一种钛合金等厚薄壁异形环件轧胀复合成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及塑性加工领域，是一种钛合金等厚薄壁异形环件乳胀复合成形方法。
【背景技术】
[0002] 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 采用环乳直接成形或环乳+切削或环坯刚模胀形的方法成形此类环件。采用环乳的方法 直接成形异形环件（Liang Tian，Yu Luo, Hua-jie Mao1Lin Hua. A hybrid of theory and numerical simulation research for virtual rolling of double-groove ball rings. Int J Adv Manuf Technol. (2013)69:1 - 13)，当所成形异形环件壁厚均勾时，乳親和环还 之间没有稳定的接触面，这将使得辗乳过程难以持续进行，成形环件精度也难以满足航空 航天要求。环乳+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)，是先通过环乳成形矩形环件，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 发明专利"钛合金矩形环乳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、高性能的环乳件作为毛坯，该专利未披露毛坯的设 计和和成形方法。
[0003] 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。
【发明内容】
[0004] 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，本发明提 出了一种钛合金等厚薄壁异形环件乳胀复合成形方法。
[0005] 本发明的技术方案是：一种钛合金等厚薄壁异形环件乳胀复合成形方法，其包括 毛坯设计一一镦粗、冲孔一一薄壁环件辗乳一一刚模胀形一一精加工一一钛合金等厚薄壁 异形环件。具体步骤如下：
[0006] 步骤一、毛坯设计。
[0007] 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h z、初始 毛坯内径r。、初始毛坯轴向高度h。和初始毛坯外径R。。
[0008] 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R fmin，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I f;所述胀形工艺毛坯为薄壁矩形环件，壁厚为b z，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：
[0009] Rz=Rfnin (1)
[0012] 通过公式（4)确定所述轴向高度缩减量Ah :
[0014] 公式⑷中，r。为初始毛坯内径，R2为芯辊半径，h。为初始毛坯轴向高度，Ab为 初始毛坯壁厚总减小量。
[0015] 薄壁环件的辗乳采用径轴向辗乳，轴向高度的辗乳量要大于环件辗乳过程中轴向 高度的缩减量。环件辗乳芯辊半径为R 2，初始毛坯内径r。选取比1?2稍大的值。在确定初始 毛坯的尺寸时，令
[0022] 步骤二，制备初始毛坯。
[0023] 步骤三，成形刚模胀形的毛坯。通过环件辗乳将得到的初始毛坯成形为刚模胀形 的毛坯。
[0024] 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乳。乳制曲线采用直 线，芯辊的每转进给量保持为环件实时壁厚的1/n倍，所述η的取值范围通过公式（10)、 (11)确定：
[0027] 通过公式（12)确定芯辊的进给速度：
[0032] 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 =arctan μ，Ah为芯辑每转进给量，At为环件每转时间，t。为驱动辑每转时间。
[0033] 将初始毛坯辗乳成为薄壁矩形环件，该环件的外径为Rz，壁厚为匕，轴向高度为 hz;得到刚模胀形的毛坯；
[0034] 步骤四，成形异形环件。
[0035] 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R z，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R 2，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Rfniax。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&和S 3，每次胀形时间均为IOs~20s，完成胀形后环件旋转β 角，旋转β角后对环件保压30s。
[0036] 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Sp &和S 3分别通过公式（15)~ (21)确定：
[0044] m为模具凸模分瓣数，Θ为胀形模具芯轴的锥角；
[0045] 步骤五，精加工。
[0046] 本发明考虑环乳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乳胀复合成形方法。该方法首先 通过环乳获得薄壁矩形环件，然后通过刚模胀形获得高精度的等厚薄壁异形环件。
[0047] 由于本发明采用了上述技术方案，初始毛坯经环件辗乳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【背景技术】相比，本发明具有以下优点：
[0048] 1、节约材料：在本发明中，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，采用本发明，材料 利用率可达70%以上；而采用环乳+切削的方法，材料利用率不到50%。因此本发明为等 厚薄壁异形环件的成形节约了材料，降低了成本；
[0049] 2、环件精度高：在本发明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。而采用直接辗乳方法， 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；
[0050] 3、环件综合性能好：本发明主要通过塑性变形获得等厚薄壁异形环件，既能避免 环乳+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，因此采用本发明提出的方法成形的异形 环件可获得【背景技术】难以达到的高性能。
[0051] 附图内容
[0052] 附图1是钛合金薄壁异形环件乳胀复合成形方法的流程图；
[0053] 附图2是钛合金薄壁异形环件刚模热胀形模具图；
[0054] 附图3是实施例1中钛合金薄壁异形环件结构示意图；
[0055] 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：
[0056] L芯轴；2.凸模；3.凹模。
【具体实施方式】
[0057] 实施例1
[0058] 本实施例是一种采用钛合金乳胀复合成形工艺成形如图3所示环件的方法。
[0059] 在采用乳胀复合成形工艺成形异形环件时，采用申请号为201510197511. 1的发 明创造中公开的胀形模具。所述胀形模具包括芯