CN104801598A - 一种钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具 - Google Patents

Abstract

一种钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，包括芯轴、n个支架、n个凸模、凹模和底座。在底座的上表面均布有n个滑轨，各支架分别嵌装在各滑轨上，组合成为圆形的组合体。芯轴的小直径端位于所述的组合体内，并与各支架的内表面贴合。n个凸模分别固定在各支架上。两个半圆形的凹模瓣对合成为圆形的凹模并套装在各凸模的外表面；所述凹模的内表面和所述凸模的外表面均为工件的成形面。本发明在成形异形环形工件时要靠材料塑性成形，从而增加零件的表面耐磨性、提高零件的使用寿命，并且节约了材料，并能够补正环形工件的精度。在续进行多次加工时能够保证零件尺寸、精度的一致性。

Description

一种钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具

技术领域

本发明涉及塑性加工领域，是一种钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具。

背景技术

异形环形工件的常用制造方法有辗轧、胀形和切削，本发明所成形钛合金异形环为薄壁复杂异形环形工件，环形工件内外均为异形且壁厚较均匀，环形工件辗轧由于工艺和设备限制很难成形该类型环形工件，并且对于壁厚很薄的异形环形工件，刚度较差，在辗轧过程中容易出现失稳现象，导致无法成形或者最终圆度得不到保证，并且由于受轧制工艺及设备局限性的影响，其尺寸精度一般不高，只有在环轧件形状较理想和设备性能较优异的情况下，其尺寸精度才能达到相应尺寸的3‰～5‰；采用切削方法加工该类型环形工件，浪费材料，且会破坏金属流线，性能难保证；采用胀形法成形该类型环形工件，不会产生材料浪费，环形工件质量好、精度高。

2009年2月18日公开的中国发明专利说明书CN101367104A公开了一种汽轮发电机护环外补液液压胀形强化工艺，使护环在液体压力作用下产生塑性变形进行胀形，从而强化护环，提高精度，但该方法是靠液体与环形工件内表面的柔性接触来冷胀形矩形环形工件，只适用于胀形变形抗力小的材料，不适用于钛合金环形工件等难变形材料的热胀形。韩秀全等对TC4钛合金筒形件分瓣模热胀形工艺进行了研究(韩秀全，张涛，付明杰，马岩，黄春.TC4钛合金筒形件分瓣热胀形工艺研究.航空制造技术.2014.4),通过分瓣模热胀形的提高矩形环形工件的精度，但其不能成形异形环形工件。2011年11月24日公开的中国发明专利说明书CN102489596A公开了一种钛合金矩形环形工件热胀形成异形环形工件的方法，矩形环形工件在凸模的作用下，胀形成为锥形环形工件，并通过环形工件的旋转，多次胀形，提高环形工件的精度，但该方法只有凸模，只能成形锥形、矩形等结构简单的环形工件，不能成形结构较复杂的异形环形工件，并且环形工件外表面精度较低。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能成形结构较复杂的异形环形工件，并且环形工件外表面精度较低的不足，本发明提出了一种环形工件的胀形模具。

本发明包括芯轴、n个支架、n个凸模、凹模和底座；在所述底座的上表面均布有n个滑轨，各滑轨的走向为该底座的径向；所述各支架下表面的滑槽分别与位于底座上表面的各滑轨嵌合，组合成为圆形的组合体；圆锥形芯轴的小直径端位于所述的组合体内，并与各支架的内表面贴合；所述芯轴的下端面与底座的上表面之间的间距为所述支架垂直高度的1/3；n个凸模分别固定在各支架上；两个半圆形的凹模瓣对合成为圆形的凹模并套装在各凸模的外表面；所述凹模的内表面和所述凸模的外表面均为工件的成形面；所述凸模的厚度+所处位置的支架的厚度+芯轴的直径＝毛坯的内径。

所述芯轴表面与该芯轴中心线之间的夹角为5～10°。

所述由n个支架组合而成的组合体的内表面为与芯轴外表面配合的斜面；所述支架由一块弧形的竖直板和一块水平板组成，并且该竖直板位于水平板上表面的一端，在所述水平板下表面长度方向的中心有贯通该水平板长度方向的滑槽，该滑槽与底座上表面的滑轨配合；所述竖直板的两个表面均为曲面，该曲面的曲率与芯轴的曲率相同，当n个支架组合成为圆形的组合体后，由各竖直板的一个表面组成了与所述芯轴的外表面配合的组合体内表面；所述组合体的内表面为与芯轴外表面配合的斜面；在所述竖直板上有连接孔；

所述竖直板两侧边和水平板的两侧边为角度相同的斜边，使所述支架呈扇形；该扇形角β通过公式(2)确定

$\mathrm{\&beta;}<2\arcsin \left[\frac{R-S}{R}\sin \left(\frac{180}{n}\right)\right]---\left(2\right)$

公式(2)中，R为凸模外表面最小曲率半径，S为凸模径向总移动距离，n为分瓣数，β为凸模外表面弧线角度。

所述底座的中心有贯通的芯轴孔，该芯轴孔的直径与芯轴大直径端的直径相同。

组成所述凹模的两个凹面瓣相结合的表面为台阶状，形成了用于两个半圆环相互嵌合的止口。

所述凸模为弧形的块状，该凸模的内表面的曲率与支架外表面的曲率相同，该凸模外表面的形状需与环形工件成形要求一致。

本发明通过对钛合金矩形环形工件进行胀形，获得形位精度高的薄壁复杂异形环形工件。

本发明中的芯轴呈圆锥形并套装在支架围成的空间内，凸模固定在支架上，支架装在底座上并可沿底座来回滑动，凹模套装在凸模外围。圆锥形芯轴的外表面锥度与支架内侧锥度一致，可与其紧密接触，胀形时芯轴向下移动，从而将12个支架撑开沿水平方向移动，完成胀形过程。

支架分为两部分，竖直方向由一个内表面为锥形外表面为圆柱形的圆环切割而成，竖直方向部分内侧为锥形圆柱面，锥度、直径均与芯轴相同，其与芯轴紧密贴合，外圆柱面直径与凸模内侧相同，并且在竖直部分沿竖直方向有两个螺钉孔，可使凸模通过螺钉固定在支架上。水平部分底部有一个矩形凹槽，与底座的矩形导轨相配合，胀形时可保证支架沿直线运动。

凸模即胀形模凸模。凸模内侧为圆柱形，直径与支架竖直部分外侧直径相等，可与支架紧密贴合，外侧根据异形环形工件内表面做成不同形状，两竖直方向的侧表面的夹角为β，在凸模中间位置沿竖直方向有两个沉头螺钉孔，与支架上的两个螺钉孔位置一致，通过两个螺钉将凸模固定在支架上，固定后，凸模内侧与内表面与支架接触，下表面与支架水平部分接触。胀形时各凸模沿水平方向移动，迫使毛坯变形，胀形结束后凸模外表面与环形工件内表面紧密贴合，从而使环形工件内表面达到设计尺寸。

胀形时芯轴在压力作用下向下移动，由于滑块外侧为锥形，从而推动支架沿水平方向移动，凸模随支架沿水平方向移动，进而挤压毛坯将其压入凹模内，使其变形，分三次完成胀形过程，第一次胀形完成总变形量的60％，将环坯沿中心轴线旋转15°，再次胀形，完成总变形量的30％，再次旋转15°，完成总变形量的10％，胀形结束后，环形工件内表面与凸模紧密贴合，外表面与凹模紧密贴合，达到设计尺寸，将凹模分开，取出环形工件。采用该模具可成形薄壁复杂异形环形工件，并且可达到较高精度。

采用本模具成形异形环形工件时，整个过程主要靠材料塑性成形，塑性变形不会如切屑加工会破坏金属纤维的连续性，同时还可以提高材料的密度，从而增加零件的表面耐磨性、提高零件的使用寿命，并且节约了材料；由于环形工件的最终几何形状和尺寸由模具保证，可以使成形的环形工件达到很高的精度，并且连续进行多次加工时可以保证零件尺寸、精度的一致性；本模具有外凹模，且凹模由两部分构成，在胀形结束后可通过将凹模分开很方便的取出环形工件，因此与现有环形工件胀形模具相比，本模具既可以成形结构较简单的矩形或锥形环形工件，又可以成形结构复杂的异形环形工件。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明的主视图；

附图3是本发明的俯视图；

附图4是本发明的轴测图；

附图5是本发明的装配示意图；

附图6是芯轴的结构示意图；

附图7是支架的轴测图；

附图8是图7的主视图；

附图9是图7的俯视图；

附图10是图7的侧视图；

附图11是凸模的轴测图；

附图12是凹模的轴测图；

附图13是底座的轴测图；

附图14是实施例1最终环形工件的示意图；

附图15是实施例2最终环形工件的示意图。

图中：1.芯轴；2.支架；3.内六角螺钉；4.凸模；5.毛坯；6.凹模；7.底座；8.螺钉。

具体实施方式

实施例1

本实例是一种成形钛合金薄壁复杂异形环形工件的胀形模具。本实例中环形工件形状如图11所示，环形工件壁厚b＝15，环形工件的外径D＝1000mm，环形工件上端直边长度为h₁，下端直边长度为h₂，并且h₁＝h₂＝130mm；所述环形工件的中部为圆弧状的异形区，该异形区的外半径R₂＝50mm；所述异形区的两端分别与环形工件上端直边和下端直边之间均为圆弧过渡；所述过渡圆弧R₁＝10mm。环形工件材料为TA15钛合金。采用H13热作模具钢制作凸模和凹模，其余部件采用45钢。

本实例包括芯轴1、12个支架2、凸模4、凹模6、底座7。所述各支架位于底座7的上表面，各支架下表面的滑槽分别与分布在底座7上表面的各滑轨嵌合，使各支架能够沿该滑轨在所述底座的上表面作径向移动；所述12个支架在该底座的上表面组合成为圆形的组合体。圆锥形芯轴1的小直径端位于所述由12个支架组成的组合体内，并与各支架的内表面贴合；所述芯轴的下端面与底座的上表面之间有间距，该间距的高度为所述支架垂直高度的1/3。12个凸模4分别通过内六角螺钉3固定在各支架2上。两个半圆形的凹模瓣对合成为圆形的凹模6并套装在各凸模4的外表面；所述凹模的内表面和所述凸模的外表面均为工件的成形面；所述的工件成形面的形状与成形后的工件的形状一致。

所述凸模的厚度+所处位置的支架的厚度+芯轴的直径＝毛坯的内径。

工作时，将钛合金薄壁复杂异形环形工件的毛坯置于所述凸模4与凹模6之间。通过压力机对芯轴1施压，使该芯轴在压力的作用下向下移动，并推动12个支架2均沿底座表面做径向移动并带动凸模随支架做水平方向移动，进而挤压钛合金薄壁复杂异形环形工件的毛坯，通过凸模上的成形

块将该毛坯压入凹模的凹槽内，使毛坯变形。重复三次所述胀形过程：第一次胀形芯时，轴1向下移动384mm，完成总变形量的60％；第二次胀形芯时，将毛坯沿中心轴线旋转β/3，芯轴1向下移动192mm，完成总变形量的30％；第三次胀形芯时，再次将毛坯旋转β/3，芯轴1向下移动96mm，完成总变形量的10％。毛坯沿中心轴线旋转时，两次的转动方向一致。胀形结束后，环形工件内表面与凸模4紧密贴合，外表面与凹模6紧密贴合，达到设计尺寸，将凹模6分开，取出环形工件，得到钛合金薄壁复杂异形环形工件。

所述芯轴表面与该芯轴中心线之间的夹角为5～10°。本实施例中，所述芯轴底部直径为580mm，顶部直径为862mm，胀形时芯轴1向下移动，从而将12个支架2撑开沿水平方移动，完成胀形过程。计算支架2的水平移动距离S的公式(1)为：

S＝htanα   (1)

h为芯轴1沿竖直方向移动的距离，α为芯轴表面与芯轴中心线的夹角。

所述支架2由一块弧形的竖直板和一块水平板组成，并且该竖直板位于水平板上表面的一端。所述竖直板的一个表面为与芯轴外表面配合的斜面，当12个支架组合成为圆形的组合体后，所述竖直板的斜面为该组合体的内表面，与所述芯轴的外表面配合。同时所述竖直板的两个表面均为曲面，该曲面的曲率与芯轴的曲率相同。在所述竖直板上有连接孔。

所述竖直板两侧边和水平板的两侧边为角度相同的斜边，使所述支架呈扇形；该扇形的角度β通过公式(2)确定，本实施例中，该扇形角β＝24°。

$\mathrm{\&beta;}<2\arcsin \left[\frac{R-S}{R}\sin \left(\frac{180}{n}\right)\right]---\left(2\right)$

R为凸模外表面最小曲率半径，S为凸模径向总移动距离，n为分瓣数，β为凸模外表面弧线角度。

在该水平板下表面长度方向的中心有贯通该水平板长度方向的滑槽，该滑槽与底座上表面的滑轨配合。

所述凸模4为弧形的块状，该凸模的内表面的曲率与支架外表面的曲率相同，该凸模外表面的形状需与环形工件成形要求一致。本实施例中，成形后的环形工件中部有径向凸出的弧形，形成了该环形工件的异形区，故在该凸模的中部有凸出的成形块，该成形块的形状根据环形工件的成形要求确定。

本实施例的凸模4内侧为圆柱形，直径780mm，外侧形状、尺寸与环形工件内表面一致，凸模4的总高度520mm，上下两圆柱面的高度217.5mm，直径为970mm，异形区两过渡圆角直径为50mm，异形区半圆直径为70mm。在凸模4中间位置沿竖直方向有两个M16沉头螺钉孔，距上下端面的距离分别为130mm。凸模4通过内六角螺钉3固定在支架2上，内表面与支架2竖直部分接触，下表面与支架2水平部分接触。

凹模6为圆环状，由两个半圆环的凹模瓣组合而成。所述凹模6的内径与成形后的工件的外径相同。所述两个半圆环相结合的表面为台阶状，形成了用于两个半圆环相互嵌合的止口；在所述止口上有固定用的螺钉孔。

本实施例中，凹模内侧形状、尺寸均与环形工件外表面一致，总高度为520mm，上下两圆柱面高度为217.5mm，直径为1000mm，异形区的两个过渡圆角直径R₁＝R₂＝20mm，异形区半圆直径为100mm，凹模外侧为圆柱形，直径1200mm。凹模6的两部分由四颗M20螺钉固定在一起。

所述底座7为圆盘形，在该圆盘的中心有贯通的芯轴孔，该芯轴孔的直径与芯轴大直径端的直径相同。在所述底座7上表面均布有12个横截面为矩形的滑轨，该导轨分别与各支架下表面的滑槽配合，从而将各支架装配在底座之上，并在胀形时使各支架2均能够沿所述滑轨运动。

本实施例中，所述芯轴孔的直径为900mm，底座7上表面每隔30°有一个矩形导轨，高度为25mm，宽度为70mm。

实施例2

本实例是一种成形钛合金薄壁复杂异形环形工件的胀形模具。本实例中环形工件形状如图12所示，环形工件壁厚b＝15，环形工件的小端外径D₁＝1000mm，环形工件的大端外径D₂＝1100mm，环形工件高h＝350mm。环形工件材料为TA15钛合金。采用H13热作模具钢制作凸模和凹模，其余部件采用45钢。

本实例包括芯轴1、12个支架2、凸模4、凹模6、底座7。所述各支架位于底座7的上表面，各支架下表面的滑槽分别与分布在底座7上表面的各滑轨嵌合，使各支架能够沿该滑轨在所述底座的上表面作径向移动；所述12个支架在该底座的上表面组合成为圆形的组合体。圆锥形芯轴1的小直径端位于所述由12个支架组成的组合体内，并与各支架的内表面贴合；所述芯轴的下端面与底座的上表面之间有间距，该间距的高度为所述支架垂直高度的1/3。12个凸模4分别通过内六角螺钉3固定在各支架2上。两个半圆形的凹模瓣对合成为圆形的凹模6并套装在各凸模4的外表面；所述凹模的内表面和所述凸模的外表面均为工件的成形面；所述的工件成形面的形状与成形后的工件的形状一致。

所述凸模的厚度+所处位置的支架的厚度+芯轴的直径＝毛坯的内径。

工作时，将钛合金薄壁复杂异形环形工件的毛坯置于所述凸模4与凹模6之间。通过压力机对芯轴1施压，使该芯轴在压力的作用下向下移动，并推动12个支架2均沿底座表面做径向移动并带动凸模随支架做水平方向移动，进而挤压钛合金薄壁复杂异形环形工件的毛坯，通过凸模上的成形块将该毛坯压入凹模的凹槽内，使毛坯变形。重复三次所述胀形过程：第一次胀形芯时，轴1向下移动384mm，完成总变形量的60％；第二次胀形芯时，将毛坯沿中心轴线旋转β/3，芯轴1向下移动192mm，完成总变形量的30％；第三次胀形芯时，再次将毛坯旋转β/3，芯轴1向下移动96mm，完成总变形量的10％。胀形结束后，环形工件内表面与凸模4紧密贴合，外表面与凹模6紧密贴合，达到设计尺寸，将凹模6分开，取出环形工件，得到钛合金薄壁复杂异形环形工件。

所述芯轴表面与该芯轴中心线之间的夹角为5～10°。本实施例中，所述芯轴底部直径为580mm，顶部直径为862mm，胀形时芯轴1向下移动，从而将12个支架2撑开沿水平方移动，完成胀形过程。计算支架2的水平移动距离S的公式(1)为：

S＝htanα   (1)

h为芯轴1沿竖直方向移动的距离，α为轴表面与该芯轴中心线之间的夹角。

所述支架2由一块弧形的竖直板和一块水平板组成，并且该竖直板位于水平板上表面的一端。所述竖直板的一个表面为与芯轴外表面配合的斜面，当12个支架组合成为圆形的组合体后，所述竖直板的斜面为该组合体的内表面，与所述芯轴的外表面配合。同时所述竖直板的两个表面均为曲面，该曲面的曲率与芯轴的曲率相同。在所述竖直板上有连接孔。所述竖直板两侧边为斜面，使该竖直板的横截面呈扇形。所述水平板的两侧边为斜边，使该水平板呈扇形；在该水平板下表面长度方向的中心有贯通该水平板长度方向的滑槽，该滑槽与底座上表面的滑轨配合。所述竖直板横截面扇形的角度与水平板扇形的角度均为β，β通过公式(2)确定，本实施例中，该扇形角β＝24°。

$\mathrm{\&beta;}<2\arcsin \left[\frac{R-S}{R}\sin \left(\frac{180}{n}\right)\right]---\left(2\right)$

R为凸模外表面最小曲率半径，S为凸模径向总移动距离，n为分瓣数，β为凸模外表面弧线角度。

所述凸模4为弧形的块状，该凸模的内表面的曲率与支架外表面的曲率相同，该凸模外表面的形状需与环形工件成形要求一致。本实施例中，成形后的环形工件为锥形，故该凸模的外表面为锥形。

本实施例的凸模4内侧为圆柱形，直径780mm，外侧形状、尺寸与环形工件内表面一致，凸模4的总高度400mm，上端面直径为956mm，下端面直径为1070mm。在凸模4中间位置沿竖直方向有两个M16沉头螺钉孔，距上下端面的距离分别为130mm。凸模4通过内六角螺钉3固定在支架2上，内表面与支架2竖直部分接触，下表面与支架2水平部分接触。

凹模6为圆环状，由两个半圆环的凹模瓣组合而成。所述凹模6的内径与成形后的工件的外径相同。所述两个半圆环相结合的表面为台阶状，形成了用于两个半圆环相互嵌合的止口；在所述止口上有固定用的螺钉孔。

本实施例中，凹模内侧形状、尺寸均与环形工件外表面一致，高度为400mm，上端面直径为986mm，下端面直径为1100mm，凹模外侧为圆柱形，直径1200mm。凹模6的两部分由四颗M20螺钉固定在一起。

所述底座7为圆盘形，在该圆盘的中心有贯通的芯轴孔，该芯轴孔的直径与芯轴大直径端的直径相同。在所述底座7上表面均布有12个横截面为矩形的滑轨，该导轨分别与各支架下表面的滑槽配合，从而将各支架装配在底座之上，并在胀形时使各支架2均能够沿所述滑轨运动。

本实施例中，所述芯轴孔的直径为900mm，底座7上表面每隔30°有一个矩形导轨，高度为25mm，宽度为70mm。

Claims (6)

1.一种钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，其特征在于，包括芯轴、n个支架、n个凸模、凹模和底座；在所述底座的上表面均布有n个滑轨，各滑轨的走向为该底座的径向；所述各支架下表面的滑槽分别与位于底座上表面的各滑轨嵌合，组合成为圆形的组合体；圆锥形芯轴的小直径端位于所述的组合体内，并与各支架的内表面贴合；所述芯轴的下端面与底座的上表面之间的间距为所述支架垂直高度的1/3；n个凸模分别固定在各支架上；两个半圆形的凹模瓣对合成为圆形的凹模并套装在各凸模的外表面；所述凹模的内表面和所述凸模的外表面均为工件的成形面；所述凸模的厚度+所处位置的支架的厚度+芯轴的直径＝毛坯的内径。

2.如权利要求1所述钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，其特征在于，所述芯轴表面与该芯轴中心线之间的夹角为5～10°。

3.如权利要求1所述钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，其特征在于，所述由n个支架组合而成的组合体的内表面为与芯轴外表面配合的斜面；所述支架由一块弧形的竖直板和一块水平板组成，并且该竖直板位于水平板上表面的一端，在所述水平板下表面长度方向的中心有贯通该水平板长度方向的滑槽，该滑槽与底座上表面的滑轨配合；所述竖直板的两个表面均为曲面，该曲面的曲率与芯轴的曲率相同，当n个支架组合成为圆形的组合体后，由各竖直板的一个表面组成了与所述芯轴的外表面配合的组合体内表面；所述组合体的内表面为与芯轴外表面配合的斜面；在所述竖直板上有连接孔；

所述竖直板两侧边和水平板的两侧边为角度相同的斜边，使所述支架呈扇形；该扇形角β通过公式(2)确定

$\mathrm{\&beta;}<2\arcsin \left[\frac{R-S}{R}\sin \left(\frac{180}{n}\right)\right]---\left(2\right)$

公式(2)中，R为凸模外表面最小曲率半径，S为凸模径向总移动距离，n为分瓣数，β为凸模外表面弧线角度。

4.如权利要求1所述钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，其特征在于，所述底座的中心有贯通的芯轴孔，该芯轴孔的直径与芯轴大直径端的直径相同。

5.如权利要求1所述钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，其特征在于，组成所述凹模的两个凹面瓣相结合的表面为台阶状，形成了用于两个半圆环相互嵌合的止口。

6.如权利要求1所述钛合金薄壁复杂异形环形工件胀形模具，其特征在于，所述凸模为弧形的块状，该凸模的内表面的曲率与支架外表面的曲率相同，该凸模外表面的形状需与环形工件成形要求一致。