微型涡轮盘成形装置及方法与流程

本发明涉及微型涡轮盘精密制造领域，具体涉及一种微型涡轮盘成形装置及方法。

背景技术：

微型飞行器是目前航空航天领域最具吸引力的产品之一，而动力装置的微型化问题则是性能更强更灵活的新型微型飞行器的关键技术。微型喷气发动机是其中一种重要的微型动力装置，其尺寸大致是普通涡轮发动机的1/100～1/10，具有体积小、重量轻、可便携、推重比大等优点，无论是对国防、航空航天等军事领域还是对微型能源、移动通讯、机器人等民用领域都具有巨大的应用潜力和光明的前景。微型涡轮发动机工作原理与传统的燃气涡轮发动机相同，只是尺寸特别小，转速特别高，燃烧时间短，设计、加工制造较困难。

微型涡轮盘作为微型发动机的核心部件，其加工质量、使用性能和稳定性对微型发动机的高效服役具有重要意义。目前，微型涡轮盘主要采用铸造技术、微细电火花加工技术、微细机械加工技术及微细电火花铣削加工技术等。上述加工方法所加工的微型涡轮盘构件在组织性能和表面质量等方面相对于锻件而言存在一定的差距。然而微型零件的锻造成形由于尺寸效应的存在而变得异常困难。因此，开展微型涡轮盘精密制造技术研究，具有十分重要的经济意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种通过精密塑性变形的方法制造微型涡轮盘结构，具有工艺简单、成本低、效率高、材料利用率高、易于实现批量化生产等特点的微型涡轮盘成形装置及方法。

本发明通过以下措施达到：

一种微型涡轮盘成形装置，其特征在于设有上模板(1)和下模板(2)，其中上模板(1)上设有导套(3)，下模板(2)上设有与导套(3)相配合的导柱(4)，上模板(1)和下模板(2)通过导套(3)和导柱(4)组成封闭的框架，该封闭的框架内设有模具附属机构；所述模具附属机构包括上冲头固定板(7)、上冲头(8)、凹模固定板(9)、浮动凹模(10)、弹簧(11)、下冲头(12)、感应线圈(14)、凹模容腔(16)、顶出螺栓(18)、陶瓷套(20)；其中上冲头(8)经上冲头固定板(7)固定在上模板(1)底部，上冲头固定板(7)经螺栓(5)和定位销(6)固定在上模板(1)上，上模板(1)通过导套(3)和导柱(4)可实现上下往复运动，上冲头(8)可随上模板(1)上下移动；凹模容腔(16)通过螺钉(17)和定位销(19)与下模板(2)固定在一起，下冲头(12)位于凹模容腔(16)的中部并与上冲头保持同轴，坯料(21)置于上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)之间，上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)组成的模具型腔用于成形微型涡轮盘；浮动凹模(10)和弹簧(11)位于凹模容腔(16)内，并通过凹模固定板(9)将其固定在凹模容腔(16)内；陶瓷套(20)位于凹模容腔(16)外侧且位于下模板(2)的上面，顶出螺栓(18)位于下冲头(12)下面，并与凹模容腔(16)中心通过螺纹连接，感应线圈(14)位于陶瓷套(20)外部的上段；在凹模容腔(16)和陶瓷套(20)的侧壁设有热传感器孔(15)。

本发明中上模板(1)在压力机的驱动下带动上冲头运动。

本发明中还设有电磁感应机构，所述电磁感应机构包括感应电源、冷却机构以及感应线圈，其中感应电源为感应线圈供电，冷却机构设有水泵以及冷却水循环通道，本发明采用铜管作为感应线圈，铜管中央通道作为冷却水循环通道。

本发明中热传感器孔(15)中放置温度传感器，温度传感器通过导线与外部的温控仪相连接。

本发明中上模板(1)、下模板(2)之间的导向是靠导套(3)和导柱(4)来保证的。

本发明中为了保障成形过程中，模具不发生变形或破坏，模具材料选用钼钨锆铪合金。

本发明还提出了一种利用上述微型涡轮盘成形装置的微型涡轮盘成形方法，其特征在于将坯料放置于成形模具装置型腔内，通过电磁感应加热设备运行将坯料整体加热的预定温度，并通过压力机活动横梁向下运动，驱动与上模板连接在一起的凸模运动并将压力施加在坯料上，坯料在凸凹模的压力作用发生塑性变形，成形出所要的微型涡轮盘结构；

具体包括以下步骤：

步骤一：上模板(1)在压力机的驱动下带动上冲头(8)一起上行，上行至上冲头(8)距凹模固定板(12)上表面5-10mm的位置时停止；

步骤二：将经过加工的坯料放置于浮动凹模(10)与下冲头(12)组成的模具型腔内；

步骤三：启动电磁感应机构并对感应线圈(14)所包裹的区域进行快速加热，通过插入热传感器孔(15)中的温度传感器对其加热温度进行测量，当坯料加热到950-1250℃时，并保温60-120s；

步骤四：通过压力机以50-100mm/min的速度向下运行驱动上冲头(8)向下快速运动，待上冲头(8)距离坯料(21)0.5-1mm位置时，将压力机速度调至0.1-1mm/min的速度向下运行并驱动上冲头(8)向下运动，坯料(21)在上冲头(8)和下冲头(12)作用下发生镦粗变形，待上冲头(8)与浮动凹模(10)上表面接触时，在压力作用下上冲头(8)和受弹簧(11)支撑的浮动凹模(10)以相同的速度下行，坯料(21)在上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)的作用下继续发生塑性变形，压力机达到预先设定的位移或载荷时，保压1-3分钟，然后卸去凸模(5)载荷，此时微型涡轮盘构件成形完毕；

步骤五：在压力机的作用下上冲头(8)随上模板(1)一起向上运动，待上冲头(8)距距凹模固定板(12)上表面10-20mm的位置时停止，拧动顶出螺栓(18)上行并驱使下冲头(17)上行，将成形后的零件从浮动凹模(10)中顶出，此时取出成形件；

步骤六：上冲头(8)在压力机的驱动下向下运动，并下行至步骤一中的位置。

本发明中所述的微型涡轮盘坯料是高温合金，包括镍基高温合金、铁基高温合金和钴基高温合金。

本发明中所述的微型涡轮盘直径是在2.0-10.0mm范围、厚度在0.2-2.0mm范围。

本发明中所述的微型涡轮盘隼槽宽度为0.2-1.0mm、深度为0.1-3.0mm、隼槽个数10-30个。

本发明装置及方法的技术优势具体体现在：

(1)模具装置框架采用精密导柱-导套式结构进行导向，导向精度高。(2)采用整体框架式和凸、凹模组合式结构设计，便于更换不同凸、凹模模具结构以及凸、凹模损坏后的快速维修。(3)采用陶瓷隔热板结构设计，便于保护模具装置避免承受高温，保证模具导向精度；(4)采用电磁感应非接触式加热方式，大大提高加热速度、降低坯料表面氧化，大大提高生产效率和产品质量。(5)通过模具型腔来约束零件的尺寸，所获得产品的一致性好，尺寸精度高，性能优良。(6)采用压力成形方式进行加工，成形过程易于控制，能够根据需要改变工艺或坯料参数。(7)采用浮动凹模结构设计，变消极摩擦为积极摩擦，改善材料流动行为，提高材料成形性能。(8)采用闭式等温模锻技术制造的微型涡轮盘零件材料利用率高，不需要二次加工。(9)采用闭式等温模锻技术制造的微型涡轮盘零件微观组织沿零件轮廓呈流线分布，综合力学性能优良。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中模具装置局部放大图。

附图标记：1.上模板；2.下模板；3.导套；4.导柱；5.螺栓；6.定位销1；7.上冲头固定板；8.上冲头；9.凹模固定板；10.浮动凹模；11.弹簧；12.下冲头；13.螺钉1；14.感应线圈；15.传感器孔；16.凹模容腔；17.螺钉2；18.顶出螺栓；19.定位销2；20.陶瓷套；21.坯料

具体实施方式：

下面结合附图1和2详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

如图1所示，本发明提出了一种微型涡轮盘成形装置，其中上模板(1)和下模板(2)通过导套(3)和导柱(4)组成封闭的框架，模具所有附属结构都安装在该封闭的框架上。上冲头(8)通过穿过上冲头固定板(7)的螺栓(5)和定位销(6)固定在上模板(1)上。浮动凹模(10)和弹簧(11)位于凹模容腔(16)内，并通过凹模固定板(9)将其固定在凹模容腔内(16)。凹模容腔(16)通过螺钉(17)和定位销(19)将其与下模板(2)固定在一起。下冲头(12)位于凹模容腔(16)中部并与上冲头保持同轴，这样上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)组成的模具型腔用于成形微型涡轮盘。陶瓷套(20)位于凹模容腔(16)外侧、下模板(2)的上面。感应线圈(14)位于陶瓷套(20)外部的上段。在凹模容腔(16)和陶瓷套(20)的侧壁位置有一热传感器孔(15)。顶出螺栓(18)位于下冲头(12)下面，并与凹模容腔(16)中心通过螺纹连接。上模板(1)通过导套(3)和导柱(4)可实现上下往复运动。上冲头(8)可随上模板(1)上下移动。坯料(21)置于上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)之间。

本实施方式的上模板(1)、下模板(2)之间的导向是靠导套(3)和导柱(4)来保证的。

本实施方式的上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)的设计：为了保障成形过程中，模具不发生变形或破坏，模具材料选用钼钨锆铪合金。

具体实施方式一：结合图1和2说明本实施方式，本实施方式以GH4169高温合金材料为例介绍制造微型涡轮盘结构的方法，具体步骤为：

步骤一：上模板(1)在压力机的驱动下带动上冲头(8)一起上行，上行至上冲头(8)距凹模固定板(12)上表面5-10mm的位置时停止。

步骤二：将经过加工的坯料放置于浮动凹模(10)与下冲头(12)组成的模具型腔内；

步骤三：启动电磁感应装置并对感应线圈(14)所包裹的区域进行快速加热，通过插入热传感器孔(15)中的温度传感器对其加热温度进行测量，当坯料加热到950-1250℃时，并保温60-120s；

步骤四：通过压力机以50-100mm/min的速度向下运行驱动上冲头(8)向下快速运动，待上冲头(8)距离坯料(21)0.5-1mm位置时，将压力机速度调至0.1-1mm/min的速度向下运行并驱动上冲头(8)向下运动，坯料(21)在上冲头(8)和下冲头(12)作用下发生镦粗变形，待上冲头(8)与浮动凹模(10)上表面接触时，在压力作用下上冲头(8)和受弹簧(11)支撑的浮动凹模(10)以相同的速度下行，坯料(21)在上冲头(8)、下冲头(12)和浮动凹模(10)的作用下继续发生塑性变形，压力机达到预先设定的位移或载荷时，保压1-3分钟，然后卸去凸模(5)载荷，此时微型涡轮盘构件成形完毕；

步骤五：在压力机的作用下上冲头(8)随上模板(1)一起向上运动，待上冲头(8)距距凹模固定板(12)上表面10-20mm的位置时停止，拧动顶出螺栓(18)上行并驱使下冲头(17)上行，将成形后的零件从浮动凹模(10)中顶出，此时取出成形件；

步骤六：上冲头(8)在压力机的驱动下向下运动，并下行至步骤一中的位置；

依据上述实施方式，本发明内容所述范围均能实施，本发明不仅仅局限于上述实施方式。

本发明相对于现有技术，具有结构简单、工艺流程短、效率高、成本低等优点。