一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置及其方法

摘要

一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置及其方法，它涉及一种拉深和胀形一体化的装置及其方法。装置包括冲头、上模瓣、上模套、下模瓣、下模套、垫片、上模腔、下膜腔和垫块。冲头的下端设置在上模腔中，上模瓣的外部设有上模套；下模瓣和下模套设置在垫块上，且下模套设置在下模瓣的外部；上模套和下模套之间设有垫片。方法：将待成型铝合金板材放入到高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置的上模瓣、下模瓣和下模套形成的空隙中，将粉末介质加入到上模腔中，进行预压，然后再进行加热，保温，再进行加压，保压；再进行降温，得到铝合金零件。本发明可获得厚度均匀的铝合金零件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种拉深和胀形一体化的装置及其方法。

背景技术

近年来，超塑成形技术得到了越来越广泛的应用。由于成形过程中板料近似呈粘性流 动状态，填充性能极好，采用气体作为压力介质成形可以一次成形形状复杂，精度要求很 高的零件。但是，随着超塑成形产品越来越的广泛应用，尤其是在航空航天上，对于超塑 成形得到的零件产品的精度要求也越来越高；超塑成形的产品，一般会存在壁厚不均匀的 现象。这主要是由于在超塑成形过程中板料的应力应变场分布不均匀造成的。壁厚不均匀 主要体现在以下两个方面：一方面是零件自由胀形部分材料变形不均匀的影响；另一方面 是已贴膜部分材料由于模具约束摩擦作用而导致的变形不均匀。在自由胀形阶段，板材周 边压边部分被模具压紧而不参与变形，因此，成形工件的面积的增加，完全由材料的壁厚 减薄来实现。板材变形区球壳顶点为双向等拉应力状态，压紧周边为平面应力应变状态， 其余各点并非等拉应力状态。而材料的形变主要是在法向应力的作用下而产生的，但各个 部分的应力状态不尽相同。由于变形过程中不同部位材料的不均匀的应力状态而造成了各 个部分不均匀的壁厚，成形以后最薄的位置是球壳的顶部。对于这一方面影响最主要的因 素是材料参数m。即使m＝1的材料在成形过程中也无法获得均一厚度的产品。在贴模阶 段，材料与摸具之间不可避免的产生摩擦。由于材料主要在法向应力作用下产生变形，变 形区材料一旦与模具接触，则因为法向力导致的摩擦力急剧增大，使材料无法继续流动， 或者是流动很慢。这时，变形主要集中在未与模具接触区域的材料上。由此导致的成形工 件的厚度不均匀性更加严重。

发明内容

本发明的目的是要解决现有方法制备的零件产品壁厚不均匀，所制备的零件不能应用 到对零件产品精度要求高的领域的问题，而提供一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超 塑性拉深和胀形一体化的装置及其方法。

一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置包括冲头、上 模瓣、上模套、下模瓣、下模套、垫片、上模腔、下膜腔和垫块；

所述的上模瓣内部设有上模腔；冲头的下端设置在上模腔中，上模瓣的外部设有上模 套；下模瓣和下模套设置在垫块上，且下模套设置在下模瓣的外部；下模瓣内部设有下膜 腔，上模套和下模套之间设有垫片。

一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法，具体是按以 下步骤完成的：

一、将待成型铝合金板材放入到高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形 一体化的装置的上模瓣、下模瓣和下模套形成的空隙中，将粉末介质加入到上模腔中，冲 头的下端置于上模腔中，再将高度与下模瓣等高，直径大于冲头的下端锥台的大端直径的 垫块放入到下膜腔中，且垫块的轴心线与冲头的轴心线重合；再向冲头施加3MPa～5MPa 的压力，得到高度为50mm～70mm固体粉末介质；

步骤一中所述的粉末介质为ZrO₂和TiO₂的混合物；所述的ZrO₂和TiO₂的混合物中 ZrO₂与TiO₂的质量比为2:8；

二、将下膜腔中的垫块取走，再将固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一 体化的装置放入到超塑成形机的加热炉内，再将超塑成形机的加热炉以 10℃/min～30℃/min的升温速率从室温升温至900℃～930℃，再在温度为900℃～930℃下 保温30min～60min，得到加热后的待成型铝合金板材；

三、在温度为900℃～930℃下以4MPa/min的加压速率将冲头加压至20MPa，再在温 度为900℃～930℃和压力为20MPa下保压10min，得到铝合金零件；

四、关闭超塑成形机的加热炉电源，当高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深 和胀形一体化的装置的温度降温至400℃以下，将高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑 性拉深和胀形一体化的装置从超塑成形机的加热炉中取出，再将铝合金零件取出，即完成 高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法。

本发明的优点：

一、本发明通过采用耐高温固体粉末作为传力介质，是典型的高温软模成形，本发明 可以将钛合金拉深和胀形两个工艺在一个工艺流程下完成；同时，采用高温固体粉末作为 传力介质，可以使待成型铝合金板材在超塑变形过程中，由单一的法向力优化为法向力加 切向力，可以提高成形速度，这是因为固体粉末介质传力快；本发明减少了工艺流程，因 为不需要密封空间；本发明增大极限载荷，这是因为固体粉末介质比气体压力大，本发明 还可以有效控制零件产品厚度分布，这是因为在法向力基础上增加切向力；本发明利用固 体粉末作为传力介质，能够对材料产生非均匀分布的应力作用；在冲头的压力作用下，粉 末介质充型流动的过程中，与待成型铝合金板材之间产生较大的摩擦力；这种摩擦力带动 贴模材料的进一步流动，使接触部分材料不仅受到法向应力的作用，而且产生沿型腔表面 的剪应力；

二、固体粉末介质成形只需要保证模具和板料之间的间隙小于固体介质的最小直径即 可，因此，本发明对于密封条件的要求远远小于液体介质；

三、固体粉末介质无毒无害，对模具和待成型铝合金板材表面无腐蚀作用，可反复使 用；

四、成形模具的结构简单，生产周期短，通用性好，可以降低成本；

五、固体粉末介质在高压下具有很好的流动性，成形零件表面质量好，贴模性好，可 以成形形状复杂、低塑性、高强度的零件；

六、固体粉末介质传递给成形材料的压力呈非均匀分布；通过调节成形工艺参数即可 以调节压力分布，使材料在最有利的受力条件下变形，充分发挥材料的塑性变形能力，提 高成形极限；

七、本发明得到的铝合金零件的厚度均匀，解决了现有方法制备的零件产品壁厚不均 匀，所制备的零件不能应用到对零件产品精度要求高的领域的问题。

本发明可获得厚度均匀的铝合金零件。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和 胀形一体化的装置的结构示意图；

图2为试验一步骤四得到的铝合金零件底部的数码照相图；

图3为试验一步骤四得到的铝合金零件顶部的数码照相图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和 胀形一体化的装置包括冲头1、上模瓣2、上模套3、下模瓣5、下模套6、垫片8、上模 腔9、下膜腔10和垫块11；

所述的上模瓣2内部设有上模腔9；冲头1的下端设置在上模腔9中，上模瓣2的外 部设有上模套3；下模瓣5和下模套6设置在垫块11上，且下模套6设置在下模瓣5的 外部；下模瓣5内部设有下膜腔10，上模套3和下模套6之间设有垫片8。

图1为具体实施方式一所述的一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和 胀形一体化的装置的结构示意图，图1中1为冲头，2为上模瓣，3为上模套，4为粉末 介质，5为下模瓣，6为下模套，7为待成型铝合金板材，8为垫片，9为上模腔，10为下 膜腔，11为垫块。

本实施方式的优点：

一、本实施方式通过采用耐高温固体粉末作为传力介质，是典型的高温软模成形，本 实施方式可以将钛合金拉深和胀形两个工艺在一个工艺流程下完成；同时，采用高温固体 粉末作为传力介质，可以使待成型铝合金板材7在超塑变形过程中，由单一的法向力优化 为法向力加切向力，可以提高成形速度，这是因为固体粉末介质传力快；本实施方式减少 了工艺流程，因为不需要密封空间；本实施方式增大极限载荷，这是因为固体粉末介质比 气体压力大，本实施方式还可以有效控制零件产品厚度分布，这是因为在法向力基础上增 加切向力；本实施方式利用固体粉末作为传力介质，能够对材料产生非均匀分布的应力作 用；在冲头1的压力作用下，粉末介质4充型流动的过程中，与待成型铝合金板材7之间 产生较大的摩擦力；这种摩擦力带动贴模材料的进一步流动，使接触部分材料不仅受到法 向应力的作用，而且产生沿型腔表面的剪应力；

二、固体粉末介质成形只需要保证模具和板料之间的间隙小于固体介质的最小直径即 可，因此，本实施方式对于密封条件的要求远远小于液体介质；

三、固体粉末介质无毒无害，对模具和待成型铝合金板材7表面无腐蚀作用，可反复 使用；

四、成形模具的结构简单，生产周期短，通用性好，可以降低成本；

五、固体粉末介质在高压下具有很好的流动性，成形零件表面质量好，贴模性好，可 以成形形状复杂、低塑性、高强度的零件；

六、固体粉末介质传递给成形材料的压力呈非均匀分布；通过调节成形工艺参数即可 以调节压力分布，使材料在最有利的受力条件下变形，充分发挥材料的塑性变形能力，提 高成形极限；

七、本实施方式得到的铝合金零件的厚度均匀，解决了现有方法制备的零件产品壁厚 不均匀，所制备的零件不能应用到对零件产品精度要求高的领域的问题。

本实施方式可获得厚度均匀的铝合金零件。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的冲头1的下端为锥 台形，锥台的小端直径为锥台的大端直径的2/3。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的上模瓣2 的小直径比冲头1的下端锥台的大端直径大2mm。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的垫块11 与下模瓣5和下模套6采用的是滑动连接。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式是一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和 胀形一体化的方法具体是按以下步骤完成的：

一、将待成型铝合金板材7放入到高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀 形一体化的装置的上模瓣2、下模瓣5和下模套6形成的空隙中，将粉末介质4加入到上 模腔9中，冲头1的下端置于上模腔9中，再将高度与下模瓣5等高，直径大于冲头1 的下端锥台的大端直径的垫块放入到下膜腔10中，且垫块的轴心线与冲头1的轴心线重 合；再向冲头1施加3MPa～5MPa的压力，得到高度为50mm～70mm固体粉末介质；

步骤一中所述的粉末介质4为ZrO₂和TiO₂的混合物；所述的ZrO₂和TiO₂的混合物 中ZrO₂与TiO₂的质量比为2:8；

二、将下膜腔10中的垫块取走，再将固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀 形一体化的装置放入到超塑成形机的加热炉内，再将超塑成形机的加热炉以 10℃/min～30℃/min的升温速率从室温升温至900℃～930℃，再在温度为900℃～930℃下 保温30min～60min，得到加热后的待成型铝合金板材7；

三、在温度为900℃～930℃下以4MPa/min的加压速率将冲头1加压至20MPa，再在 温度为900℃～930℃和压力为20MPa下保压10min，得到铝合金零件；

四、关闭超塑成形机的加热炉电源，当高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深 和胀形一体化的装置的温度降温至400℃以下，将高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑 性拉深和胀形一体化的装置从超塑成形机的加热炉中取出，再将铝合金零件取出，即完成 高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法。

本实施方式的优点：

一、本实施方式通过采用耐高温固体粉末作为传力介质，是典型的高温软模成形，本 实施方式可以将钛合金拉深和胀形两个工艺在一个工艺流程下完成；同时，采用高温固体 粉末作为传力介质，可以使待成型铝合金板材7在超塑变形过程中，由单一的法向力优化 为法向力加切向力，可以提高成形速度，这是因为固体粉末介质传力快；本实施方式减少 了工艺流程，因为不需要密封空间；本实施方式增大极限载荷，这是因为固体粉末介质比 气体压力大，本实施方式还可以有效控制零件产品厚度分布，这是因为在法向力基础上增 加切向力；本实施方式利用固体粉末作为传力介质，能够对材料产生非均匀分布的应力作 用；在冲头1的压力作用下，粉末介质4充型流动的过程中，与待成型铝合金板材7之间 产生较大的摩擦力；这种摩擦力带动贴模材料的进一步流动，使接触部分材料不仅受到法 向应力的作用，而且产生沿型腔表面的剪应力；

二、固体粉末介质成形只需要保证模具和板料之间的间隙小于固体介质的最小直径即 可，因此，本实施方式对于密封条件的要求远远小于液体介质；

三、固体粉末介质无毒无害，对模具和待成型铝合金板材7表面无腐蚀作用，可反复 使用；

四、成形模具的结构简单，生产周期短，通用性好，可以降低成本；

五、固体粉末介质在高压下具有很好的流动性，成形零件表面质量好，贴模性好，可 以成形形状复杂、低塑性、高强度的零件；

六、固体粉末介质传递给成形材料的压力呈非均匀分布；通过调节成形工艺参数即可 以调节压力分布，使材料在最有利的受力条件下变形，充分发挥材料的塑性变形能力，提 高成形极限；

七、本实施方式得到的铝合金零件的厚度均匀，解决了现有方法制备的零件产品壁厚 不均匀，所制备的零件不能应用到对零件产品精度要求高的领域的问题。

本实施方式可获得厚度均匀的铝合金零件。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：步骤一中将待成型铝合 金板材7放入到高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置的上 模瓣2、下模瓣5和下模套6形成的空隙中，将粉末介质4加入到上模腔9中，冲头1的 下端置于上模腔9中，再将高度与下模瓣5等高，直径大于冲头1的下端锥台的大端直径 的垫块放入到下膜腔10中，且垫块的轴心线与冲头1的轴心线重合；再向冲头1施加 3MPa～4MPa的压力，得到高度为50mm～60mm固体粉末介质。其他步骤与具体实施方式 五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五至六之一不同点是：步骤二中将下膜 腔10中的垫块取走，再将固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置 放入到超塑成形机的加热炉内，再将超塑成形机的加热炉以10℃/min～30℃/min的升温速 率从室温升温至920℃～930℃，再在温度为920℃～930℃下保温30min～40min，得到加热 后的待成型铝合金板材7。其他步骤与具体实施方式五至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同点是：步骤三中在温度 为920℃～930℃下以4MPa/min的加压速率将冲头1加压至20MPa，再在温度为 920℃～930℃和压力为20MPa下保压10min，得到铝合金零件。其他步骤与具体实施方式 五至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同点是：步骤四中关闭超 塑成形机的加热炉电源，当高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的 装置的温度降温至200℃～400℃，将高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形 一体化的装置从超塑成形机的加热炉中取出，再将铝合金零件取出，即完成高温固体粉末 介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法。其他步骤与具体实施方式五至八相 同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同点是：步骤四中关闭超 塑成形机的加热炉电源，当高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的 装置的温度降温至20℃～200℃，将高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形 一体化的装置从超塑成形机的加热炉中取出，再将铝合金零件取出，即完成高温固体粉末 介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法。其他步骤与具体实施方式五至九相 同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的装置包括 冲头1、上模瓣2、上模套3、下模瓣5、下模套6、垫片8、上模腔9、下膜腔10和垫块 11；

所述的上模瓣2内部设有上模腔9；冲头1的下端设置在上模腔9中，上模瓣2的外 部设有上模套3；下模瓣5和下模套6设置在垫块11上，且下模套6设置在下模瓣5的 外部；下模瓣5内部设有下膜腔10，上模套3和下模套6之间设有垫片8；

一种高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法，具体是按以 下步骤完成的：

一、将待成型铝合金板材7放入到高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀 形一体化的装置的上模瓣2、下模瓣5和下模套6形成的空隙中，将粉末介质4加入到上 模腔9中，冲头1的下端置于上模腔9中，再将高度与下模瓣5等高，直径大于冲头1 的下端锥台的大端直径的垫块放入到下膜腔10中，且垫块的轴心线与冲头1的轴心线重 合；再向冲头1施加3MPa的压力，得到高度为50mm固体粉末介质；

步骤一中所述的粉末介质4为ZrO₂和TiO₂的混合物；所述的ZrO₂和TiO₂的混合物 中ZrO₂与TiO₂的质量比为2:8；

二、将下膜腔10中的垫块取走，再将固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀 形一体化的装置放入到超塑成形机的加热炉内，再将超塑成形机的加热炉以20℃/min的 升温速率从室温升温至930℃，再在温度为930℃下保温30min，得到加热后的待成型铝 合金板材7；

三、在温度为930℃下以4MPa/min的加压速率将冲头1加压至20MPa，再在温度为 930℃和压力为20MPa下保压10min，得到铝合金零件；

四、关闭超塑成形机的加热炉电源，当高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深 和胀形一体化的装置的温度降温至50℃，将高温固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉 深和胀形一体化的装置从超塑成形机的加热炉中取出，再将铝合金零件取出，即完成高温 固体粉末介质辅助钛合金板材超塑性拉深和胀形一体化的方法。

图2为试验一步骤四得到的铝合金零件底部的数码照相图；图3为试验一步骤四得到 的铝合金零件顶部的数码照相图；从图2和图3可知，本试验得到的铝合金零件的厚度均 匀，解决了现有方法制备的零件产品壁厚不均匀，所制备的零件不能应用到对零件产品精 度要求高的领域的问题。