[发明专利]一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料塑性加工中的难变形材料精密热成形技术领域，尤其涉及一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐热耐腐蚀等优点，因而在航空、航天、兵器和石油化工等领域得到了日益广泛的应用。随着以上各领域减重、节省原材料及降低成本的需要，钛合金等薄壁回转体构件有着越来越广泛的应用，特别是直筒-扩张段复合等壁厚钛合金中、大型薄壁曲母线构件有着重要的用途。对于该类构件传统的卷焊+热校形工艺由于焊缝的存在使得构件性能下降，难以满足极端环境服役要求。传统的扩口成形工艺通常是采用等壁厚的管材坯料进行加工，由于成形过程中变形区外缘处于近似单向环向拉应力状态，壁厚减薄剧烈，易于出现轴向开裂缺陷，限制了扩口成形极限系数的提高。此外，由于扩口区在成形过程中变形不均，使得成形获得的工件壁厚沿曲母线分布不均，越靠近口部壁厚越薄，使得构件的整体性能下降，为此需要通过设计合理的制坯方案和扩口方案来成形最终壁厚沿曲母线均匀分布的薄壁回转体构件。

强力旋压工艺是一种广泛用于成形薄壁筒形件的先进制造技术，和机械加工、卷焊、铸造等工艺相比具有省力省料、成形效率高、组织性能好等优点，适用于钛合金等难变形材料薄壁筒形件的低成本高效制造。

发明内容

本发明是为解决现有方法存在的壁厚减薄剧烈、易出现轴向开裂、成形过程中变形不均以及构件的整体性能下降的问题，而提供一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具和方法。

本发明的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的模具由上模板、上模具、下模具、感应加热装置、隔热环和下模板构成；其中上模具位于上模板下部，上模具分为上下两部分，上下两部分同轴对接为一体，上部为圆柱形，下部为直径小于上部的圆柱形，下模具分为上中下三部分，上中下三部分依次对接为同轴一体结构，下模具的上部为圆柱形，下模具的中部为圆台，下模具的下部为圆柱形，感应加热装置环绕在下模具外表面，隔热环位于下模具下方并与下模具相对接，下模板位于隔热环下端面处。

本发明的一种成形直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件的方法按以下步骤进行：

一、计算变壁厚筒坯理论几何形状尺寸并确定变壁厚筒坯实际几何形状尺寸：基于塑性加工过程体积不变规律，根据目标工件的几何形状尺寸计算目标工件的理论体积，即得到变壁厚筒坯的理论体积，然后使确定的变壁厚筒坯的理论几何形状尺寸中筒坯轴向两端分别预留一段废料段后，作为变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸；所述的变壁厚筒坯等壁厚段与变壁厚段的轴向长度之比为1：（0.7～3.0）；

二、确定初始等壁厚筒坯几何形状尺寸：根据步骤一得到的变壁厚筒坯的实际几何形状尺寸以及塑性加工过程体积不变原理，保持筒坯内径不变，反算得到初始等壁厚筒坯几何形状尺寸；

三、机械加工初始等壁厚筒坯：选择钛合金筒形坯料进行车削，车削至步骤二得到的初始等壁厚筒坯几何形状尺寸，得到旋压前毛坯，车削时对钛合金筒形坯料的内外表面均进行车削，并保证内外圆的同轴度以及端面和轴线的垂直度；

四、旋压得到变壁厚筒坯：先将旋压模具加热至温度为180～220℃后将旋压模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤三得到的旋压前毛坯加热至温度为180～220℃后将步骤三得到的旋压前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再进行旋压，保持筒坯内径不变，得到旋压后变壁厚筒坯，即具有步骤一中实际几何形状尺寸的变壁厚筒坯；旋压工艺参数为：第一道次旋压温度控制为740～800℃，减薄率为15%～40%，第二道次旋压温度控制为700～800℃，减薄率为20%～35%，第三道次旋压温度控制为650～750℃，减薄率为20%～30%；

五、电火花线切割端切变壁厚筒坯口部：通过电火花线切割将步骤四得到的旋压后毛坯口部多余废料切除，得到扩口成形前毛坯，即具有步骤一中确定的理论几何形状尺寸的变壁厚筒坯，线切割时保证待切割工件端面和轴线垂直；

六、感应加热在线挤压扩口成形：先将扩口成形模具加热至温度为180～220℃后将扩口成形模具表层涂覆水基石墨，然后将步骤五得到的扩口成形前毛坯加热至温度为180～220℃后将步骤五得到的扩口成形前毛坯内外表层涂覆水基石墨，再将扩口成形模具继续加热至温度为350～450℃，然后通过扩口成形模具和液压机进行感应加热在线挤压扩口成形，得到直筒-扩张段复合的钛合金等壁厚曲母线薄壁回转体构件；