一种钛合金零件热成型模具的制备方法与流程

本发明涉及一种热成型模具，尤其涉及一种钛合金零件热成型模具的制备方法。

背景技术：

钛合金具有一系列优秀的机械性能，比如密度较小，比强度高，耐腐蚀性强等等，在航空工业上有着广泛的应用。随着不同型号的损伤容限设计式的钛合金不断被研发，在飞机设计制造领域钛合金的使用量将还会不断的增大。此外，钛合金在民用领域的海洋开发、化工设备以及日常轻工方面也得到广泛的应用。然而，钛合金的缺口敏感性高，工程上多采用塑性成形的方法。但是，钛合金在室温下的屈强比高，塑性变形的范围小，回弹量很大，在工程应用中常用热状态下成形的方法。为了成形出航空零件上各种复杂的几何形状，目前广泛采用热模具成形的方法，即钛合金板材在加热软化的状态下受模具凹凸模的型腔的上下运动，在表面作用下受迫变形，发生塑性变形，最后形成各种形状的零件。在热状态下，根据热力学的基本理论，温度的上升会使得金属材料内的分子和原子的自由能加大，晶格原子偏离平衡点的振动幅度也变大。宏观表现为材料发生了体积膨胀，工程上一般用材料的线膨胀系数来表征某种材料在特定温度区间的这种膨胀效应。不同材料的线膨胀系数不同，同一种材料的不同扎制方向的膨胀系数也不同。在高温下，模具与零件由于是不同材料，因而其膨胀率不一致。在对模具进行设计时若不考虑材料的这种热膨胀差异，会使得模具的间隙和圆弧半径等关键尺寸在高温下不符合预期目标，有可能在加工过程中严重增大摩擦力，降低了模具的寿命甚至使加工出来的零件尺寸精度不符合要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛合金零件热成型模具的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种钛合金零件热成型模具的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将若干片状钛合金板材层叠并制成钛合金零件的测定式样；

S2、测定钛合金零件的测定式样的线膨胀系数；

S3、根据成形钛合金零件的外表面曲面生成模具内型腔曲面；

S4、根据测试所得的线膨胀系数，计算在工艺工况下钛合金零件的热形变尺寸；

S5、将模具型腔曲面的下模保持不变，上模向曲面外偏移，偏移的位移为热形变尺寸与钛合金板材厚度之和，再乘以经验放大系数，得到目标模具内型腔；

S6、完成模具其余的尺寸和结构设计，并检验模具是否符合要求。

作为本发明的进一步改进，所述“将若干片状钛合金板材层叠并制成钛合金零件的测定式样”步骤具体为：

将若干片状钛合金板材层叠并焊接成块状试样，将块状试样的表面打磨光滑，切割，得到圆柱状的钛合金零件的测定式样。

作为本发明的进一步改进，将若干片状钛合金板材层叠并采用扩散焊接工艺制成块状试样。

作为本发明的进一步改进，所述片状钛合金板材层的厚度为1mm，大小为20*20mm。

作为本发明的进一步改进，使用砂轮对块状试样的表面进行光滑打磨，然后使用线切割技术将块状试样切成标准的圆柱状钛合金零件的试样。

作为本发明的进一步改进，所述“测定钛合金零件的测定式样的线膨胀系数”步骤具体为：

用线膨胀系数测试仪器测试出钛合金零件的测定式样在各段温度区间下的线性膨胀系数。

作为本发明的进一步改进，所述“完成模具其余的尺寸和结构设计，并检验模具是否符合要求”步骤具体为：

使用专业计算机仿真软件对修改后的模具工况进行仿真，以验证模具是否符合工作要求。

作为本发明的进一步改进，扩散焊接工艺的温度为800°，保温4-5小时。

作为本发明的进一步改进，对块状试样打磨至表面粗糙度Ra6.3。

本发明的有益效果是：本发明充分考虑到钛合金零件和模具之间不同材料的线膨胀系数的差异，对模具的型腔尺寸进行调整，保证在工艺温度下模具能达到设计尺寸，改善了传统设计方法中根据经验公式设计导致的尺寸不匹配问题，提高模具的使用寿命，大大改善成形产品的质量，有效提高零件成形精度，并减少模具的制造时间和成本，提高了生产效率，同时本方法还能广泛应用于不同形状的不同牌号的钛合金钣金件的热成形冲压工艺模具的设计过程。

附图说明

图1是本发明一实施方式中钛合金零件热成型模具的制备方法步骤流程图；

图2是本发明一实施方式中若干片状钛合金板材层叠并焊接成块状试样的结构示意图；

图3是本发明一实施方式中将块状试样的表面打磨光滑，切割，得到圆柱状的钛合金零件的测定式样的结构示意图；

图4a是本发明一具体实施例中钛合金零件热成形模具工作时的装配示意图；

图4b是图4a的局部放大图；

图5a是本发明另一具体实施例中钛合金零件热成形模具工作时的装配示意图；

图5b是图5a的局部放大图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，介绍本发明中一具体实施方式，钛合金零件热成型模具的制备方法，包括以下步骤：

S1、将若干片状钛合金板材层叠并制成钛合金零件的测定式样。结合图2和图3所示，将若干片状钛合金板材11层叠并焊接成块状试样10，并将块状试样的表面打磨光滑，切割，得到圆柱状的钛合金零件的测定试样12。优选地，片状钛合金板材层的厚度为1mm，大小为20*20mm。

进一步地，若干片状钛合金板材11依次垂直层叠使用定位模具20进行定位压实，并将垂直层叠后的钛合金板材11和定位模具2放入扩散连接炉（图未示）内加热进行扩散焊接，制成块状试样10。优选地，扩散焊接工艺的温度为800°，保温4-5小时。使用砂轮对块状试样10的表面进行光滑打磨，打磨至表面粗糙度Ra6.3，然后使用线切割技术将块状试样切成标准的圆柱状钛合金零件的试样12（参图3）。将不符合固态材料的线膨胀系数测定的标准的板材材料变为一个符合测试要求的柱状体，保证测出来的线膨胀系数参数有效。

S2、测定钛合金零件的测定式样的线膨胀系数。用线膨胀系数测试仪器测试出钛合金零件的测定式样在各段温度区间下的线性膨胀系数。

S3、根据成形钛合金零件的外表面曲面生成模具内型腔曲面；

S4、根据测试所得的线膨胀系数，计算在工艺工况下钛合金零件的热形变尺寸，计算公式为：

Lcm=Lcj*（1+Aj*T）/(1+Am*T)

Lcj：钛合金零件在常温下的名义尺寸；Lcm：模具在常温下的名义尺寸

Aj: 钛合金零件线膨胀系数；Am：模具线膨胀系数；T ：温度

S5、将模具型腔曲面的下模保持不变，上模向曲面外偏移，偏移的位移为热形变尺寸与钛合金板材厚度之和，再乘以经验放大系数，得到目标模具内型腔。

参图4所示，为本发明一具体实施例中钛合金零件热成形模具工作时的装配示意图。其中，1是热成形上模、2 是压边装置、3是热成形下模、4是钛合金板材。钛合金热成形模具的工作流程是：在合适的温度条件下，钛合金板材4放置于下模3上，用压边装置2对钛合金板材4施加压边力、上模1向下模3方向运动对钛合金板材4施加成形载荷，最后实现钛合金板材4热成形。图4b是上模1与下模3之间的间隙示意图。

参图5所示，为本发明另一具体实施例中钛合金零件热成形模具工作时的装配示意图。其中，1是热成形上模、2 是压边装置、3是热成形下模、4是钛合金板材。钛合金热成形模具的工作流程是：在合适的温度条件下，钛合金板材4放置于下模3上，用压边装置2对钛合金板材4施加压边力、上模1向下模3方向运动对钛合金板材4施加成形载荷，最后实现钛合金板材4热成形。图5b是上模1与下模3之间圆角处的示意图。

S6、完成模具其余的尺寸和结构设计，并检验模具是否符合要求。使用专业计算机仿真软件对修改后的模具工况进行仿真，以验证模具是否符合工作要求。

为了更好的阐述本发明，以下提供钛合金零件热成型模具的制备方法的具体实施例。

实施例1 某牌号钛合金板料的拉深模具制备

S1、将某牌号的1mm钛合金板料切割成20x20mm的方片状，然后垂直层叠起来，使用定位模具进行定位压实；将模具和方片一起放入扩散焊接炉内加热进行扩散焊接，然后保温 ；冷却取出方块，该方块的尺寸为20x20x20mm，对方块表面进行打磨，使用线切割机切割方块，将块状试样切成标准的圆柱状钛合金零件的试样。

S2、交由专业材料测试机构测试得出该牌号的钛合金零件的测定式样在各段温度区间下的线性膨胀系数；

S3、根据成形钛合金零件的外表面曲面生成模具内型腔曲面；

S4、根据测试所得的线膨胀系数，计算在工艺工况下钛合金零件的热形变尺寸；

S5、在考虑下模和上模的间隙时，将S4中计算所得的热形变尺寸加上片状钛合金板材厚度作为修正后间隙尺寸，再乘以经验放大系数，得到目标模具内型腔。

依据传统的模具设计方法得到下模和上模的型腔形状，在本实施例中，固定下模的型腔曲面为钛合金零件的中轴面，将钛合金零件设计的中轴面向上偏移修正后的模具间隙后作为上模型腔。

S6、完成模具的其余结构和和尺寸设计，然后用计算机软件建模验证仿真加工过程。

实施例2 钛合金板材球型状杯突模具制备

S1、将钛合金板料切割成20片20x20mm的方片状，用小模具将方片垂直整齐堆叠，放入扩散焊接炉内进行加热扩散，然后保温；冷却并取出方块，然后对方块的表面进行打磨；使用线切割机切割方块，将块状试样切成标准的圆柱状钛合金零件的试样。

S2、交由专业材料测试机构测试得出钛合金零件的测定式样在各段温度区间下的线性膨胀系数；

S3、根据成形钛合金零件成品的外表面曲面生成模具内型腔曲面；

S4、根据测试所得的线膨胀系数，计算在工艺工况下钛合金零件的热形变尺寸；

S5、在考虑下模和上模的间隙时，将下模中轴面不断，将S4中计算所得的热形变尺寸加上片状钛合金板材厚度作为修正后间隙尺寸，再乘以经验放大系数，得到目标模具内型腔。

S6、完成模具的其余结构和和尺寸设计，然后用计算机软件建模验证仿真加工过程。

这里需要说明的是，上述实施例中，扩散焊接采用温度为加热800℃左右，保温4-5小时，以保证焊接良好。

块状试样端面进行打磨至表面粗糙度Ra6.3左右。线切割所得的圆柱状膨胀系数测定试样满足GJB332A-2004国家测试标准要求。

实例的材料的线性膨胀系数测试过程应遵循国家试验标准GJB332A-2004。

由于线膨胀系数为线性工艺参数，线性参数的意义是使图形发生线性变化，而任一图形经过任一倍数放大或缩小后成为的新图形与原图形相似，因而考虑线性膨胀系数后，对模具的模腔偏移量进行放大应基于相似形原理。相似性的两个基本特征为对角线相等，对应线段或曲线之比相等。

对于复杂模具型腔曲面的获取，一般采用的是使用软件提取热成形零件钣金的数字模型的外曲面，然后按照计算值要求向外偏移即可。

实施例列举了平面或可展成平面的曲面与圆弧面的偏移的考虑热膨胀系数差异的间隙计算方法，然而，实际应用中模具型腔可以是非常复杂的不规则曲面，偏移的方向只需要是每个点沿其法向方向偏移。也就是说，由于复杂曲面实际上也可以近似等效为许多微小的不同曲率的圆弧面连接而成，因而上述实例的情况可以是实际的情况的微小近似。

本发明有如下改进效果：

（1）本发明在模具设计中充分考虑了不同材料的高温导致的变形膨胀，保证模具间隙和圆角半径在工作状态（即高温）下也能符合设计准则。相比较于之前的设计方法，这种改进的设计方法能极大可能地避免因温度升高导致的模具间隙减少，从而减少摩擦力，使零件容易脱模，降低成形零件的内应力。

（2）在原有的模具设计的方法上进行改进和修改设计，模具的关键尺寸的修改结合工业生产经验与理论计算结果，能充分利用现有生产资料，因而结果可靠，可操作性强。

（3）将零件膨胀系数与模具膨胀系数匹配起来，留有足够的模具间隙，使零件在高温下脱模容易，可减少模具在高温条件下的磨损，同时减少模具的修模工作。采用新改进的设计方法制造的模具修模工作量减少，模具的寿命大大增加，成形零件的精度高，降低废品率。可提高钛合金钣金件的热成形生产效率和该工艺的使用范围。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。