一种钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法

技术领域

本发明涉及钛合金薄壁构件精密塑性成形的结构设计和应用技术领域，特别提供了一种钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法。

背景技术

钛合金薄壁箍带是航空发动机重要的功能性构件，起到连接附加结构与发动机主体的作用。其零件形状包括中间区域的平直段和两侧的环形段组成。但是由于钛合金材料本身具有较低的弹性模量与塑性变形能力，以及较高的屈服强度，导致其薄壁构件室温变形回弹量大、变形抗力高、成形精度低，特别是对于钛合金薄壁弯曲构件，很难在室温条件下实现其精准成形。现有成形方法通常是通过提高钛合金的成形温度，来降低钛合金的变形抗力，消除残余应力，改善变形能力，提高成形质量。因此，对于钛合金薄壁箍带构件而言，目前通常是基于热成形技术，采用两次分步冲压弯曲成形工艺实现精密制造。

但是，传统采用加热炉的热成形方法需要同时加热模具和成形零件，导致零件制造周期长、成形效率低，且成形模具长时间工作在高温环境下，导致使用寿命降低，同时对大尺寸模具的加热也会导致能源消耗的增加以及生产成本的提高。同时，受加热炉尺寸以及热态环境的限制，很难实现具有复杂多向运动成形机构的应用，这使得钛合金薄壁箍带构件两侧的环形段只能采用分步的两次热弯曲成形工艺，不仅导致加工工艺过程增加，而且还需要单独设计两套弯曲模具。此外，钛合金在高温环境下的长时间暴露也会导致材料微观组织的粗化以及力学性能的降低。

人们迫切希望获得一种技术效果优良的钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果优良的钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法。针对航空发动机钛合金箍带类构件传统热成形工序多、效率低、模具寿命短、零件组织受热影响大以及成形零件尺寸受加热炉尺寸限制的不足，提出钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法，从而实现钛合金箍带类构件的高效、高质量、低能耗的精准成形。

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法针对现有钛合金薄壁箍带类构件成形技术存在的不足，提出利用脉冲电流通过金属产生的焦耳热效应实现成形板坯弯曲部位的快速加热；采用横向联动模具实现环形弯曲部分在一次成形循环内完成成形，缩短成形工序；采用成形装置变厚度辅助设计，通过减少中间段电流密度降低成形过程中的热量产生，弱化高温对钛合金微观组织和力学性能的不利影响。综合利用电流能场辅助热成形的快速加热优势和通过控制局部电流密度实现温度调控的方法，以及对多向联动模具工装结构的优化设计和成形加载顺序的精准控制使得本专利在钛合金薄壁箍带类构件的高效、高质量、低能耗的精准成形领域具有创造性和新颖性。

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置包括：液压机、限位块、电极、电源、绝缘垫板、调节块、上模、上模绝缘隔热层、芯模、下模绝缘隔热层、测温热电偶、下模、支撑定位弹簧与超薄绝缘垫层；其中，所述限位块与下模分别通过T型槽和夹紧机构与液压机上平台和下平台固定连接，并保证限位块运动方向；所述调节块与绝缘垫板通过螺栓相连接，调节块与绝缘垫板与限位块通过支撑定位弹簧相连接，在起到定位作用的同时还可以提供垂直压力；所述上模绝缘隔热层连接在上模外侧，下模绝缘隔热层连接在下模外侧，所述电极与成形板坯为螺栓连接或采用机械夹紧机构相连接，所述电极的正极和负极分别与成形板坯的两侧相连，并与电源形成回路；所述芯模表面带有绝缘隔热层，可以是对芯模表面进行绝缘处理或与芯模表面形状相同的陶瓷片或石棉垫片；。所述测温热电偶放置在下模的测温孔内，所述超薄绝缘垫层放置在成形板坯上，这里所述超薄为小于0.2mm，防止板坯折叠过来与自身相接触，避免短路其中一部分成形板坯。

优选的，所述上模只延水平方向运动，并可以围绕自身尾部圆弧转动，避免成形过程中，与芯模等结构干涉相撞。

上模绝缘隔热层和下模绝缘隔热层具体材质为氧化铝或氧化锆或陶瓷片或石棉垫片等。

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形方法，具体步骤如下：

步骤一：根据箍带构件的形状尺寸特征，对成形板坯切割加工；

步骤二：分别对上模、下模、芯模与成形板坯接触部位进行绝缘隔热涂层处理，涂层厚度在5µm~800µm；

步骤三：在液压机上依次安装限位块、支撑定位弹簧、绝缘垫板、调节块、上模、芯模以及下模，其中限位块安装在液压机上平台，限位块、支撑定位弹簧、绝缘垫板和调节块依次固定连接，两个上模分别固定在两端的液压机侧缸上，芯模通过连杆固定在液压机另一上平台，下模固定在液压机下平台；

步骤四：成形板坯两端分别与两个电极紧固连接，一侧电极与电源正极相连，另一侧电极与电源负极相连，并将成形板坯按位置放置在下模上，电源的电流值范围在0A~20000A；

步骤五：启动液压机，限位块下移，使调节块与成形板坯接触，并通过支撑定位弹簧对成形板坯施加垂直压力；

步骤六：芯模下移与下模合模，将成形板坯压弯，成形板坯两侧可以竖直抬起，而后在成形板坯弯曲重合部位放置超薄绝缘垫层；

步骤七：开通电源，使成形板坯弯曲部位升温，达到600°C~900°C；

步骤八：上模向中心移动，使成形板坯向内弯曲，上模移动至合模处的位置；

步骤九：限位块下移，通过施加在上模的垂直压力使成形板坯发生塑性变形，直至上模与下模实现合模；

步骤十：通电保温1min~10min后，控制电源逐渐降低电流直至电流归零，关闭电源；

步骤十一：液压机上平台上移，上模延水平方向退回，成形芯模和超薄绝缘垫层延侧向抽出，电极与成形板坯分离，取出成形零件。

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置及方法解决了钛合金大角度薄壁弯曲构件回弹量大、成形精度低的难题；实现了钛合金成形板坯的差温快速加热，成形部位温度高，非成形部位温度低，在保证变形温度的前提下，减少温度对非成形部位的不利影响；实现了钛合金箍带结构部件在一个工序内完成成形过程。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为成形过程中钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置与成形板坯位置示意图；

图2为最终成形状态的钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置与成形板坯位置示意图。

图中：1、限位块，2、电极，3、电源，4、绝缘垫板，5、调节块，6、成形板坯，7、上模，8、上摸绝缘隔热层，9、芯模，10、下模绝缘隔热层，11、测温热电偶，12、下模，13、支撑定位弹簧，14、超薄绝缘垫层。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

实施例1

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形装置包括：液压机、限位块1、电极2、电源3、绝缘垫板4、调节块5、上模7、上模绝缘隔热层8、芯模9、下模绝缘隔热层10、测温热电偶11、下模12、支撑定位弹簧13与超薄绝缘垫层14；其中，所述限位块1与下模12分别通过T型槽和夹紧机构与液压机上平台和下平台固定连接，并保证限位块1运动方向；所述调节块5与绝缘垫板4通过螺栓相连接，调节块5与绝缘垫板4与限位块1通过支撑定位弹簧13相连接，在起到定位作用的同时还可以提供垂直压力；所述上模绝缘隔热层8连接在上模7外侧，下模绝缘隔热层10连接在下模12外侧，所述电极2与成形板坯6为螺栓连接或采用机械夹紧机构相连接，所述电极2的正极和负极分别与成形板坯6的两侧相连，并与电源3形成回路；所述芯模9表面带有绝缘隔热层，可以是对芯模表面进行绝缘处理或与芯模9表面形状相同的陶瓷片或石棉垫片；所述测温热电偶11放置在下模12的测温孔内，所述超薄绝缘垫层14放置在成形板坯6上，这里所述超薄为小于0.2mm，防止板坯折叠过来与自身相接触，避免短路其中一部分成形板坯。

优选的，所述上模7只延水平方向运动，并可以围绕自身尾部圆弧转动，避免成型过程中，与芯模等结构干涉相撞。

上模绝缘隔热层8和下模绝缘隔热层10具体材质为氧化铝或氧化锆或陶瓷片或石棉垫片等。

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形方法具体步骤如下：

步骤一：根据箍带构件的形状尺寸特征，采用激光切割、线切割或水切割等方法，将成形板坯6切割成待加工的形状和尺寸，打磨成形板坯6边缘，去除毛刺飞边等缺陷；

步骤二：分别对上模7、下模12、芯模9与成形板坯6接触部位进行绝缘隔热涂层处理，通过调控处理参数实现绝缘隔热涂层分布均匀，且各部位厚度相近，涂层厚度在5µm~800µm；

步骤三：分别将限位块1和下模12安装在液压机上平台和下平台，再依次在限位块1下固定安装支撑定位弹簧13、绝缘垫板4和调节块5，其中绝缘垫板4和调节块5采用螺栓或机械连接，支撑定位弹簧13起到定位和控制绝缘垫板4和调节块5位置的作用，上模7分别固定在两端的液压机侧缸，使其能够沿水平方向运动，芯模9通过连杆固定在液压机另一上平台，使之可以沿垂直方向运动；

步骤四：成形板坯6两端分别与两个电极2紧固连接，一侧电极2与电源3正极相连，另一侧电极2与电源3负极相连，使之形成电流回路，安装时电源3保持关闭，并将成形板坯6两面喷涂润滑剂，而后将成形板坯6按位置放置在下模上。

步骤五：启动液压机，限位块1下移，使调节块5与成形板坯6接触，并通过支撑定位弹簧13对成形板坯6施加垂直压力，避免电流通过产生打火现象；

步骤六：芯模下移与下模合模，使成形板坯6发生塑性变形并压弯，使成形板坯6两侧可以沿模具型面竖直抬起，而后在成形板坯6弯曲重合部位放置超薄绝缘垫层；

步骤七：开通电源，逐渐增加电流大小，使成形板坯6发生塑性变形弯曲部位的温度快速升高，达到成形温度600°C~900°C；

步骤八：上模7向中心移动，使成形板坯向内弯曲，上模7移动至合模处的位置；保证成形板坯弯曲处可以实现最终贴模；

步骤九：限位块1下移，通过施加在上模7的垂直压力使上模7向下发生偏转，进而使成形板坯6发生塑性变形，直至上模7与下模12实现合模，完成成形过程；

步骤十：通电保温1min~10min后，控制电源电流逐渐降低，直至其数值为零，关闭电源；

步骤十一：液压机上平台上移，侧缸收回，使上模7延水平方向退回，成形芯模9和超薄绝缘垫层14延侧向抽出，电极2与成形板坯6分离，取出成形零件。

实施例2

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形方法具体步骤如下：

步骤一：根据箍带构件的形状尺寸特征，采用激光切割、线切割或水切割等方法，将成形板坯6切割成待加工的形状和尺寸，打磨成形板坯6边缘，去除毛刺飞边等缺陷；

步骤二：分别对上模7、下模12、芯模9与成形板坯6接触部位进行绝缘隔热涂层处理，通过调控处理参数实现绝缘隔热涂层分布均匀，且各部位厚度相近，涂层厚度在5µm~10µm；

步骤三：分别将限位块1和下模12安装在液压机上平台和下平台，再依次在限位块1下固定安装支撑定位弹簧13、绝缘垫板4和调节块5，其中绝缘垫板4和调节块5采用螺栓或机械连接，支撑定位弹簧13起到定位和控制绝缘垫板4和调节块5位置的作用，上模7分别固定在两端的液压机侧缸，使其能够沿水平方向运动，芯模9通过连杆固定在液压机另一上平台，使之可以沿垂直方向运动；

步骤四：成形板坯6两端分别与两个电极2紧固连接，一侧电极2与电源3正极相连，另一侧电极2与电源3负极相连，使之形成电流回路，安装时电源3保持关闭，并将成形板坯6两面喷涂润滑剂，而后将成形板坯6按位置放置在下模上；

步骤五：启动液压机，限位块1下移，使调节块5与成形板坯6接触，并通过支撑定位弹簧13对成形板坯6施加垂直压力，避免电流通过产生打火现象；

步骤六：芯模下移与下模合模，使成形板坯6发生塑性变形并压弯，使成形板坯6两侧可以沿模具型面竖直抬起，而后在成形板坯6弯曲重合部位放置超薄绝缘垫层；

步骤七：开通电源，逐渐增加电流大小，使成形板坯6发生塑性变形弯曲部位的温度快速升高，达到成形温度600°C；

步骤八：上模7向中心移动，使成形板坯向内弯曲，上模7移动至合模处的位置；保证成形板坯弯曲处可以实现最终贴模；

步骤九：限位块1下移，通过施加在上模7的垂直压力使上模7向下发生偏转，进而使成形板坯6发生塑性变形，直至上模7与下模12实现合模，完成成形过程；

步骤十：通电保温1min~2min后，控制电源电流逐渐降低，直至其数值为零，关闭电源；

步骤十一：液压机上平台上移，侧缸收回，使上模7延水平方向退回，成形芯模9和超薄绝缘垫层14延侧向抽出，电极2与成形板坯6分离，取出成形零件。

实施例3

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形方法具体步骤如下：

步骤一：根据箍带构件的形状尺寸特征，采用激光切割、线切割或水切割等方法，将成形板坯6切割成待加工的形状和尺寸，打磨成形板坯6边缘，去除毛刺飞边等缺陷；

步骤二：分别对上模7、下模12、芯模9与成形板坯6接触部位进行绝缘隔热涂层处理，通过调控处理参数实现绝缘隔热涂层分布均匀，且各部位厚度相近，涂层厚度在700µm~800µm；

步骤三：分别将限位块1和下模12安装在液压机上平台和下平台，再依次在限位块1下固定安装支撑定位弹簧13、绝缘垫板4和调节块5，其中绝缘垫板4和调节块5采用螺栓或机械连接，支撑定位弹簧13起到定位和控制绝缘垫板4和调节块5位置的作用，上模7分别固定在两端的液压机侧缸，使其能够沿水平方向运动，芯模9通过连杆固定在液压机另一上平台，使之可以沿垂直方向运动；

步骤四：成形板坯6两端分别与两个电极2紧固连接，一侧电极2与电源3正极相连，另一侧电极2与电源3负极相连，使之形成电流回路，安装时电源3保持关闭，并将成形板坯6两面喷涂润滑剂，而后将成形板坯6按位置放置在下模上；

步骤五：启动液压机，限位块1下移，使调节块5与成形板坯6接触，并通过支撑定位弹簧13对成形板坯6施加垂直压力，避免电流通过产生打火现象；

步骤六：芯模下移与下模合模，使成形板坯6发生塑性变形并压弯，使成形板坯6两侧可以沿模具型面竖直抬起，而后在成形板坯6弯曲重合部位放置超薄绝缘垫层；

步骤七：开通电源，逐渐增加电流大小，使成形板坯6发生塑性变形弯曲部位的温度快速升高，达到成形温度900°C；

步骤八：上模7向中心移动，使成形板坯向内弯曲，上模7移动至合模处的位置；保证成形板坯弯曲处可以实现最终贴模；

步骤九：限位块1下移，通过施加在上模7的垂直压力使上模7向下发生偏转，进而使成形板坯6发生塑性变形，直至上模7与下模12实现合模，完成成形过程；

步骤十：通电保温8~10min后，控制电源电流逐渐降低，直至其数值为零，关闭电源；

步骤十一：液压机上平台上移，侧缸收回，使上模7延水平方向退回，成形芯模9和超薄绝缘垫层14延侧向抽出，电极2与成形板坯6分离，取出成形零件。

实施例4

所述钛合金箍带类构件联动模具局部变温成形方法具体步骤如下：

步骤一：根据箍带构件的形状尺寸特征，采用激光切割、线切割或水切割等方法，将成形板坯6切割成待加工的形状和尺寸，打磨成形板坯6边缘，去除毛刺飞边等缺陷；

步骤二：分别对上模7、下模12、芯模9与成形板坯6接触部位进行绝缘隔热涂层处理，通过调控处理参数实现绝缘隔热涂层分布均匀，且各部位厚度相近，涂层厚度在100µm~500µm；

步骤三：分别将限位块1和下模12安装在液压机上平台和下平台，再依次在限位块1下固定安装支撑定位弹簧13、绝缘垫板4和调节块5，其中绝缘垫板4和调节块5采用螺栓或机械连接，支撑定位弹簧13起到定位和控制绝缘垫板4和调节块5位置的作用，上模7分别固定在两端的液压机侧缸，使其能够沿水平方向运动，芯模9通过连杆固定在液压机另一上平台，使之可以沿垂直方向运动；

步骤四：成形板坯6两端分别与两个电极2紧固连接，一侧电极2与电源3正极相连，另一侧电极2与电源3负极相连，使之形成电流回路，安装时电源3保持关闭，并将成形板坯6两面喷涂润滑剂，而后将成形板坯6按位置放置在下模上；

步骤五：启动液压机，限位块1下移，使调节块5与成形板坯6接触，并通过支撑定位弹簧13对成形板坯6施加垂直压力，避免电流通过产生打火现象；

步骤六：芯模下移与下模合模，使成形板坯6发生塑性变形并压弯，使成形板坯6两侧可以沿模具型面竖直抬起，而后在成形板坯6弯曲重合部位放置超薄绝缘垫层；

步骤七：开通电源，逐渐增加电流大小，使成形板坯6发生塑性变形弯曲部位的温度快速升高，达到成形温度700°C~800°C；

步骤八：上模7向中心移动，使成形板坯向内弯曲，上模7移动至合模处的位置；保证成形板坯弯曲处可以实现最终贴模；

步骤九：限位块1下移，通过施加在上模7的垂直压力使上模7向下发生偏转，进而使成形板坯6发生塑性变形，直至上模7与下模12实现合模，完成成形过程；

步骤十：通电保温5min~7min后，控制电源电流逐渐降低，直至其数值为零，关闭电源；

步骤十一：液压机上平台上移，侧缸收回，使上模7延水平方向退回，成形芯模9和超薄绝缘垫层14延侧向抽出，电极2与成形板坯6分离，取出成形零件。