一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，属于材料加工技术领 域。
【背景技术】
[0002] 轻量化对于飞行器的装载、运输以及射程、飞行速度等方面均有较大影响。高速率 飞行器对材料要求严格，传统镁铝合金零件在高速摩擦产生的高温下极易氧化，通常选用 钛合金材料。点阵结构借用了晶体点阵的概念，其实际意义为具有周期性重复单元的空间 网络结构。点阵结构与单一材料相比，最大的不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙 率，因而其具有许多特有的优良性能：轻质、高强；抗爆炸、抗弹道冲击；高效散热、隔热；吸 收电磁波性能；吸声性能及多功能可设计性。点阵结构是当前国际学术界公认的最有前景 的新一代超轻质高强结构之一。相比于其他轻量化结构，点阵结构更适用于航空航天飞行 器高承载、轻重量的关键部件中。
[0003] 点阵结构主要承力部位在于其芯层三维结构，根据不同芯层构型可分为Kagome 点阵、单层金字塔点阵、双层金字塔点阵、单层波纹板及双层波纹板等。
[0004] 目前，点阵结构的研究主要为复合材料领域，其成形方式多为纤维缠绕、多杆粘结 等；由于金属材料可成形性能院不如复合材料，因此对于金属材料点阵结构的研究相对较 少，主要采用熔模铸造、冲压成型等方式。熔模铸造是将石蜡或挥发性聚合物等材料作为 模板，其加热挥发后留下复杂型腔，通过浇注金属液的方式得到复杂三维点阵结构，该方法 由于金属液流经通道狭小复杂，易出现浇不足等缺陷，此外，复杂结构难以通过后续机加处 理，因此对于金属表面化学反应控制的要求极高，通常其成品率与承载能力较低。冲压成 形时通过冷冲压的方式将镂空板折叠成三维复杂结构，该方法主要用于优异室温塑性材料 (如Ni合金、不锈钢等）的平面型点阵结构的成形，对于钛合金等室温成形性能较差材料的 筒形点阵结构常出现断裂、过度减薄引起的承载能力不足等诸多缺陷，导致钛合金点阵结 构成形精度极差、成品率极低。目前，尚未见有关钛合金筒形点阵结构高精度、高成品率、高 承载性能的成形工艺的报道。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明提供了一种钛合金筒形点阵轻量化结构的成形方 法，采用的技术方案如下：
[0006] 本发明的目的在于提供一种钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形方法，该方法是 将钛合金板材制作成筒形件，将筒形件放置在内模具外侧，外模具套在筒形件外侧，将冲头 放置在外模具预留加载通道中冲头自定位，然后将模具整体放置于热成形设备中进行点阵 位置的冲压成形，成形结束后卸载压力并降温，最终获得筒形点阵轻量化结构件。
[0007] 所述方法，步骤如下：
[0008] 1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件；
[0009] 2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧，内模具设有定位导向机构；
[0010] 3)然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合；
[0011] 4)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，获得组合后的模具；
[0012] 5)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使 各模具有效配合；
[0013] 6)加热模具至工艺温度，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具间的斜面配合 使各冲头的同步进给，对点阵位置进行冲压成形；
[0014] 7)成形结束后，卸压降温，通过控制降温速率，实现零件自退火，最终获得精度较 尚的结构件广品。
[0015] 优选地，步骤1)所述板材，厚度为0. 06mm-0. 2mm，材质可为TC4、TA15、Ti55或 Ti2AlNb〇
[0016] 优选地，步骤2)所述内模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表 面，且各圆弧表面曲率可以相同也可不同；所述定位导向机构，为圆环凸起，位于内膜具底 座上，用于内外模具装配。
[0017] 更优选地，所述凹槽为15°梯形圆环凸起。
[0018] 优选地，步骤3)所述外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实 现板材定位与冲头运动方向定位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆 环状装配槽。
[0019] 更优选地，装配槽位置设有15°斜面。
[0020] 优选地，步骤4)所述预留加载通道，为尺寸大于所成形阵点尺寸且方向与阵点中 心法向相同的通孔；所述冲头，一侧带有锥面，一侧与所成形阵点曲率相同且位置匹配。
[0021] 更优选地，所述冲头，一侧带有15°锥面。
[0022] 优选地，步骤6)所述加载模具，内侧带有锥面，与冲头锥面相配合；所述工艺温 度，为50(TC -70(TC ;所述冲压成形，工艺为：在将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完 毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为〇. 01mm/s-0. lmm/s。
[0023] 更优选地，所述加载模具，内侧带有15°锥面。
[0024] 优选地，步骤7)所述卸压，是将施加在加载模具的合模力降为5MPa ;降温是在氩 气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为400°C以下；平均降温速率为40°C /h。
[0025] 优选地，所述方法具体步骤为：
[0026] 1)将板材切割成为镂空板结构形式，经卷焊工艺，获得带有镂空结构的筒形件； 所述板材，长度为251mm，宽度为100mm，厚度为0. 06mm ;
[0027] 2)将步骤1)所得筒形件放置在内模具的外侧，内模具设有定位导向机构；所述内 模具，带有周期排列的点阵凹槽，凹槽处均为外凸圆弧表面，且各圆弧表面曲率可以相同也 可不同；所述定位导向机构，为设有15°梯形圆环凸起，用于内外模具装配；
[0028] 3)然后将外模具套在筒形件外侧，外模具设有定位导向槽，内外模具配合；所述 外模具，带有与所成形阵点相对应的预留加载通道，用于实现板材定位与冲头运动方向定 位；所述定位导向槽，为与内模具定位导向机构相配合的圆环状装配槽，装配槽位置设有 15°斜面；
[0029] 4)将冲头放置在外模具预留加载通道中，冲头自定位，获得组合后的模具；所述 预留加载通道，为尺寸大于所成形阵点尺寸且方向与阵点中心法向相同的通孔；
[0030] 5)将步骤4)的组合后的模具整体放置于热成形设备中，调整对齐各模具位置，使 各模具有效配合；
[0031] 6)加热模具至工艺温度500°C -700°C，缓慢下压加载模具，利用冲头与加载模具 间的斜面配合使各冲头的同步进给，对点阵位置进行冲压成形；所述冲压成形，工艺为：在 将模具加热至工艺温度，且冲头位置调整完毕后，缓慢下压加载模具，加载速度为〇. 01mm/ s-〇. 1mm/s ；
[0032] 7)成形结束后，将施加在加载模具的合模力降为5MPa，降温，通过控制降温速率， 氩气保护气氛中将温度按照设定的工艺曲线降为200°C以下，平均降温速率为40°C /h，实 现零件自退火，最终获得精度较高的结构件产品。
[0033] 以上所述任一方法在钛合金筒形点阵轻量化结构件的成形工艺中的应用。
[0034] 本发明针对一种筒形点阵轻量化结构零件，开展了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、芯板结构形式对工艺性 的影响等专题研究。采用均匀化方法来模拟多孔胞元类芯子，以得到等效本构模型，并运用 有限元分析方法验证了均匀化模型的正确性和精度，综合考虑质量效率和失效模式，设计 出一种更轻质高强的，适用于钛合金筒形结构件成形的三维点阵结构。并通过反复试验，探 索出一种可实现钛合金筒形点阵结构高精度、高效率生产的热成形工艺方案，利用多镶块 协同进给，通过一次加载实现所有点阵晶格的同步成形。通过对结构件成形质量的测量，发 现该方法所得零件尺寸精度高、无残余应力、产品质量可重复性好。综合考虑尺寸精度、机 械性能、成形效率等因素，本发明方案在成形钛合金筒形点