机械加工减重槽钛合金蒙皮的热蠕变成形方法与流程

本发明属于钛合金制件热压成形技术领域，特别是涉及一种机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法。

背景技术：

钛合金是一种新型结构材料，其综合性能优异：密度小(大约4.5g/cm³)、比强度高、疲劳强度和抗裂纹扩展性能好、低温韧性良好、抗蚀性能好。因此它在航空、航天、船舶等领域获得了日益广泛的应用。对于航空发动机内外整流罩、导向器内环、压气机集气室等部件，国际上已普遍采用钛合金板材热压成形技术。在我国航空制造工艺中，钛合金板材的热成形技术正逐步推广应用。

钛合金热压蒙皮因为减重的需要，在零件上开有减重槽，此前减重槽采用化学腐蚀的方法进行加工，这种工艺由于腐蚀后形成的锯齿状边缘，不利于减重槽的形状和尺寸的控制。化学腐蚀的加工精度一般为±0.05～±0.15mm，表面粗糙度达Ra1.6～6.4μm，而且在保护层下的侧面方向上也会产生溶解，并在加工底面和侧面间形成圆弧状，但是圆弧的尺寸不可精确控制，只能根据化学腐蚀的工艺特点选取R2，并且化学腐蚀后，由于化学反应的不均匀性，导致腐蚀边缘参差不齐，疲劳稳定性差，对于化学腐蚀的时间、温度、药品用量等要求比较严格、难以掌控，且对周围环境有一定的污染，对操作人员的身心健康有一定的危害。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种提高制件精度和性能、提高生产效率、无污染的机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，包括以下步骤：

(1)成形模具制作：制作模具，包括凸模和凹模，使凸模和凹模的型腔面与热蠕变成形的蒙皮外观保持一致，在凹模和凸模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔；

(2)坯料加工：先加工坯料外轮廓，然后采用机械加工的方式在坯料上预加工出减重槽，再对坯料表面进行清洗；

(3)装模：将凹模和凸模分别清理干净后，在型腔面分别涂覆一层脱模剂，并将凸模和凹模分别固定在热压成形设备的上、下平台上；

(4)进料：将步骤(2)准备好的坯料装入凹模，并进行定位，然后将凸模下行，压下坯料，使得坯料与凹模接触；

(5)升温：对模具进行加热升温；

(6)热蠕变：当模具温度达到715～725℃后，保温25～35min；操作热压成形设备，使凸模下行压紧坯料直至模具闭合，模具闭合后加压至17～23T，保压、保温3～7min，然后关闭加热电源，进行冷却；

(7)脱模：待模具冷却之后，将热蠕变成形的制件从模具中取出来；

(8)加工：按照数模要求，切除多余的工艺边，并且对制件表面进行抛光处理，最终得到所需的钛合金蒙皮制件。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，进一步的，步骤(2)中，对坯料进行加工之前，先根据蒙皮的产品尺寸计算展开后坯料的理论尺寸，并补加5～10mm工艺余量。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，进一步的，步骤(2)中，采用工业清洗剂对坯料表面进行清洗。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，进一步的，步骤(3)中，脱模剂采用氧化亿或氮化硼。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，进一步的，步骤(5)中，对模具进行加热之前，先将热电偶插入凸模和凹模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，进一步的，步骤(6)中，当模具达到718～722℃后，保温28～32min。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，进一步的，步骤(6)中，模具闭合后加压至20～23T，保压、保温5～7min。

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，先制备与蒙皮制件匹配的模具，以对制件型面进行控制，采用机械加工方式预先加工出减重槽，再采用热蠕变方法成形制件，而不是先热成形蒙皮，再采用传统化学腐蚀方法加工减重槽。本发明方法明显提高了减重槽的尺寸控制精度，减重槽整体区域的壁厚公差可控制在±0.03～±0.08毫米，并且对于减重区和非减重区的应力集中区域，可圆弧过渡，圆弧角由酸洗时的R2mm增大到R5mm，明显减缓尺寸突变导致的应力集中，提高制件表面抗疲劳性能。本发明解决了化学腐蚀污染严重的问题，保证了操作人员身体健康，精确控制减重区和非减重区域的圆弧过渡尺寸，减低了应力集中程度，提高了零件的疲劳寿命。

下面结合附图对本发明的机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法进一步说明。

附图说明

图1为本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法中凹模的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法中凸模的结构示意图；

图4为图3的左视图。

具体实施方式

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法包括以下步骤：

(1)成形模具制作

在钛合金蒙皮热蠕变成形过程中，需要采用模具对制件的外形进行控制。模具包括凹模1和凸模2，如图1-图4所示，凹模1和凸模2的型腔面与热蠕变成形的蒙皮外观保持一致，在凹模1和凸模2上分别加工定位孔11、测温孔12、吊装孔13；

(2)坯料加工

根据蒙皮的产品尺寸计算展开后坯料的理论尺寸，补加5～10mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工坯料外轮廓，采用机械加工的方式在坯料上预加工出减重槽，减重槽的尺寸采用体积不变理论进行计算，并通过实验验证进行修订，直至达到理论尺寸要求；然后采用工业清洗剂对坯料表面进行清洗，工业清洗剂可采用BCS-943型工业清洗剂，质量分数为15～20％，保证坯料边缘无毛刺、尖角；

(3)装模

将凹模1和凸模2分别清洗干净后，在型腔面分别涂覆一层脱模剂，脱模剂可采用氧化亿或氮化硼或者两者的混合物，并将凸模2和凹模1分别固定在热压成形设备的上、下平台上；

(4)进料

将步骤(2)准备好的坯料装入凹模，进行定位，固定好坯料的位置后，将凸模2下行，压下坯料，使得坯料与凹模接触；

(5)升温

将热电偶插入凸模2和凹模1上的测温孔12中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪，然后对模具进行加热升温；

(6)热蠕变

当模具温度达到715～725℃后，保温25～35min；操作热压成形设备，使凸模2下行压紧坯料直至模具闭合，模具闭合后加压至17～23T，保压、保温3～7min，然后关闭加热电源，进行冷却；

(7)脱模

待模具冷却之后，将热蠕变成形的制件从模具中取出来；

(8)加工

按照数模要求，采用线切割切除多余的工艺边，并且对制件表面进行抛光处理，最终得到所需的钛合金蒙皮制件。

实施例1

一种机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，包括以下步骤：

(1)成形模具制作

在钛合金蒙皮热蠕变成形过程中，需要采用模具对制件的外形进行控制。模具包括凸模和凹模，凸模和凹模的型腔面与热蠕变成形的蒙皮外观保持一致，在凹模和凸模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔；

(2)坯料加工

根据蒙皮的产品尺寸计算展开后坯料的理论尺寸，补加5mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工坯料外轮廓，采用铣床在坯料上预加工出相应尺寸的减重槽，减重槽的尺寸采用体积不变理论进行计算，并通过实验验证进行修订，直至达到理论尺寸要求；；然后采用BCS-943型工业清洗剂对坯料表面进行清洗，质量分数为15％，保证坯料边缘无毛刺、尖角；

(3)装模

将凹模和凸模分别清洗干净后，在型腔面分别涂覆一层脱模剂，脱模剂采用氧化亿，并将凸模和凹模分别固定在热压成形设备的上、下平台上；

(4)进料

将步骤(2)准备好的坯料装入凹模，进行定位，固定好坯料的位置后，将凸模下行，压下坯料，使得坯料与凹模接触；

(5)升温

将热电偶插入凸模和凹模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪，然后对模具进行加热升温；

(6)热蠕变

当模具温度达到715℃后，保温35min；打开热压成形设备，使凸模下行压紧坯料直至模具闭合，模具闭合后加压至23T，保压、保温3min，然后关闭加热电源，冷却；

(7)脱模

待模具冷却之后，将热蠕变成形的制件从模具中取出来；

(8)加工

按照数模要求，采用线切割切除多余的工艺边，并且对制件表面进行抛光处理，最终得到所需的钛合金蒙皮制件。

测量所得钛合金蒙皮制件减重槽的尺寸，精度达到96.32％，减重槽R圆角的表明粗糙度为Ra0.8μm。

实施例2

一种机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，包括以下步骤：

(1)成形模具制作

在钛合金蒙皮热蠕变成形过程中，需要采用模具对制件的外形进行控制。模具包括凸模和凹模，凸模和凹模的型腔面与热蠕变成形的蒙皮外观保持一致，在凹模和凸模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔；

(2)坯料加工

根据蒙皮的产品尺寸计算展开后坯料的理论尺寸，补加8mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工坯料外轮廓，采用铣床在坯料上预加工出相应尺寸的减重槽，减重槽的尺寸采用体积不变理论进行计算，并通过实验验证进行修订，直至达到理论尺寸要求；；然后采用工业清洗剂对坯料表面进行清洗，保证坯料边缘无毛刺、尖角；

(3)装模

将凹模和凸模分别清洗干净后，在型腔面分别涂覆一层脱模剂，脱模剂采用氮化硼，并将凸模和凹模分别固定在热压成形设备的上下平台上；

(4)进料

将步骤(2)准备好的坯料装入凹模，进行定位，固定好坯料的位置后，将凸模下行，压下坯料，使得坯料与凹模接触；

(5)升温

将热电偶插入凸模和凹模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪，然后对模具进行加热升温；

(6)热蠕变

当模具温度达到720℃后，保温30min；操作热压成形设备，使凸模下行压紧坯料直至模具闭合，模具闭合后加压至20T，保压、保温5min，然后关闭加热电源，冷却；

(7)脱模

待模具冷却之后，将热蠕变成形的制件从模具中取出来；

(8)加工

按照数模要求，采用线切割切除多余的工艺边，并且对制件表面进行抛光处理，最终得到所需的钛合金蒙皮制件。

测量所得钛合金蒙皮制件减重槽的尺寸，精度达到98.56％，减重槽R圆角的表明粗糙度为Ra 0.62μm。

实施例3

一种机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，包括以下步骤：

(1)成形模具制作

在钛合金蒙皮热蠕变成形过程中，需要采用模具对制件的外形进行控制。模具包括凸模和凹模，凸模和凹模的型腔面与热蠕变成形的蒙皮外观保持一致，在凹模和凸模上分别加工定位孔、测温孔、吊装孔；

(2)坯料加工

根据蒙皮的产品尺寸计算展开后坯料的理论尺寸，补加10mm工艺余量，按尺寸要求采用线切割加工坯料外轮廓，采用铣床在坯料上预加工出相应尺寸的减重槽，减重槽的尺寸采用体积不变理论进行计算，并通过实验验证分析得出；然后采用BCS-943型工业清洗剂对坯料表面进行清洗，质量分数为20％，保证坯料边缘无毛刺、尖角；

(3)装模

将凹模和凸模分别清洗干净后，在型腔面分别涂覆一层脱模剂，脱模剂采用氧化亿，并将凸模和凹模分别固定在热压成形设备的上下平台上；

(4)进料

将步骤(2)准备好的坯料装入凹模，进行定位，固定好坯料的位置后，将凸模下行，压下坯料，使得坯料与凹模接触；

(5)升温

将热电偶插入凸模和凹模上的测温孔中，并接入到相应的仪表中，例如温度巡检仪，然后对模具进行加热升温；

(6)热蠕变

当模具温度达到725℃后，保温25min；打开热压成形设备，使凸模下行压紧坯料直至模具闭合，模具闭合后加压至17T，保压、保温7min，然后关闭加热电源，冷却；

(7)脱模

待模具冷却之后，将热蠕变成形的制件从模具中取出来；

(8)加工

按照数模要求，采用线切割切除多余的工艺边，并且对制件表面和减重槽进行抛光处理，最终得到所需的钛合金蒙皮制件。

测量所得钛合金蒙皮制件减重槽的尺寸，精度达到97.61％，减重槽R圆角的表明粗糙度为Ra0.8μm。

本发明钛合金蒙皮的热蠕变成形方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明机械加工减重槽的钛合金蒙皮的热蠕变成形方法，先制备与蒙皮制件匹配的模具，以对制件型面进行控制，采用机械加工方式预先加工出减重槽，再采用热蠕变方法成形制件，而不是先热成形蒙皮，再采用传统化学腐蚀方法加工减重槽。本发明方法明显提高了减重槽的尺寸控制精度，减重槽整体区域的壁厚公差可控制在±0.03～±0.08毫米，并且对于减重区和非减重区的应力集中区域，可圆弧过渡，圆弧角由酸洗时的R2mm增大到R5mm，明显减缓尺寸突变导致的应力集中，提高制件表面抗疲劳性能。本发明解决了化学腐蚀污染严重的问题，保证了操作人员身体健康，精确控制减重区和非减重区域的圆弧过渡尺寸，减低了应力集中程度，提高了零件的疲劳寿命。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。