一种管形零件成形方法及其装置

1.本发明涉及金属塑性成形技术领域，更具体的说是涉及一种管形零件成形方法及其装置。


背景技术：

2.高温合金是现代航空发动机、燃气轮机及火箭发动机等必需的重要金属材料，随着新一代航空发动机向整体化、轻量化、长寿命、高可靠发展，涌现了一系列高温合金空心构件，其突出特点为整体结构、形状复杂、具有小特征、高精度及高温合金材料强度大、加工硬化显著、冷成形困难，这些特点交叉共存，使得此类构件制造难度极大，成为亟待解决的重大技术关键。例如航空发动机中的合流环、封严环等典型零件，零件内部型腔具有复杂小特征，由于空间的限制无法利用刚性模具直接成形，目前的主流成形工艺是先采用分块成形出单瓣结构，后采用焊接或铆接的方法，降低了零件的结构完整性、可靠性和寿命，导致零件成本高、成品率低，应用上受到限制。
3.目前金属充液成形技术作为一种先进的柔性成形方法，得到了长足的发展和广泛的应用，逐渐成为薄壁零件制造的主流技术之一。当前对高温合金管形零件的充液成形技术研究还较少。
4.因此，本发明提供了一种针对高温合金管形零件复杂微小特征的低压流体介质成形方法，该方法是基于板材液压成形工艺的一种新型衍生工艺。它在保证了高温合金管坯直臂区壁厚减薄率的基础上仅仅需要一道次成形，无需整形工序，同时通过微小特征局部加热，可以显著改善难成形复杂部位材料成形性能，很大减小了局部微小特征的制造难度。既可以充分发挥液压成形零件表面质量好、尺寸精度高的优势，同时利用了加热后材料性能的提高，不需要多道次成形，节约成本，提高生产效率。本发明的提出极大地拓宽了液压成形技术的应用范围，具有广阔的前景。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种仅需一步工序即可制备出表面质量好、成形精度高的具有宏观微特征的高温管形零件的成形方法及其装置。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种管形零件成形装置，包括上垫板、下垫板、刚性凹模和模具镶块，所述上垫板和下垫板由上至下平行设置，所述模具镶块和刚性凹模分别垂直设置于所述上垫板和下垫板之间，且所述刚性凹模的型腔与所述模具镶块的凸起相匹配，所述刚性凹模的型腔一侧设置有液室腔，所述刚性凹模底部设置有进液口，所述模具镶块的凸起内设置有加热圈。
8.进一步的，所述刚性凹模与所述上垫板、所述下垫板的连接处设置有密封装置。
9.进一步的，所述密封装置为密封圈。
10.上述的一种管形零件成形装置的零件成形方法，包括如下步骤：
11.1)根据所需管坯尺寸将零件材料卷焊下料得到管坯，然后对管坯进行切割、退火
处理、清洁后翻边成形，再次进行清洁处理，并检验管坯尺寸；
12.2)将刚性凹模和模具镶块安装在管材充液成形设备上，然后对液室腔内进行清理；
13.3)将检验后的管坯放置在成形装置的预设位置，然后将密封圈安装在管坯边缘外侧，再通过刚性凹模内的进液口向液室腔内快速加载液体，加载程度为液体未从液室圆角边缘溢流即可，保持液室压力；
14.4)将模具镶块凸起内的加热圈温度提高至预设温度，待管坯所要成形的微小特征部位温度稳定后，按设定速度使模具镶块沿径向推动管坯，同时设置液室腔内按设定压力曲线增压，坯料在模具镶块和低压流体介质的综合作用下发生弹塑性变形，模具镶块通过与刚性凹模合模，一步成形到位，然后冷却至室温，得到所需管形零件。
15.进一步的，本发明中所述的液室腔是指管坯和刚性凹模之间的型腔部分。
16.本发明通过模具镶块内加热圈对管坯复杂特征处材料局部加热，改善材料塑性，显著减小变形抗力及设备吨位，成形完毕后，通过室温冷却，加热制度根据零件材料固溶处理制度制定，使得材料处于固溶体状态，冷却后产生固溶时效强化作用，实现了高温合金塑性成形控形控性一体化制造。此种方法无需使用热流体介质，避免了热介质成形方法中柔性介质不能承受高温的问题。
17.进一步的，步骤1)中所述管坯尺寸公差为0～0.5mm。
18.进一步的，步骤1)中所述退火为采用真空热处理炉进行退火处理。
19.真空热处理炉比传统的普通热处理炉来说最大的优势就是能够快速的进行升温和降温，稳定性和重复性效果好，并且对于金属表面的净化效果更为明显，对于工件的内部与表面有良好的保护作用。
20.进一步的，所述清洁处理为采用棉质抹布清洁管坯表面以及模具表面的油渍。
21.棉质抹布对于工件的表面有良好的保护作用，并且吸水性好，其他材质的抹布可能会造成零件损伤。
22.进一步的，步骤4)中采用自阻加热设备对加热圈加热。
23.电阻加热设备由发热元件产生热能，通过传导等方式传到被加热物体上。由于使用了专门的传导的材料，因此被加热物体的种类一般不受限制，应用的范围更广。节能环保，加热的效率还非常高。
24.进一步的，步骤4)中所述低压流体介质包括液体或者气体，不局限于某一种特定流体介质。
25.进一步的，本发明中所述的管形零件外部的复杂微小特征包括深腔曲面、小圆角特征、负角特征以及凹槽特征，不局限于某一种特征。
26.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
27.1.本发明提供的成形方法结合了充液成形、刚性模具成形以及温热成形三者的优势，提高了管状零件复杂部位的材料塑性变形能力，减少复杂特征处局部缺陷，低压流体介质无需大设备吨位，仅仅需要一步工序即可制备出表面质量好、成形精度高的具有宏观微特征的高温合金管形零件，优势显著；
28.2.本发明保证了高温合金管坯直臂区壁厚减薄率的基础上仅仅需要一道次成形，无需整形工序，同时通过对微小特征，例如曲率变化处、小圆角特征处局部加热，可以显著
改善材料成形性能，很大减小了局部微小特征的制造难度，能够有效减少设备液压吨位，既可以充分发挥液压成形零件表面质量好、尺寸精度高的优势，同时实现一道次成形，节约成本，提高生产效率。
29.3.本发明的提出极大地拓宽了液压成形技术的应用范围，具有广阔的前景。该方法兼具充液成形、一步成形以及加热成形的优点，可以推广到其它具有相似特征的零件，例如复合材料管形零件，通过模具镶块与低压介质的双向压力，可以提高复合材料管形零件内外层的界面结合强度，具有良好的发展潜力。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
31.图1为本发明提供的一种针对高温合金管形零件复杂微小特征的低压流体介质成形方法所成形的具有典型微小特征的管形件外部形状示意图。
32.图2为本发明提供的一种针对高温合金管形零件复杂微小特征的低压流体介质成形方法所成形的管形件微小特征形状示意图。
33.图3为本发明提供的一种具有典型微小特征的管形件成形过程初始状态示意图。
34.图4为本发明提供的一种具有典型微小特征的管形件成形过程合模示意图。
35.图中：
[0036]1‑
上垫板；2
‑
密封装置；3
‑
刚性凹模；4
‑
加热圈；5
‑
模具镶块；6
‑
管坯；7
‑
液室腔；8
‑
下垫板；9
‑
进液口；10
‑
成形后零件。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
实施例1
[0039]
一种管形零件成形装置，包括上垫板1、下垫板8、刚性凹模3和模具镶块5，其中，上垫板1和下垫板8由上至下平行设置，模具镶块5和刚性凹模3分别垂直设置于上垫板1和下垫板8之间，且刚性凹模3的型腔与模具镶块3的凸起相匹配，刚性凹模5的型腔一侧设置有液室腔7，底部设置有进液口9，模具镶块的凸起内设置有加热圈4。
[0040]
在本实施例中，刚性凹模3与上垫板1以及下垫板8之间分别设置有密封圈2。
[0041]
实施例2
[0042]
采用上述实施例1中提供的管形零件成形装置的零件成形方法，包括以下步骤：
[0043]
1)通过物料单以及测量工具等检验零件材料牌号、状态、规格及表面质量；
[0044]
2)按所需尺寸将零件材料卷焊下料，公差为0～0.5mm；
[0045]
3)根据需要对管坯进行切割处理，对切割后管坯外形尺寸及表面质量进行检验，
然后放入真空热处理炉中进行退火处理；
[0046]
4)退火后用棉制抹布清洁管坯内外表面以及模具表面油渍；
[0047]
5)按照预设翻边成形工艺将管坯翻边成形；
[0048]
6)用棉制抹布清洁关键表面以及模具表面油渍，检验关键尺寸；
[0049]
7)将刚性凹模3和模具镶块5安装在管材充液成形设备上，调试完成后，对液室腔7进行清理，防止存留杂质在成形时对零件表面造成划伤；
[0050]
8)将翻边后管坯6放置在上垫板1、刚性凹模3以及下垫板8之间预设位置，设置好压边间隙，上垫板1下行合模，通过压力将管坯压紧在刚性凹模3上；
[0051]
10)密封圈2安装在坯料6边缘外侧，通过模具液室上的进液口9向液室腔7内快速加载液体，加载程度为液体未从液室圆角边缘溢流即可，保持液室压力；
[0052]
11)开启外部自阻加热设备电源，将模具镶块内加热圈4温度提高至预设温度，待坯料所要成形的微小特征部位温度稳定后，按设定速度使模具镶块5沿径向推动坯料，同时设置液室腔内按设定压力曲线增压，坯料在模具镶块和低压流体介质的综合作用下发生弹塑性变形，模具镶块直接与刚性凹模合模，一步成形到位，得到具有所需微小特征的高温合金管形零件10。
[0053]
12)将成形完毕后的高温合金管形零件10于室温中冷却，产生固溶时效强化作用，实现了高温合金塑性成形控形控性一体化制造。
[0054]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0055]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。