CN104139281A - 一种钛合金圆弧形薄壁零件成形工装及方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金圆弧形薄壁零件成形工装及方法，属于金属材料成形模具及其使用方法，解决现有钛合金薄壁零件加工周期长、生产成本高的问题。本发明包括筒体、四个限位块、四件定位块和多个包带组件，使用所述成形工装成形时，两块待成形圆弧形薄壁零件覆盖于所述筒体外表面，由4个限位块和4件定位块在垂直方向限位，再由沿筒体垂直方向均匀分布的多个包带组件箍紧对接成完整圆筒。本发明成形方法包括切割、预成形、装配、紧固、加热定形和拆卸步骤。本发明成形工装结构简单,制造和使用方便；本发明的方法可满足钛合金薄壁大直径零件的成形，避免了传统的焊接、热胀型、切割等传统、复杂长周期工序，使生产周期大大缩短、生产效率大大提高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料成形模具及其使用方法，具体涉及一种钛合金圆弧形薄壁零件成形工装及方法。
背景技术
在弹体结构中有不同厚度、大小、形状的蒙皮类零件，蒙皮是弹体结构中舱段骨架覆盖的主体，它负担着舱段承热、保证弹体气动外形、舱体承力等重要任务。蒙皮弹体飞行工作时必须承受压力。蒙皮生产中最大的困难是要解决好其外形形位公差问题。
壁厚小于2.0mm的铝合金圆弧形薄壁零件，现有的成形方法是直接滚卷成形后校形，即可保证零件的直线度、圆度等形位公差；而当其材料为钛合金时，由于钛合金板材的屈服强度高、回弹量大，采用滚卷的方法难以保证其圆度符合样板，往往采取预成形、焊接、胀形、线切割的方法加工，其缺点是加工周期长、生产成本高。
要解决成本和周期问题，首要解决工序复杂问题，首缩短零件的生产周期，其次要采取一致简便、快捷同时又能保证零件的形位公差的加工方法，使成本与质量达到动态平衡。
发明内容
本发明提供一种钛合金圆弧形薄壁零件成形工装，同时提供使用该工装的成形方法，解决现有钛合金薄壁零件加工周期长、生产成本高的问题，以提高零件的成形精度、缩短生产周期、降低生产成本。
本发明所提供的一种钛合金圆弧形薄壁零件成形工装，包括筒体、四个限位块、四件定位块和多个包带组件，其特征在于：
所述筒体为圆筒形，其下端面具有环形凸缘，用于对圆弧形薄壁零件定位，圆筒形内壁具有环向加强筋，以保证筒体刚度，筒体的外径与待成形圆弧形薄壁零件的圆弧内径相等，公差为+0.3mm～+0.5mm；
所述四个限位块形状相同，截面为L形，由一体且互相垂直的垂直面和水平面构成，水平面上具有通孔，用于穿过螺栓；
所述定位块形状相同，为立体矩形块，具有垂直于上表面的安装孔，用于穿过螺栓；
所述筒体的上端面对应圆筒形两条互相垂直的直径端部各通过螺栓固定有一限位块，各限位块的垂直面方向朝下，
所述筒体的环形凸缘上，垂直对应筒体上端面的限位块位置对应固定有定位块；
限位块的垂直面、定位块和所述筒体的筒壁之间具有容纳待成形圆弧形薄壁零件厚度的间隙，以便待成形圆弧形薄壁零件移动；
使用所述钛合金圆弧形薄壁零件成形工装成形时，两块待成形圆弧形薄壁零件覆盖于所述筒体外表面，由4个限位块和4件定位块在垂直方向限位，再由沿筒体垂直方向均匀分布的多个包带组件箍紧对接成完整圆筒。
所述的钛合金圆弧形薄壁零件成形工装，其特征在于：
所述多个包带组件的结构和组成相同，各自均包括包带、活节螺栓、接头；
所述包带为带状金属板，其一端为凹形端且形成环套，用于穿过销钉和活节螺栓连接，包带另一端为凸形端且形成环套，用于穿过销钉和接头连接；
所述活节螺栓为金属杆形件，其上端具有与轴向垂直的连接孔，用于穿过销钉和所述包带凹形端连接，活节螺栓下端具有外螺纹，活节螺栓的杆身具有铣扁，用于和扳手配合；
所述接头由一体的两个连接耳和连接座构成，两个连接耳垂直固连于连接座上，两个连接耳之间构成凹形槽，用于容纳所述包带的凸形端，两个连接耳上分别具有圆孔，用于穿过销钉和所述包带的凸形端连接；连接座上具有螺栓孔，用于穿过所述活节螺栓；
各包带组件的活节螺栓上端纳入所述包带凹形端，并穿过销钉使二者连接，接头的两个连接耳之间纳入所述包带凸形端，并穿过销钉使二者连接；
各包带组件箍紧时，同一包带组件的活节螺栓下端穿过连接座上的螺栓孔后，与螺母配合，能够调节活节螺栓穿出长度，从而将包带组件箍紧。
使用所述钛合金圆弧形薄壁零件成形工装的成形方法，包括下述步骤：
切割步骤：使用水刀切割钛合金薄壁板料，保证零件外形尺寸及形位公差，得到矩形的零件展开料；
预成形步骤：在三轴滚床上对零件展开料进行滚弯成形，成为弧形件；
装配步骤：沿成形工装筒体上、下端的限位块、定位块，采用滑动、挤压方式将两块弧形件分别装入筒体和限位块、定位块之间，由各限位块、定位块在垂直方向限位，再由沿筒体垂直方向均匀分布的多个包带组件箍住对接，覆盖于筒体外表面；
紧固步骤：在多个包带组件和两块弧形件之间，采用两块长条形垫板压紧在两块弧形件的两条对缝处，并采用多块弧形垫板衬于对应的各包带组件自身连接处，箍紧各包带组件；
加热定形步骤：将箍紧两块弧形件的成形工装置入井式炉加热，加热温度750℃±10℃，保温时间60min±10min，随炉降温至不高于550℃，取出后冷却至室温；
拆卸步骤：从筒体上拆卸多个包带组件、长条形垫板和弧形垫板，然后拆卸固定各限位块、定位块的螺栓，将定形为半圆弧的两块弧形件取下。
零件的对缝采用长条形弧形垫板压紧；零件与活节螺栓、接头、包带间的缝隙采用方、弧形垫板压紧，有效避免了零件成形后起皱的问题；为避免活节螺栓和螺母在热成型后胀死而无法卸模，活节螺栓和螺母采用高温合金材料，提高其耐用性。
本发明的成形工装结构简单，制造和使用方便，适用性广；本发明的方法使用常见井式炉进行热成形，所成形的半圆弧弧形件作为蒙皮，经过铆接装配成舱段，铆接后的组件尺寸和形位公差经检测均满足要求，一次合格率100％，可满足钛合金薄壁大直径零件的成形，避免了传统的焊接、热胀型、切割等传统、复杂长周期工序，使生产周期大大缩短、生产效率大大提高。
附图说明
图1为本发明的成形工装示意图；
图2为筒体示意图；
图3为限位块示意图；；
图4为定位块示意图；
图5为包带组件示意图；
图6为包带示意图；
图7为活节螺栓示意图；
图8为接头示意图；
图9为预成形后弧形件的示意图；
图10为半圆弧的弧形件外形示意图；
图11为长条形垫板示意图；
图12为弧形垫板示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明所提供的钛合金圆弧形薄壁零件成形工装的实施例，包括筒体1、四个限位块2、四件定位块3和五个包带组件4，
如图2所示，所述筒体1为圆筒形，其下端面具有环形凸缘1-1，用于对圆弧形薄壁零件定位，圆筒形内壁具有环向加强筋1-2，以保证筒体刚度，筒体的外径与待成形圆弧形薄壁零件的圆弧内径相等，为R955，公差为+0.3mm～+0.5mm；
如图3所示，所述各限位块2形状相同，截面为L形，由一体且互相垂直的垂直面2-1和水平面2-2构成，水平面上具有通孔2-2A，用于穿过螺栓；
如图4所示，所述定位块3形状相同，为立体矩形块，具有垂直于上表面的安装孔3-1，用于穿过螺栓；
如图1所示，所述筒体的上端面对应圆筒形两条互相垂直的直径端部各通过螺栓固定有一限位块，各限位块的垂直面方向朝下；
所述筒体的环形凸缘上，垂直对应筒体上端面的限位块位置对应固定有定位块，各定位块的垂直面方向朝上；
限位块的垂直面、定位块和所述筒体的筒壁之间具有容纳待成形圆弧形薄壁零件厚度的间隙，以便待成形圆弧形薄壁零件移动；
使用所述钛合金圆弧形薄壁零件成形工装成形时，两块待成形圆弧形薄壁零件覆盖于所述筒体1外表面，由4个限位块和4件定位块在垂直方向限位，再由沿筒体1垂直方向均匀分布的五个包带组件4箍紧对接成完整圆筒。
如图5所示，多个包带组件4的结构和组成相同，各自均包括包带4-1、活节螺栓4-2、接头4-3；
如图6所示，包带4-1为带状金属板，采用1mm厚度的Cr18Ni9Ti薄板加工，其一端为凹形端4-1A且形成环套，用于穿过销钉和活节螺栓连接，包带另一端为凸形端4-1B且形成环套，用于穿过销钉和接头连接；
如图7所示，活节螺栓3-2为金属杆形件，其上端具有与轴向垂直的连接孔4-2A，用于穿过销钉和所述包带凹形端连接，活节螺栓下端具有外螺纹4-2B，活节螺栓的杆身具有铣扁4-2C，用于和扳手配合；
如图8所示，接头4-3由一体的两个连接耳4-3-1和连接座4-3-2构成，两个连接耳4-3-1垂直固连于连接座4-3-2上，两个连接耳4-3-1之间构成凹形槽，用于容纳所述包带4-1的凸形端，两个连接耳4-3-1上分别具有圆孔4-3-1A，用于穿过销钉和所述包带4-1的凸形端连接；连接座4-3-2上具有螺栓孔4-3-2A，用于穿过所述活节螺栓4-2；
各包带组件4的活节螺栓4-2上端纳入所述包带4-1凹形端，并穿过销钉使二者连接，接头4-3的两个连接耳4-3-1之间纳入所述包带4-1凸形端，并穿过销钉使二者连接；
各包带组件4箍紧时，同一包带组件4的活节螺栓4-2下端穿过连接座4-3-2上的螺栓孔4-3-2A后，与螺母配合，能够调节活节螺栓穿出长度，从而将包带组件4箍紧。
本实施例中，筒体由1Cr18Ni9Ti材料铸造经机械加工而成，限位块、定位块由1Cr18Ni9Ti材料加工而成；
包带由1Cr18Ni9Ti板材弯曲、焊接而成，其周长略小于筒体外径周长，活节螺栓和接头由高温合金材料机械加工而成；
使用所述钛合金圆弧形薄壁零件成形工装的成形方法的实施例，包括下述步骤：
切割步骤：使用水刀切割钛合金薄壁板料，保证零件外形尺寸及形位公差，得到矩形的零件展开料，长3000mm、宽1000mm，厚度为1.5mm；
预成形步骤：在三轴滚床上对零件展开料进行滚弯成形，成为弧形件，如图9所示；
装配步骤：沿成形工装筒体上、下端的限位块，采用滑动、挤压方式将两块弧形件分别装入筒体和限位块、定位块之间，由各限位块、定位块在垂直方向限位，再由沿筒体垂直方向均匀分布的五个包带组件箍住对接，覆盖于筒体外表面，
紧固步骤：在多个包带组件和两块弧形件之间，采用两块长条形垫板压紧在两块弧形件的两条对缝处，并采用多块弧形垫板衬于对应的各包带组件自身连接处，箍紧各包带组件；
加热定形步骤：将箍紧两块弧形件的成形工装置入井式炉加热，加热温度750℃±10℃，保温时间60min±10min，随炉降温至不高于550℃，取出后冷却至室温；
拆卸步骤：从筒体上拆卸多个包带组件、长条形垫板和弧形垫板，然后拆卸固定各限位块、定位块的螺栓，将定形为半圆弧的两块弧形件取下。半圆弧的弧形件外形如图10所示，外形尺寸及形位公差满足图纸和装配要求。
所述紧固步骤中，长条形垫板如图11所示，由长度1000mm、宽度100mm、厚度2mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板材，宽度方向弯曲制弧，圆弧半径R955mm，以便安装后与零件外表面贴合；其作用是避免热成型时零件对缝处包带未箍紧部位起皱.
弧形垫板如图12所示，由长度250mm、宽度80mm、厚度2mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板材，长度方向弯曲制弧，圆弧半径R955mm，以便安装后与零件外表面贴合；其作用是避免热成型时零件在包带、活节螺栓、接头连接的间隙处无外力紧固而起皱。
Claims (3)
1.一种钛合金圆弧形薄壁零件成形工装，包括筒体(1)、四个限位块(2)、四件定位块(3)和多个包带组件(4)，其特征在于：
所述筒体(1)为圆筒形，其下端面具有环形凸缘(1-1)，用于对圆弧形薄壁零件定位，圆筒形内壁具有环向加强筋(1-2)，以保证筒体刚度，筒体的外径与待成形圆弧形薄壁零件的圆弧内径相等，公差为+0.3mm～+0.5mm；
所述限位块(2)形状相同，截面为L形，由一体且互相垂直的垂直面(2-1)和水平面(2-2)构成，水平面上具有通孔(2-2A)，用于穿过螺栓；
所述定位块(3)形状相同，为立体矩形块，具有垂直于上表面的安装孔(3-1)，用于穿过螺栓；
所述筒体的上端面对应圆筒形两条互相垂直的直径端部各通过螺栓固定有一限位块，各限位块的垂直面方向朝下，
所述筒体的环形凸缘上，垂直对应筒体上端面的限位块位置对应固定有定位块；
限位块的垂直面、定位块和所述筒体的筒壁之间具有容纳待成形圆弧形薄壁零件厚度的间隙，以便待成形圆弧形薄壁零件移动；
使用所述钛合金圆弧形薄壁零件成形工装成形时，两块待成形圆弧形薄壁零件覆盖于所述筒体(1)外表面，由4个限位块和4件定位块在垂直方向限位，再由沿筒体(1)垂直方向均匀分布的多个包带组件(4)箍紧对接成完整圆筒。
2.如权利要求1所述的钛合金圆弧形薄壁零件成形工装，其特征在于：
所述多个包带组件(4)的结构和组成相同，各自均包括包带(4-1)、活节螺栓(4-2)、接头(4-3)；
所述包带(4-1)为带状金属板，其一端为凹形端(4-1A)且形成环套，用于穿过销钉和活节螺栓连接，包带另一端为凸形端(4-1B)且形成环套，用于穿过销钉和接头连接；
所述活节螺栓(4-2)为金属杆形件，其上端具有与轴向垂直的连接孔(4-2A)，用于穿过销钉和所述包带凹形端连接，活节螺栓下端具有外螺纹(4-2B)，活节螺栓的杆身具有铣扁(4-2C)，用于和扳手配合；
所述接头(4-3)由一体的两个连接耳(4-3-1)和连接座(4-3-2)构成，两个连接耳(4-3-1)垂直固连于连接座(4-3-2)上，两个连接耳(4-3-1)之间构成凹形槽，用于容纳所述包带(4-1)的凸形端，两个连接耳(4-3-1)上分别具有圆孔(4-3-1A)，用于穿过销钉和所述包带(4-1)的凸形端连接；连接座(4-3-2)上具有螺栓孔(4-3-2A)，用于穿过所述活节螺栓(4-2)；
各包带组件(4)的活节螺栓(4-2)上端纳入所述包带(4-1)凹形端，并穿过销钉使二者连接，接头(4-3)的两个连接耳(4-3-1)之间纳入所述包带(4-1)凸形端，并穿过销钉使二者连接；
各包带组件(4)箍紧时，同一包带组件(4)的活节螺栓(4-2)下端穿过连接座(4-3-2)上的螺栓孔(4-3-2A)后，与螺母配合，能够调节活节螺栓穿出长度，从而将包带组件(4)箍紧。
3.使用权利要求1所述钛合金圆弧形薄壁零件成形工装的成形方法，包括下述步骤：
切割步骤：使用水刀切割钛合金薄壁板料，保证零件外形尺寸及形位公差，得到矩形的零件展开料，
预成形步骤：在三轴滚床上对零件展开料进行滚弯成形，成为弧形件；
装配步骤：沿成形工装筒体上端的限位块、下端的定位块，采用滑动、挤压方式将两块弧形件分别装入筒体和限位块、定位块之间，由各限位块、定位块在垂直方向限位，再由沿筒体垂直方向均匀分布的多个包带组件箍住对接，覆盖于筒体外表面，
紧固步骤：在多个包带组件和两块弧形件之间，采用两块长条形垫板压紧在两块弧形件的两条对缝处，并采用多块弧形垫板衬于对应的各包带组件自身连接处，箍紧各包带组件；
加热定形步骤：将箍紧两块弧形件的成形工装置入井式炉加热，加热温度750℃±10℃，保温时间60min±10min，随炉降温至不高于550℃，取出后冷却至室温；
拆卸步骤：从筒体上拆卸多个包带组件、长条形垫板和弧形垫板，然后拆卸固定各限位块、定位块的螺栓，将定形为半圆弧的两块弧形件取下。
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