一種鈦合金等厚薄壁異形環件軋脹復合成形方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及塑性加工領域，是一種鈦合金等厚薄壁異形環件乳脹復合成形方法。
【背景技術】
[0002] 高性能鈦合金等厚薄壁異形環件在航空航天領域具有廣闊的應用前景。目前一般 采用環乳直接成形或環乳+切削或環坯剛模脹形的方法成形此類環件。采用環乳的方法 直接成形異形環件（Liang Tian，Yu Luo, Hua-jie Mao1Lin Hua. A hybrid of theory and numerical simulation research for virtual rolling of double-groove ball rings. Int J Adv Manuf Technol. (2013)69:1 - 13)，當所成形異形環件壁厚均勾時，乳親和環還 之間沒有穩定的接觸面，這將使得輾乳過程難以持續進行，成形環件精度也難以滿足航空 航天要求。環乳+切削的方法（薛林峰.鈦合金薄壁異形件切削加工仿真技術研究.南 京：南京航空航天大學，2014)，是先通過環乳成形矩形環件，再通過數控切削獲得滿足形狀 尺寸要求的異形環件。該方法一方面切削破壞了金屬流線從而降低了環件性能，另一方面 導致昂貴的鈦合金材料利用率極低。環坯剛模脹形的方法，如公開號為102489596A的中國 發明專利"鈦合金矩形環乳件熱脹形成形為異形環件的方法"，提出了一種采用剛模脹形工 藝將鈦合金矩形環坯脹形成為錐形環件的方法，由于該方法成形的環件精度由脹形模具保 證，提高了成形精度。該方法需高精度、高性能的環乳件作為毛坯，該專利未披露毛坯的設 計和和成形方法。
[0003] 對于鈦合金等厚薄壁異形環件的成形制造，還可考慮采用沖壓+彎焊的方法，即 首先通過板料沖壓獲得環件的異形截面，然后經彎曲焊接獲得滿足要求的環件。該方法使 得環件引入了焊縫，難以滿足航空航天高性能要求，環件精度也有待提高。
【發明內容】
[0004] 為克服現有技術中存在的精度低，或者材料利用率不高，性能差的不足，本發明提 出了一種鈦合金等厚薄壁異形環件乳脹復合成形方法。
[0005] 本發明的技術方案是：一種鈦合金等厚薄壁異形環件乳脹復合成形方法，其包括 毛坯設計一一鐓粗、沖孔一一薄壁環件輾乳一一剛模脹形一一精加工一一鈦合金等厚薄壁 異形環件。具體步驟如下：
[0006] 步驟一、毛坯設計。
[0007] 所述毛坯設計包括確定脹形毛坯外徑Rz、脹形毛坯內徑rz、脹形毛坯高度h z、初始 毛坯內徑r。、初始毛坯軸向高度h。和初始毛坯外徑R。。
[0008] 根據未進行精加工的環件尺寸計算脹形工藝毛坯，所述未精加工環件壁厚為bf， 未精加工環件的最小外徑為R fmin，最大外徑為Rfmax，所述未精加工環件殼體厚度的1/2處的 軸向長度為I f;所述脹形工藝毛坯為薄壁矩形環件，壁厚為b z，高度為hz，外徑為Rz，內徑為 rz。脹形工藝毛坯尺寸計算公式為：
[0009] Rz=Rfnin (1)
[0012] 通過公式（4)確定所述軸向高度縮減量Ah :
[0014] 公式⑷中，r。為初始毛坯內徑，R2為芯輥半徑，h。為初始毛坯軸向高度，Ab為 初始毛坯壁厚總減小量。
[0015] 薄壁環件的輾乳采用徑軸向輾乳，軸向高度的輾乳量要大于環件輾乳過程中軸向 高度的縮減量。環件輾乳芯輥半徑為R 2，初始毛坯內徑r。選取比1?2稍大的值。在確定初始 毛坯的尺寸時，令
[0022] 步驟二，制備初始毛坯。
[0023] 步驟三，成形剛模脹形的毛坯。通過環件輾乳將得到的初始毛坯成形為剛模脹形 的毛坯。
[0024] 將得到的初始毛坯加熱至適宜成形溫度后進行徑軸向熱輾乳。乳制曲線采用直 線，芯輥的每轉進給量保持為環件實時壁厚的1/n倍，所述η的取值范圍通過公式（10)、 (11)確定：
[0027] 通過公式（12)確定芯輥的進給速度：
[0032] R1為驅動輥半徑，R2為芯輥半徑，R為環件實時外徑，r為環件內徑，b為環件壁厚， δ =arctan μ，Ah為芯輯每轉進給量，At為環件每轉時間，t。為驅動輯每轉時間。
[0033] 將初始毛坯輾乳成為薄壁矩形環件，該環件的外徑為Rz，壁厚為匕，軸向高度為 hz;得到剛模脹形的毛坯；
[0034] 步驟四，成形異形環件。
[0035] 將脹形毛坯放入加熱爐中加熱至適宜成形溫度，將加熱好的脹形毛坯套進剛模脹 形凸模外圍進行脹形，脹形過程中模具芯軸在壓力機作用下向下移動，從而使凸模塊沿徑 向水平移動，將毛坯壓入凹模中，成形環件；脹形過程分為三次，每次脹形完成后將環件旋 轉角度α進行下一次脹形，并通過控制每次脹形后環件最大外徑來分配每次的脹形量。環 件的初始最大外徑為R z，第一次脹形完成后環件最大外徑為R1;將環件旋轉角度α進行第 二次脹形，第二次脹形完成后環件最大外徑為R 2，再次將環件旋轉角度α進行第三次脹形， 將環件脹形至最終尺寸，最大外徑為Rfniax。三次脹形時，環件的旋轉方向相同。所述三次脹 形芯軸的下移量分別為&和S 3，每次脹形時間均為IOs~20s，完成脹形后環件旋轉β 角，旋轉β角后對環件保壓30s。
[0036] 第一次脹形后環件最大外徑R1、第二次脹形后環件最大外徑R2、環件旋轉角度α、 脹形完成后環件的旋轉角度β、三次脹形芯軸的下移量Sp &和S 3分別通過公式（15)~ (21)確定：
[0044] m為模具凸模分瓣數，Θ為脹形模具芯軸的錐角；
[0045] 步驟五，精加工。
[0046] 本發明考慮環乳技術能獲得高性能環件的優點，結合剛模脹形方法可獲得高精度 的技術優勢，提出一種難變形鈦合金等厚薄壁異形環件的乳脹復合成形方法。該方法首先 通過環乳獲得薄壁矩形環件，然后通過剛模脹形獲得高精度的等厚薄壁異形環件。
[0047] 由于本發明采用了上述技術方案，初始毛坯經環件輾乳得到薄壁矩形環件后經剛 模脹形得到薄壁異形環件，整個流程主要靠材料塑性成形，僅在最終階段通過切削去除加 工余量。最終成形異形環件時采用的是剛模脹形，環件的最終幾何形狀和尺寸由模具保證。 因此，與【背景技術】相比，本發明具有以下優點：
[0048] 1、節約材料：在本發明中，毛坯的制備、環件的成形都是采用塑性成形的方式，僅 在最終去除加工余量時采用切削的方法。因此成形等厚薄壁異形環件時，采用本發明，材料 利用率可達70%以上；而采用環乳+切削的方法，材料利用率不到50%。因此本發明為等 厚薄壁異形環件的成形節約了材料，降低了成本；
[0049] 2、環件精度高：在本發明中環件最終由模具成形，環件的幾何形狀和尺寸由模具 保證，其尺寸精度可達1%。~2%。，且批量生產時產品質量一致性好。而采用直接輾乳方法， 只有在環件結構簡單和設備性能優異的情況下，成形的環件尺寸精度可達到3%。~5%。，且 難以保證產品質量的一致性；
[0050] 3、環件綜合性能好：本發明主要通過塑性變形獲得等厚薄壁異形環件，既能避免 環乳+切削的方法破壞金屬流線，又能避免沖壓+彎焊的方法引入焊縫，同時通過塑性變形 又能實現對加工材料的組織和性能進行有效調控，因此采用本發明提出的方法成形的異形 環件可獲得【背景技術】難以達到的高性能。
[0051] 附圖內容
[0052] 附圖1是鈦合金薄壁異形環件乳脹復合成形方法的流程圖；
[0053] 附圖2是鈦合金薄壁異形環件剛模熱脹形模具圖；
[0054] 附圖3是實施例1中鈦合金薄壁異形環件結構示意圖；
[0055] 附圖4是實施例2中鈦合金薄壁異形環件結構示意圖。圖中：
[0056] L芯軸；2.凸模；3.凹模。
【具體實施方式】
[0057] 實施例1
[0058] 本實施例是一種采用鈦合金乳脹復合成形工藝成形如圖3所示環件的方法。
[0059] 在采用乳脹復合成形工藝成形異形環件時，采用申請號為201510197511. 1的發 明創造中公開的脹形模具。所述脹形模具包括芯