CN108637568A - 一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形扩散连接模具设计与制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形扩散连接模具设计与制造方法，属于模具设计领域。该包括上模具组件和下模具组件，每个模具组件包括模座加强筋和模型面腹板，模座加强筋与模型面腹板均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置定位，二者的贴合面处通过焊接相连构成模具组件；上模具组件与下模具组件通过焊接构成模具。本发明的加工方法利用零件型面腹板与加强筋分离，经数控铣切加工，用熔焊焊接方法连接形成整体，可实现模具稳定性高、铸造缺陷少，便于制造，为成形出较为复杂的大型钛合金超塑成形/扩散连接零件提供可靠的手段。
Description
技术领域
本发明属于模具设计领域，适用于复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具设计与制造，具体应用于成形外廓较大、曲率变化不一、形状较为复杂的零件。
背景技术
钛合金超塑成形/扩散连接技术，从替代分离式的铆接零件，发展到组合的整体部件，完全体现钛合金超塑成形/扩散焊接技术于传统制造工艺相比的优点，结构重量轻、整体性好、成形质量高、制造周期短等，超塑成形/扩散连接技术应用于研制飞机、发动机构件，可获得减重10％-50％，降低成本30％-60％的显著技术经济效益，同时提高设计自由度及构件的整体性能，可替代现有钛合金壁板焊接、铆接、螺接生产工艺。近些年大型且复杂的钛合金超塑成型/扩散连接在生产中得到广泛应用，但由于模具高温时的不稳定性，导致零件成形状态不好，因此合理设计模具，保证模具的高温稳定性是解决生产实际的一大重点。
发明内容
为提高复杂钛合金零件超塑成形/扩散连接零件模具的高温变形稳定性，本发明提供了一种适用于形状复杂、曲率变化大的模具设计与制造方式，可解决零件在高温成形过程中由于模具变形而导致的阶差和缩沟问题，保证零件成形质量。
本发明的技术方案：
一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具，包括上模具组件和下模具组件；上模具组件由上模座加强筋1、上模型面腹板2和焊接定位耳片装置5构成；下模具组件由下模型面腹板3、下模座加强筋4和焊接定位耳片装置5构成；上模座加强筋1与上模型面腹板2均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置5定位，二者的贴合面处通过焊接相连；下模座加强筋3与下模型面腹板4均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置5定位，贴合处通过焊接相连；上模具组件与下模具组件通过焊接构成复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具；
所述的上模座加强筋1和下模座加强筋4均为中空模座，且表面开设镂空孔，在确保模具高温稳定性的同时，能减轻模具的重量；
所述的模座加强筋与模型面腹板焊接区域6以及上模型面腹板2与下模型面腹板3的贴合面保持曲面形状、曲率大小一致，确保模具的高温稳定性。
一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形扩散连接模具设计与制造方法，步骤如下：
步骤一，单独铸造加工上模座加强筋1、上模型面腹板2、下模型面腹板3和下模座加强筋4，并确保没有任何缺陷；
步骤二，对每个模型面腹板和每个模座加强筋的连接部位进行数控铣切加工；
步骤三，利用焊接定位耳片装置5将模型面腹板和模座加强筋定位，并采用焊条电弧焊和二氧化碳保护焊的焊接方式，将二者的贴合面进行焊接，形成上、下模具组件；
步骤四，将上、下模具组件进行焊接组合形成模具，对模具进行去应力退火；退火温度为800～860℃，保温时间为3.5h，冷却方式为自然冷却；
步骤五，对去应力退火后的模具进行数控加工，加工要求为：制造公差±0.1；型面粗糙度Ra≤1.6；定位孔同轴度0.1mm；
步骤六，数控加工后的模具进行再次去应力退火；退火温度为800～860℃，保温时间为3.5h，冷却方式为自然冷却；
步骤七，再次去应力退火后的模具经钳工抛光修整，得到符合要求的复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具。
所述步骤三中，焊条电弧焊是采用先分段定位焊后满焊的形式，焊条直径为Φ4.0，焊接电流为160～250A，焊条型号为A607或A107；所述二氧化碳保护焊用于填充焊，焊接电流为200～280A，焊接电压为：28～30V，焊丝型号为ER3802。
模具设计成该形式，其优点主要有以下几方面：
(1)模具结构通过零件型面腹板与加强筋分离式设计，可改善模具铸造质量，便于对模具座单独设计减轻孔，在减轻孔处对零件型面腹板与加强筋施焊更为方便，便于机械制造；
(2)在铸造过程中可避免由于模具体积大、型面复杂而造成的局部缩松、缩孔、夹砂等缺陷，使晶粒组织更加细密，精密度提高，延长了模具使用寿命；
(3)模具型面腹板与加强筋连接部分，经数控铣切加工，用熔焊焊接方法连接，后经热处理去应力退火，易于消除内应力，使模具稳定性更高。
本发明的有益效果：
通过本技术方案，利用零件型面腹板与加强筋分离，经数控铣切加工，用熔焊焊接方法连接形成整体，可实现模具稳定性高、铸造缺陷少，便于制造，为成形出较为复杂的大型钛合金超塑成形/扩散连接零件提供可靠的手段。
与传统零件的超塑成形/扩散连接模具设计方式相比，本发明提供了一种适用于复杂钛合金零件超塑成形/扩散连接的成形模具，特别适用于大曲率壁板、超塑区与扩散区交错复杂零件的成形，弥补了传统超塑成形/扩散连接模具的难制造，缺陷多等问题；该模具的设计形式可以使模具高温稳定性更高，解决零件由于模具不稳定而导致的阶差和缩沟问题。
通过模具的合理优化结构设计，在制造过程中对模具进行严格把控，可大大提高模具制造周期，延长模具使用寿命，对提高钛合金零件超塑成形/扩散连接质量有着重要的影响。这一创新性改进为公司节约了大量生产资源与制造成本，提高了企业制造水平，为后续超塑成形/扩散连接零件提供了必要的手段。
附图说明
图1为某复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具结构示意图，其中虚线区域为模具减轻槽区域。
图2为某复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具的模座加强筋结构示意图。
图3为某复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具的模型面腹板结构示意图。
图中：1上模座加强筋；2上模型面腹板；3下模型面腹板；4下模座加强筋；5焊接定位耳片装置；6模座加强筋与模型面腹板焊接区域。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具，包括上模具组件和下模具组件；上模具组件由上模座加强筋1、上模型面腹板2和焊接定位耳片装置5构成；下模具组件由下模型面腹板3、下模座加强筋4和焊接定位耳片装置5构成；上模座加强筋1与上模型面腹板2均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置5定位，二者的贴合面处通过焊接相连；下模座加强筋3与下模型面腹板4均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置5定位，贴合处通过焊接相连；上模具组件与下模具组件通过焊接构成复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具；
所述的上模座加强筋1和下模座加强筋4均为中空模座，且表面开设镂空孔，在确保模具高温稳定性的同时，能减轻模具的重量；
所述的模座加强筋与模型面腹板焊接区域6以及上模型面腹板2与下模型面腹板3的贴合面保持曲面形状、曲率大小一致，确保模具的高温稳定性。
一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具加工方法，步骤如下：
步骤一，单独铸造加工上模座加强筋1、上模型面腹板2、下模型面腹板3和下模座加强筋4，并确保没有任何缺陷；
步骤二，对每个模型面腹板和每个模座加强筋的连接部位进行数控铣切加工；
步骤三，利用焊接定位耳片装置5将模型面腹板和模座加强筋定位，并采用焊条电弧焊和二氧化碳保护焊的焊接方式，将二者的贴合面进行焊接，形成上、下模具组件；焊条电弧焊是采用先分段定位焊后满焊的形式，焊条直径为Φ4.0，焊接电流为160～250A，焊条型号为A607或A107；所述二氧化碳保护焊用于填充焊，焊接电流为200～280A，焊接电压为：28～30V，焊丝型号为ER3802；
步骤四，将上、下模具组件进行焊接组合形成模具，对模具进行去应力退火；退火温度为800～860℃，保温时间为3.5h，冷却方式为自然冷却；
步骤五，对去应力退火后的模具进行数控加工，加工要求为：制造公差±0.1；型面粗糙度Ra≤1.6；定位孔同轴度0.1mm；
步骤六，数控加工后的模具进行再次去应力退火；退火温度为800～860℃，保温时间为3.5h，冷却方式为自然冷却；
步骤七，再次去应力退火后的模具经钳工抛光修整，得到符合要求的复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具。
Claims (3)
1.一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具，其特征在于，包括上模具组件和下模具组件；上模具组件由上模座加强筋(1)、上模型面腹板(2)和焊接定位耳片装置(5)构成；下模具组件由下模型面腹板(3)、下模座加强筋(4)和焊接定位耳片装置(5)构成；上模座加强筋(1)与上模型面腹板(2)均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置(5)定位，二者的贴合面处通过焊接相连；下模座加强筋(3)与下模型面腹板(4)均单独铸造成形，二者之间通过焊接定位耳片装置(5)定位，贴合处通过焊接相连；上模具组件与下模具组件通过焊接构成复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具；
所述的上模座加强筋(1)和下模座加强筋(4)均为中空模座，且表面开设镂空孔，在确保模具高温稳定性的同时，能减轻模具的重量；
所述的模座加强筋与模型面腹板焊接区域(6)以及上模型面腹板(2)与下模型面腹板(3)的贴合面保持曲面形状、曲率大小一致，确保模具的高温稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种适用于复杂钛合金零件的超塑成形扩散连接模具的设计与制造方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，单独铸造加工上模座加强筋(1)、上模型面腹板(2)、下模型面腹板(3)和下模座加强筋(4)，并确保没有任何缺陷；
步骤二，对每个模型面腹板和每个模座加强筋的连接部位进行数控铣切加工；
步骤三，利用焊接定位耳片装置(5)将模型面腹板和模座加强筋定位，并采用焊条电弧焊和二氧化碳保护焊的焊接方式，将二者的贴合面进行焊接，形成上、下模具组件；
步骤四，将上、下模具组件进行焊接组合形成模具，对模具进行去应力退火；退火温度为800～860℃，保温时间为3.5h，冷却方式为自然冷却；
步骤五，对去应力退火后的模具进行数控加工，加工要求为：制造公差±0.1；型面粗糙度Ra≤1.6；定位孔同轴度0.1mm；
步骤六，数控加工后的模具进行再次去应力退火；退火温度为800～860℃，保温时间为3.5h，冷却方式为自然冷却；
步骤七，再次去应力退火后的模具经钳工抛光修整，得到符合要求的复杂钛合金零件的超塑成形/扩散连接模具。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤三中，焊条电弧焊是采用先分段定位焊后满焊的形式，焊条直径为Φ4.0，焊接电流为160～250A，焊条型号为A607或A107；所述二氧化碳保护焊用于填充焊，焊接电流为200～280A，焊接电压为：28～30V，焊丝型号为ER3802。
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