一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置及方法 |
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| 申请号 | CN201510823233.6 | 申请日 | 2015-11-24 | 公开(公告)号 | CN105268779A | 公开(公告)日 | 2016-01-27 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 徐文臣; 赵小凯; 单德彬; 陈宇; 马浩; 杨川; | ||||
| 摘要 | 一种 钛 合金 筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置及方法，它涉及一种薄壁筒锥形件精确校形控制装置及方法，以解决钛合金薄壁构件热旋压成形结束后出现由于各部位的热收缩不一致而引起的 同轴度 、圆度及形状 精度 的偏离，从而降低 工件 的几何精度，甚至在作为承 力 部件时会出现 应力 分布 不均匀而降低其使用强度的问题，它包括加力杆、锥形模、圆筒、加力环、加力板和 螺母 ；加力杆上由阻挡端至 螺纹 端方向依次套装有锥形模、圆筒、加力环和加力板；圆筒的一端套装在直筒段上，圆筒的另一端贴靠加力环内壁，加力板顶靠在加力环上，螺母旋拧在加力杆的螺纹端。本 发明 用于钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置，其特征在于：它包括加力杆(1)、锥形模(3)、圆筒(4)、加力环(6)、加力板(7)和螺母(8)； |
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| 说明书全文 | 一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置及方法技术领域背景技术[0002] 在钛合金薄壁构件热旋压成形过程中，由于钛合金较低的导热系数，容易产生温度不均匀现象，导致在热旋结束后出现由于各部位的热收缩不一致而引起的同轴度、圆度及形状精度的偏离，从而降低工件的几何精度，甚至在作为承力部件时会出现应力分布不均匀而降低其使用强度。因此对旋压成形结构件尺寸精度的控制是决定改工件是否合格的重要参考指标。在热旋过程中，特别是对于大型结构件，通过控制其整体温度的均匀性从而提高成形件的精度的难度太大。为降低成本，在热旋结束后，我们允许成形工件有一定的误差，然后通过后期的较形使工件达到验收标准。由于钛合金在室温下难以变形，且易产生回弹，冷校形易开裂，需在加热条件下进行校形。 发明内容[0003] 本发明是为解决钛合金薄壁构件热旋压成形结束后出现由于各部位的热收缩不一致而引起的同轴度、圆度及形状精度的偏离，从而降低工件的几何精度，甚至在作为承力部件时会出现应力分布不均匀而降低其使用强度的问题，进而提供一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置及方法。 [0004] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是： [0005] 一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置，它包括加力杆、锥形模、圆筒、加力环、加力板和螺母； [0007] 锥形模包括制成一体的锥筒段和直筒段，直筒段设置在锥形段的小端，圆筒的一端套装在直筒段上，圆筒的另一端贴靠加力环内壁，加力板顶靠在加力环上，螺母旋拧在加力杆的螺纹端，加力杆的阻挡端顶靠在锥形模的锥筒段上，筒锥复合构件的锥筒套装在锥筒段上，而直筒套装在直筒段上，加力环顶靠在筒锥复合构件上。 [0008] 一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制方法是按照以下步骤进行的： [0009] 步骤一、第一次校形控制，筒锥复合构件采用三种圆筒进行分步校形，圆筒分别采用外径依次递增的第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒； [0010] 将锥形模、第一圆筒、现有的筒锥复合构件、加力环和加力板依次套装在加力杆上，第一圆筒的另一端置于压力环内并与加力环内壁接触，加力板顶靠在加力环上，旋拧螺母施加预紧力，使筒锥复合构件的锥筒内表面与锥形模的锥筒段外表面充分贴合； [0012] 步骤三、第二次校形控制，采用第二圆筒重复步骤一组装好筒锥复合构件，使筒锥复合构件的锥筒内表面与锥形模的锥筒段外表面充分贴合； [0013] 步骤四、将步骤三得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至600-700℃，并保温1-2小时，然后随炉冷却至室温，取出筒锥复合构件； [0014] 步骤五、第三次校形控制，采用第三圆筒重复步骤一组装好筒锥复合构件，使筒锥复合构件的锥筒内表面与锥形模的锥筒段外表面充分贴合； [0015] 步骤六、件步骤五得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至600-700℃，并保温1-2小时，然后随炉冷却至室温，取出筒锥复合构件，钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制完毕。 [0016] 本发明的有益效果是：本发明利用不同金属材料之间膨胀系数差异，采用高温热处理分步整形和最终校形装置。本发明为钛合金等难变形材料薄壁筒锥复合构件成形及内径精确控制提供科学有效的装置和方案，实现工艺稳定性；本发明实现了薄壁筒-锥复合构件内径尺寸和几何形状的精确控制，钛合金薄壁筒锥复合构件成形后壁厚和内径尺寸超差的难题；同时热整形过程消除工件加工过程产生的残余内应力。本发明整形控制装置结构简单，设计合理。为此，本发明提出一种钛合金大型薄壁回转体构件内径精确校形装置和精确控制方法，采用多套扩径模具逐级分步整形和最终热处理校形模具，实现钛合金薄壁构件内径尺寸的精确控制。附图说明 [0017] 图1是本发明钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置结构示意图，图2是图1的B向视图，图3是图2的A-A剖视图，图4是图3的K处放大图，图5是本发明钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置分解示意图。 具体实施方式[0018] 具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制装置，它包括加力杆1、锥形模3、圆筒4、加力环6、压力板7和螺母8； [0019] 加力杆1的一端为阻挡端，加力杆1的另一端为螺纹端，加力杆1上由阻挡端至螺纹端方向依次套装有锥形模3、圆筒4、加力环6和压力板7； [0020] 锥形模3包括制成一体的锥筒段3-1和直筒段3-2，直筒段3-2设置在锥形段3-1的小端，圆筒4的一端套装在直筒段3-2上，圆筒4的另一端贴靠加力环6内壁，压力板7顶靠在加力环6上，螺母8旋拧在加力杆1的螺纹端，加力杆1的阻挡端顶靠在锥形模3的锥筒段3-1上，筒锥复合构件5的锥筒5-1套装在锥筒段3-1上，而直筒5-2套装在直筒段3-2上，加力环6顶靠在筒锥复合构件5上。 [0021] 本实施方式本质是根据不同物质热膨胀系数的差异来实现目标构件的扩径及整形并且利用高温保温实现去应力退火。钛合金的热膨胀系数大约为：(9.41～10.03)×10-6/℃。选取膨胀系数与之相差较大的钢(如30号钢、45号钢、Q235钢、Q255钢和Q275钢)作为校形控制装置。装置由七个可拆卸部分组成：1为加力杆；2为垫片；3为锥形模；4为圆筒(第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒三种)；6为加力环；7为加力板；8为螺母(上述七个部件均采用30号钢、45号钢、Q235钢、Q255钢或Q275钢)。为防止工件因一次性扩径过大而出现裂纹，筒锥复合构件5的直筒5-2扩径分三步进行，分别使用外直径依次递增而内直径相同的三种圆筒4(第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒)，锥形模3由于主要起保证工件锥角满足要求的作用，故只需一个锥形模3。为保证圆筒4与锥形模3之间的安装精度，锥形模3的直筒段3-2与圆筒4之间采取间隙配合加工。直筒5-2和直筒段3-2为直圆筒。 [0022] 具体实施方式二：结合图3和图5说明，本实施方式的圆筒4的外径小于或等于筒锥复合构件5的直筒5-2的内径。如此设置，便于筒锥复合构件5的直筒5-2逐级扩径。其它与具体实施方式一相同。 [0023] 具体实施方式三：结合图3和图5说明，本实施方式所述装置还包括垫片2，垫片2设置在加力杆1的阻挡端上并顶靠在锥形模3的锥筒段3-1上。如此设置，垫片2套装在加力杆1上并顶靠在锥形模3大端，旋紧螺母8施加预紧力后，有利于筒锥复合构件5的锥筒5-1内表面与锥形模3的锥筒段3-1外表面充分贴合。 [0024] 具体实施方式四：结合图1、图3和图5说明，本实施方式的一种钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制方法是按照以下步骤进行的： [0025] 步骤一、第一次校形控制，筒锥复合构件5采用三种圆筒4进行分步校形，圆筒4分别采用外径依次递增的第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒； [0026] 将锥形模3、第一圆筒、现有的筒锥复合构件5、加力环6和加力板7依次套装在加力杆1上，第一圆筒的另一端置于压力环6内并与加力环6内壁接触，压力板7顶靠在加力环6上，旋拧螺母8施加预紧力，使筒锥复合构件5的锥筒5-1内表面与锥形模3的锥筒段3-1外表面充分贴合； [0027] 步骤二、将步骤一得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至600-700℃，并保温1-2小时，然后随炉冷却至室温，取出工件； [0028] 步骤三、第二次校形控制，采用第二圆筒重复步骤一组装好筒锥复合构件5，使筒锥复合构件5的锥筒5-1内表面与锥形模3的锥筒段3-1外表面充分贴合； [0029] 步骤四、将步骤三得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至600-700℃，并保温1-2小时，然后随炉冷却至室温，取出工件； [0030] 步骤五、第三次校形控制，采用第三圆筒重复步骤一组装好筒锥复合构件5，使筒锥复合构件5的锥筒5-1内表面与锥形模3的锥筒段3-1外表面充分贴合； [0031] 步骤六、件步骤五得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至600-700℃，并保温1-2小时，然后随炉冷却至室温，取出工件，钛合金筒锥复合构件内径尺寸精确控制完毕。 [0032] 本实施方式的钛合金大型薄壁回转体构件(筒锥复合构件)的直筒扩径加整体构件精确整形控制方法分为三步：使用的圆筒与锥形模组合依次为第一圆筒和锥形模、第二圆筒和锥形模、第三圆筒和锥形模；第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒的外直径依次递增而内直径相同。 [0033] 本实施方式的1为加力杆；2为垫片；3为锥形模；4为圆筒(第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒三种)；6为加力环；7为加力板；8为螺母(上述七个部件均采用30号钢、45号钢、Q235钢、Q255钢或Q275钢)。 [0034] 本发明的方法流程为： [0035] 组装第一种圆筒和锥形模及安装筒锥复合构件→将组装装置和工件整体放入井式电阻炉中高温加热并保温一定时间→随炉冷，取出工件→依次组装第二圆筒和锥形模、第三圆筒和锥形模并替代第一种圆筒和锥形模，重复上述步骤。 [0036] 组装第一圆筒和锥形模及筒锥复合构件的安装：为方便安装并保证精度，采用自下而上的装配方法：竖直放置吊杆→套入垫环→套入锥形模→套入第一圆筒(与锥形模配合安装)→套入筒锥复合构件，保证环形截面尽可能处于水平状态→套入加力环，并保证加力环底部与筒锥复合构件的直筒部位环形端面充分接触→套入加力板，保证加力板底面与加力环顶面充分接触→套入螺母，并施加足够的预紧力，使筒锥复合构件5的锥筒5-1部分与锥形模3的锥筒段3-1表面充分贴合。 [0037] 高温保温校形：将筒锥复合构件5及装置整体放入井式电阻炉，加热至600-700℃并保温一定时间； [0038] 取件：筒锥复合构件5随炉冷却后，将筒锥复合构件及装置整体取出； [0039] 依次组装第二圆筒和锥形模、第三圆筒和锥形模，重复上述高温保温校形和取件步骤。 [0040] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同之处在于步骤二中将步骤一得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至650℃，并保温1.5小时。如此设置，满足设计要求和实际高温保温校形的需要。其它与具体实施方式四相同。 [0041] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四至五之一不同的是步骤二中将步骤一得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至680℃，并保温1小时。如此设置，满足设计要求和实际高温保温校形的需要。其它与具体实施方式四至五之一相同。 [0042] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤四中将步骤三得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至600℃，并保温1.8小时。如此设置，满足设计要求和实际高温保温校形的需要。其它与具体实施方式四至六之一相同。 [0043] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤四中将步骤三得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至650℃，并保温1.5小时。如此设置，满足设计要求和实际高温保温校形的需要。其它与具体实施方式四至七之一相同。 [0044] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤六中将步骤五得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至650℃，并保温2小时。如此设置，满足设计要求和实际高温保温校形的需要。其它与具体实施方式四至八之一相同。 [0045] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是步骤四中将步骤三得到的装置整体放入井式电阻炉中加热至700℃，并保温1.2小时。如此设置，满足设计要求和实际高温保温校形的需要。其它与具体实施方式四至九之一相同。 [0046] 实施例： [0047] 本实施例使用内径297-299mm，壁厚3±0.5mm的TA15钛合金薄壁筒锥回转体构件，经过本发明装置进行精确校形后获得内径300±0.5mm，壁厚3±0.2mm的钛合金薄壁筒锥回转体构件。具体实施步骤为：1)选取第一种圆筒和锥形模3；2)竖直放置加力杆1；3)套入垫环2；4)套入锥形模3；5)套入第一圆筒(与锥形模3配合安装)；6)套入钛合金薄壁筒锥回转体构件，保证环形截面尽可能处于水平状态；7)套入加力环6，并保证加力环底部与钛合金薄壁筒锥回转体构件的直筒部位环形端面充分接触；8)套入加力板7，保证加力板7底面与加力环6顶面充分接触；9)套入螺母8，并施加足够的预紧力，使钛合金薄壁筒锥回转体构件的锥筒内表面与锥形模3的锥筒段3-1外表面充分贴合；10)将钛合金薄壁筒锥回转体构件及控制装置整体放入井式电阻炉，加热至600-700℃并保温1-2小时；11)钛合金薄壁筒锥回转体构件随炉冷却后，将钛合金薄壁筒锥回转体构件及控制装置整体取出，取出钛合金薄壁筒锥回转体构件；12)依次组装第二圆筒和锥形模、第三圆筒和锥形模，重复上述步骤。 [0048] 钛合金薄壁筒锥回转体构件原始内径和校形后内径表如下表1和表2，测量时以一个面为0°基准测量面，与基准测量面相垂直的面为90°测量面。由表1和表2比对可知，钛合金薄壁筒锥复合构件成形后壁厚和内径尺寸得到精确控制，误差很小。 [0049] 表1：钛合金薄壁筒锥回转体构件原始内径表 [0050] [0051] 表2：钛合金薄壁筒锥回转体构件校形后内径表 [0052] |
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