一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法

摘要

本发明公开了一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法。按下述步骤进行:S1.查找室温下抗拉强度接近钛及钛合金材料热蠕变温度下抗拉强度的试压材料；S2.将试压材料装入热成型模具定位后，随热成型模具一并装卡到热成型设备；S3.使用热成型设备对热成型模具在室温下施加成型压力，之后保压至预设时间；S4.保压完成后，打开热成型模具，取出由试压材料制得的试压件，完成试压。本发明是一种较为经济的、效果理想的、能直接观测到成型过程并随时可以对工艺参数和模具进行调整的试压方法。

说明书

技术领域

本发明属于钛及钛合金热成型技术领域，涉及一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法。

背景技术

钛及钛合金零件具有比强度高、热强度高、抗蚀性好、化学活性大、导热性差、弹性模量小等特点。它能在高温、高压等复杂恶劣的工况下工作，因此，钛及钛合金被广泛应用于航空、航天等行业。随着现代飞机性能的提升及制造技术的不断革新，钛及钛合金零件的占比成为了衡量飞机先进性的指标之一。

钛及钛合金的优点较多，但也存在一些缺点：它在室温下抗拉强度高、冲压性和切削加工性差，难以加工。经过国内外专家学者研究发现，钛及钛合金在一定高温下塑性会提升，抗拉强度会大大降低，在高温下能有效提高其成型极限，这种在高温下成型钛及钛合金零件的工艺过程称为钛及钛合金热成型，目前大部分的钛及钛合金零件制造都是通过热成型工艺完成。

钛及钛合金热成型所用的工艺参数都是经过理论计算和查询相关规范得到的，为了得到更优质的零件，需要经过实际验证来调整工艺参数和修整模具。模具试压是钛及钛合金热成型的必经过程，即便是使用有限元软件进行了仿真分析，也还是要经过此过程。钛及钛合金热成型传统的试压方法如下：

(1)在模具成形工作表面喷涂胶体石墨润滑剂；

(2)根据零件成型形状结合成型模具下最初展开毛料；

(3)在展开毛料上喷涂胶体石墨润滑剂；

(4)将模具装夹在热成型设备上；

(5)启动热成型设备加热程序；

(6)当热成型设备温度升到钛及钛合金热成型温度时进行保温；

(7)将钛及钛合金展开毛料放入热成型设备中加热5～8分钟；

(8)将钛及钛合金展开毛料放入热成型模具并合模，保温保压5～15分钟；

(9)完成零件保温保压时间后，模具及压制的零件随热成型设备降低温度至可以取出零件；

(10)检测钛及钛合金零件的成型状态；

(11)根据成型状态，修整成型零件工装，重复步骤(2)～(10)直到零件合格为止。

由以上步骤可以看出，传统的钛及钛合金试压方法较为繁琐，且须重复验证。而钛及钛合金材料在市面上价格昂贵，如航空制造常用的钛合金材料TC1约600元/公斤，TC4约700元/公斤，多次重复会消耗更多的材料。此外，上述方法需将模具随设备一同加温，加温至500～750℃，升温时间约为15～20小时，热成型设备多为电加热平台，以SHP72-1000热成型/超塑成型压床为例，设备每小时耗电约405度，每小时产生的电费约为203元，加热至热成型温度每次需消耗电费约3045～4060元。且成型过程中设备为了保温处于闭合状态，成型过程无法观测，既无法直观观测到热成型过程，只能通过冷却后的零件质量、贴胎度来判断工艺参数是否合适、模具设计与制造是否正确，这就给后期热成型工艺的分析优化增加了难度。综上所述，传统的试压方法成本极高且效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法。本发明是一种较为经济的、效果理想的、能直接观测到成型过程并随时可以对工艺参数和模具进行调整的试压方法。

本发明的技术方案是：一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法，按下述步骤进行:

S1.查找室温下抗拉强度接近钛及钛合金材料热蠕变温度下抗拉强度的试压材料；

S2.将试压材料装入热成型模具定位后，随热成型模具一并装卡到热成型设备；

S3.使用热成型设备对热成型模具在室温下施加成型压力，之后保压至预设时间；

S4.保压完成后，打开热成型模具，取出由试压材料制得的试压件，完成试压。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的钛及钛合金材料为TC1 M时，试压材料为LY12 M铝合金；所述的钛及钛合金材料为TC4 M时，试压材料为LY16 M铝合金。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的步骤S1中，试压材料室温下抗拉强度与钛合金材料热蠕变温度下抗拉强度的差值为0～50MPa。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的步骤S2中，将试压材料装入热成型模具定位前，先在热成型模具型芯表面覆盖标记层。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的标记层为涂覆于型芯表面的红铅油，或贴附于型芯表面的铅皮。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的步骤S3中，施加成型压力时，热成型设备四周的保温区域处于完全打开状态。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的步骤S3中，保压的预设时间为5～15分钟。

前述的低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法所述的步骤S4中，完成一次试压后，根据试压件的成型状态调整试压工艺参数，调整过程如下：

当试压件的成型状态表现为零件不贴模时，逐步增加成型压力，直至零件贴胎度满足要求；

当试压件的成型状态表现为零件起皱、破裂时，逐步减小成型压力，直至零件无起皱、破裂等质量缺陷并贴模。

本发明的优点是：本发明的模具试压在常温下进行，相对传统的试压方法而言，无需将模具升温至500～750℃，大量降低了电能消耗。据估算，每件零件验证一次可节约电费成本约3045～4060元。而且，因设备未加热，所以热成型设备的折旧费率较低。此外，本发明使用成本更低的材料替代钛及钛合金材料进行试压验证，极大降低了材料成本；如：航空制造常用的钛合金材料TC1约600元/公斤，TC4约700元/公斤，而LY12仅约41元/公斤，LY16仅约45元/公斤。综合估算，本发明试压方法比传统试压方法每件零件可节省约3万元左右，更加经济环保。

本发明的试压方法，在施加成型压力时，热成型设备四周的保温区域处于完全打开状态，能够直观观察试压件的成型过程，因此能够在成型时根据观察到的成型情况实时调整工艺参数；且由于模具未升温，因此可使用在热成型模具型芯表面覆盖标记层的方式，采集模具参数，以便于对模具进行修整，使模具修整更加简单；此外，试压结束后不需等待试压件和模具降温；综合上述可知，本发明的试压方法使得试压验证效率和质量都得到了极大提升，能较为经济的、有效的得到优质的钛及钛合金零件。

综上所述，本发明提供了一种较为经济的、效果理想的、能直接观测到成型过程的并随时可以对工艺参数和模具进行调整的验证方法，对各科研生产单位提质、降本、增效有着借鉴意义。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的技术文案及实施步骤进行清楚、完整的描述，显示所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法，按下述步骤进行:

S1.查找室温下抗拉强度接近钛及钛合金材料热蠕变温度下抗拉强度的试压材料；

其中，查找途径可为《中国航空材料手册》或其它具有权威代表性的材料性能资料；

S2.将试压材料装入热成型模具定位后，随热成型模具一并装卡到热成型设备；

S3.使用热成型设备对热成型模具在室温下施加成型压力，之后保压至预设时间；

S4.保压完成后，打开热成型模具，取出由试压材料制得的试压件，完成试压。

前述的钛及钛合金材料为TC1 M时，试压材料为LY12 M铝合金；所述的钛及钛合金材料为TC4 M时，试压材料为LY16 M铝合金。使用相应的铝合金替代，能够在满足试压要求的前提下，大幅降低材料成本。

前述的步骤S1中，试压材料室温下抗拉强度与钛合金材料热蠕变温度下抗拉强度的差值为0～50MPa。在能满足试压要求的情况下，尽量能够扩大差值范围，以扩大材料的替代范围。本发明中，经发明人大量实验总结后得到，0～50MPa的差值范围最为适中。

前述的步骤S2中，将试压材料装入热成型模具定位前，先在热成型模具型芯表面覆盖标记层。通过标记层对模具型芯表面与试压件贴合度进行检测，便于模具的修整。

具体地，所述的标记层为涂覆于型芯表面的红铅油，或贴附于型芯表面的铅皮。以红铅油为例，根据模具上“红铅油”的均匀性来验证模具与试压件的贴合度：型芯表面颜色较深或者完全与未放置试压件之前一致时，说明模具此区域需要加高；颜色较浅或者完全被试压件蹭掉时，说明模具此区域需要削减。

前述的步骤S3中，施加成型压力时，热成型设备四周的保温区域处于完全打开状态。便于观察试压件的成型过程。

前述的步骤S3中，保压的预设时间为5～15分钟。

前述的步骤S4中，完成一次试压后，根据试压件的成型状态调整试压工艺参数，调整过程如下：

当试压件的成型状态表现为零件不贴模时，逐步增加成型压力，直至零件贴胎度满足要求；

当试压件的成型状态表现为零件起皱、破裂时，逐步减小成型压力，直至零件无起皱、破裂等质量缺陷并贴模。

实施例2

一种低成本的钛及钛合金热成型模具试压方法，实施过程如下：

(1)查阅《中国航空材料手册》或其它具有权威代表性的材料性能资料，查找室温下抗拉强度接近钛及钛合金材料热蠕变温度下抗拉强度的试压材料，如航空制造中常用的钛合金材料TC1 M、TC4 M材料对应地试压材料分别是LY12 M、LY16 M；

(2)根据步骤(1)查找的结果准备试压材料；

(3)根据零件成型形状结合成型模具使用试压材料下最初展开毛料；

(4)将热成型设备四周保温区域完全打开；

(5)在模具上涂上“红铅油”；

(6)将模具通过吊环起吊并装卡在热成型设备上；

(7)将代替钛及钛合金进行验证的最初展开毛料放置在模具上并定好位；

(8)热成型设备按理论计算得到的压力开始施加成型压力，不加热，保持设备四周保温区域打开，全程观测成型过程；

(9)热成型设备上、下工作平台合拢后保持压力5～15分钟；

(10)保压结束后开启上、下工作平台，可直接检测试压件的成型状态，根据成型状态调整工艺参数：当验证结果为零件不贴模时，逐步增加成型压力，直至零件贴胎度满足要求；当验证结果为零件起皱、破裂时，逐步减小成型压力，直至零件无起皱、破裂等质量缺陷并贴模；

(11)根据模具上“红铅油”的均匀性来验证模具与零件的贴合度，颜色较深或者完全与未放置零件之前一致时说明模具此区域需要加高，颜色较浅或者完全被零件蹭掉时说明模具此区域需要削减。