的内外表面均进行车削，并保证内外圆的同轴度以及端面和轴线的垂直度；
[0054]四、旋压得到变壁厚筒坯:先将旋压模具加热至温度为200°C后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为200°C后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压，保持筒坯内径不变，得到旋压后变壁厚筒坯，即具有步骤一中实际几何形状尺寸的变壁厚筒坯；旋压工艺参数为:第一道次旋压温度控制为740?800°C，减薄至6mm?10mm，第二道次旋压温度控制为700?800°C，减薄至4mm?6mm,第三道次旋压温度控制为650?75CTC,减薄至2_?4mm ；
[0055]五、电火花线切割端切变壁厚筒坯口部:通过电火花线切割将步骤四得到的旋压后毛坯口部多余废料切除，得到扩口成形前毛坯，即具有步骤一中确定的理论几何形状尺寸的变壁厚筒坯，线切割时保证待切割工件端面和轴线垂直；
[0056]六、感应加热在线挤压扩口成形:(如图3所示)先将扩口成形模具加热至温度为200°C后将扩口成形模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为200°C后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再将扩口成形模具继续加热至温度为400°C，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形，得到直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件；
[0057](如图3所示)其中所述的扩口成形模具由上模板1、上模具2、下模具3、感应加热装置4、隔热环5和下模板6构成；其中上模具2位于上模板I下部，上模具2分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，其直径大于步骤四中旋压后变壁厚筒坯小端外径，下部为直径小于上部的圆柱形，其直径与步骤四中旋压后变壁厚筒坯内径匹配，下模具3分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具3的上部为圆柱形，下模具3上部圆柱形直径与步骤四中旋压后变壁厚筒坯内径匹配，下模具3上部圆柱形高度为60_，下模具3的中部为圆台，该圆台底部直径等于目标工件扩口段最大内径，该圆台高为目标工件扩口段高度，下模具3下部为圆柱形，其直径等于中部圆台底部直径，感应加热装置4环绕在下模具3外表面，隔热环5位于下模具3下方并与下模具3相对接，下模板6位于隔热环5下端面处；
[0058](如图4所示)其中装配时上模具2下部圆柱形插入筒坯7小端内部，下模具3上部圆柱形插入筒坯7大端内部；
[0059]其中感应加热在线挤压扩口成形工艺参数为:液压机的压下速度为15mm/min,扩口系数为扩口前后坯料端口内径的比为1:1.7，位于下模具3区域的坯料温度为650?750°C，且位于下模具3区域的坯料温度满足自上而下递增，递增温度梯度为沿坯料轴向20°C /mm。
[0060]所述的目标工件结构示意图如图1所示；
[0061]步骤一中所述的变壁厚筒还的结构示意图如图2所示；
[0062]步骤六中模具的示意图如图3所示；
[0063]步骤六中扩口成形过程中模具和工件示意图如图4所示
[0064]步骤四中旋压后变壁厚筒坯的壁厚分布如图5所示，其中a为筒坯任意处沿筒坯轴向壁厚分布曲线，b为距al80°处沿筒坯轴向壁厚分布曲线；
[0065]步骤六中扩口成形后直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件壁厚分布如图6所示，其中a为筒坯任意处沿直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件轴向壁厚分布曲线，b为距al80°处沿直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件轴向壁厚分布曲线，从图6可以看出两条曲线基本重合且梯度变化小，说明试验二的直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件整体壁厚均匀性高。
[0066]综上所述，本试验具有如下优点:①获得的直筒-扩张段复合曲母线零件整体壁厚均匀性高减缓扩口成形时口部破裂缺陷的产生趋势，提高扩口系数；③采用旋压方式进行变壁厚制坯，并经过在线感应加热挤压扩口成形能够获得整体无焊缝的等壁厚回转体工件；④相对于多段卷焊结构，可显著提高钛合金曲母线薄壁回转体构件的整体性能。
【权利要求】
1.一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具，其特征在于一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件过程中使用的扩口成形模具由上模板(I)、上模具(2)、下模具(3)、感应加热装置(4)、隔热环(5)和下模板(6)构成；其中上模具(2)位于上模板(I)下部，上模具(2)分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，下部为直径小于上部的圆柱形，下模具(3)分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具(3)的上部为圆柱形，下模具(3)的中部为圆台，下模具(3)的下部为圆柱形，感应加热装置(4)环绕在下模具(3)外表面，隔热环(5)位于下模具(3)下方并与下模具(3)相对接，下模板(6)位于隔热环(5)下端面处。
2.一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法按以下步骤进行: 一、计算变壁厚筒坯理论几何形状尺寸并确定变壁厚筒坯实际几何形状尺寸:基于塑性加工过程体积不变规律，根据目标工件的几何形状尺寸计算目标工件的理论体积，即得到变壁厚筒坯的理论体积，然后使确定的变壁厚筒坯的理论几何形状尺寸中筒坯轴向两端分别预留一段废料段后，作为变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸；所述的变壁厚筒坯等壁厚段与变壁厚段的轴向长度之比为1:(0.7~3.0); 二、确定初始等壁厚筒坯几何形状尺寸:根据步骤一得到的变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸以及塑性加工过程体积不变原理，保持筒坯内径不变，反算得到初始等壁厚筒坯几何形状尺寸； 三、机械加工初始等壁厚筒坯:选择钛合金筒形坯料进行车削，车削至步骤二得到的初始等壁厚筒坯几何形状尺寸，得到旋压前毛坯，车削时对钛合金筒形坯料的内外表面均进行车削，并保证内外圆的同轴度以及端面和轴线的垂直度； 四、旋压得到变壁厚筒坯:先将旋`压模具加热至温度为180~220°C后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为180~220°C后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压，保持筒坯内径不变，得到旋压后变壁厚筒坯，即具有步骤一中实际几何形状尺寸的变壁厚筒坯；旋压工艺参数为:第一道次旋压温度控制为740~800°C，减薄率为15%~40%，第二道次旋压温度控制为700~800°C，减薄率为20%~35%，第三道次旋压温度控制为650~750°C，减薄率为20%~30% ； 五、电火花线切割端切变壁厚筒坯口部:通过电火花线切割将步骤四得到的旋压后毛坯口部多余废料切除，得到扩口成形前毛坯，即具有步骤一中确定的理论几何形状尺寸的变壁厚筒坯，线切割时保证待切割工件端面和轴线垂直； 六、感应加热在线挤压扩口成形:先将扩口成形模具加热至温度为180~220°C后将扩口成形模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为180~220°C后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再将扩口成形模具继续加热至温度为350~450°C，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形，得到直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件； 其中所述的扩口成形模具由上模板(I)、上模具(2)、下模具(3)、感应加热装置(4)、隔热环(5)和下模板(6)构成； 其中感应加热在线挤压扩口成形工艺参数为:液压机的压下速度为10mm/min~20mm/min,扩口系数为扩口前后还料端口内径的比为1: (1.4~1.9),位于下模具(3)区域的还料温度为650~750°C，且位于下模具(3)区域的坯料温度满足自上而下递增，递增温度梯度为沿坯料轴向20°C /mm。
3.根据权利要求2所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤一中所述的筒坯轴向两端分别预留一段废料段的长度为IOmm ~20mmo
4.根据权利要求2或3所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤一中所述的变壁厚筒坯等壁厚段与变壁厚段的轴向长度之比为1:(1~2.5)。
5.根据权利要求4所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤四中先将旋压模具加热至温度为200°C后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为200°C后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压。
6.根据权利要求4所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤四中旋压工艺参数为:第一道次旋压温度控制为740~800°C，减薄率为15%~35%，第二道次旋压温度控制为700~800°C，减薄率为20%~30%，第三道次旋压温度控制为650~750°C，减薄率为20%~28%。
7.根据权利要求4所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤六中先将扩口成形模具加热至温度为200°C后将扩口成形模具表层涂覆水基 石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为200°C后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨。
8.根据权利要求4所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤六中将扩口成形模具继续加热至温度为380~430°C，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形。
9.根据权利要求4所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤六中液压机的压下速度为15mm/min。
10.根据权利要求4所述的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法，其特征在于步骤六中扩口系数为扩口前后坯料端口内径的比为1:1.7。
【文档编号】B21D37/10GK103752707SQ201410039773
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】徐文臣, 单德彬, 赵小凯, 陈宇, 马浩, 张治朋, 靳学泽 申请人:哈尔滨工业大学