專利名稱:一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，該模具的上模具為凸模，且該上模具具有半球面或圓臺(tái)面的上模具形面，該上模具形面設(shè)置有凹面，且該形面的凹面對(duì)應(yīng)半球殼體壁厚較薄的位置，通過設(shè)計(jì)該形面的曲線分布可以有效控制半球殼體的壁厚，并且上模具形面的總面積為下模具形面總面積的70％～90％，這樣向下成形過程中板坯不會(huì)出現(xiàn)過度拉伸，可以避免破壞已經(jīng)控制好的產(chǎn)品壁厚，并且不會(huì)出現(xiàn)起皺；該實(shí)用新型還采用掛環(huán)將板坯的耳片與上模具的掛耳連接，可以在高溫進(jìn)行脫模時(shí)，抬起上模具時(shí)，掛環(huán)可以帶動(dòng)已經(jīng)成型的半球殼體，從而產(chǎn)生脫模力，實(shí)現(xiàn)快速脫模。
【專利說明】一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超塑模具，特別是涉及一種壁厚可控的鈦合金半球殼體超塑脹形模具。

【背景技術(shù)】
[0002]在國(guó)內(nèi)外航天器上的貯箱類容器領(lǐng)域，鈦合金的超塑成形應(yīng)用十分廣泛。美國(guó)愛德華空軍基地的火箭推進(jìn)研宄所早在八十年代就進(jìn)行超塑成形制造推進(jìn)劑貯箱的試驗(yàn)研宄，試驗(yàn)產(chǎn)品是Ti6A14V半球形殼體，采用的模具為下模帶有半球形型腔的單向脹形模具。日本ISAS和MHI兩家公司從1981年就開始使用超塑成形工藝制造航天器貯箱，制造貯箱時(shí)，先將兩塊薄板焊接上，再通過SPF吹脹成半球形或錐形零件，采用的模具是上下模具帶有對(duì)稱半球形型腔的雙向脹形模具。歐空局采用超塑技術(shù)制造貯箱的典型應(yīng)用是在九十年代，阿里安5姿態(tài)控制系統(tǒng)的貯箱至今仍采用這種超塑技術(shù)制造。從國(guó)內(nèi)來(lái)看，采用超塑成形制造的鈦合金壓力容器產(chǎn)品也已經(jīng)得到了應(yīng)用，例如703所研制的某型號(hào)環(huán)形氣瓶就是采用超塑成形方法來(lái)制造的。成形時(shí)先采用超塑氣脹方法成形出鈦合金半環(huán)，再采用機(jī)械加工校正半環(huán)的厚度和形狀，最后通過電子束焊接將兩個(gè)半球組合到一起，采用的模具為單向脹形模具。625所也采用超塑成形制造了各種尺寸的鈦合金貯箱，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各類衛(wèi)星型號(hào)上得到了廣泛應(yīng)用。725所采用動(dòng)凸模形式的模具成形過鈦合金半球，可用于Φ800πιπι以下不同直徑，不同壁厚鈦合金球殼的成形。
[0003]以上所述的各種超塑成形模具無(wú)法控制成形后的殼體壁厚，并且成形后的殼體尤其是大尺寸殼體在高溫脫模時(shí)非常困難。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種壁厚可控的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，該模具采用異型行腔用于控制殼體壁厚，并采用掛環(huán)實(shí)現(xiàn)鈦合金半球殼體在超塑成形后的高溫快速脫模。
[0005]本實(shí)用新型的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，包括上模具、下模具、上管路和下管路，其中，上模具的上表面和下表面之間開設(shè)有貫通的上模具氣路通道，下模具的下表面和上表面之間開設(shè)有貫通的下模具氣路通道，上管路和下管路分別焊接在氣路通道、氣路通道上，下模具為凹模，所述下模具凹模具有半球面的下模具形面，其特征在于:上模具為凸模，且所述上模具凸模具有半球面或圓臺(tái)面的上模具形面，所述上模具形面上設(shè)置有凹面，其中，所述凹面位置與半球殼體產(chǎn)品的壁厚分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:
[0007]其中，半球殼體產(chǎn)品的環(huán)向壁厚相等，軸向壁厚不相等且均勻過渡，其中，沿著指向半球殼體底部的中心軸線方向，半球殼體產(chǎn)品軸向壁厚單調(diào)遞減的區(qū)域?yàn)閰^(qū)域Α，半球產(chǎn)品壁厚單調(diào)遞增的區(qū)域?yàn)閰^(qū)域B ;在半球殼體產(chǎn)品的區(qū)域A向區(qū)域B過渡處對(duì)應(yīng)的上模具形面位置為凹面。
[0008]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，上模具形面上的凹面深度與寬度的比值rad1 = l~d0/ 3b，其中(Itl為所述凹面對(duì)應(yīng)的半球殼體上區(qū)域A與區(qū)域B交接處的環(huán)向壁厚，Sb為板坯厚度。
[0009]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，上模具形面為圓臺(tái)面時(shí)，所述圓臺(tái)面下底面與圓臺(tái)側(cè)面之間采用圓弧面過渡，使得所述上模具凸?；鶞?zhǔn)形面在各處圓滑過渡，所述圓弧面的曲率半徑大于板坯厚度SbO
[0010]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，上模具形面的總面積為下模具形面的總面積的70%?90%。
[0011]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，還包括掛環(huán)，上模具的外側(cè)表面設(shè)有掛耳，并且板坯周邊加工有耳片，所述掛耳與耳片的位置對(duì)應(yīng)，所述掛環(huán)套在掛耳和耳片上。
[0012]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，上模具和下模具的側(cè)壁上分別開設(shè)有上模具測(cè)溫孔和下模具測(cè)溫孔。
[0013]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，上模具上表面和下模具的下表面分別開設(shè)有上模具T型槽和下模具T型槽。
[0014]上述的鈦合金半球殼體超塑脹形模具，上模具外側(cè)表面和下模具外側(cè)表面分別設(shè)有上模具吊耳和下模具吊耳。
[0015]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0016]1、通過上模具的形面可以控制半球殼體的壁厚，該形面的凹面對(duì)應(yīng)的半球殼體的壁厚??；
[0017]2、設(shè)置上模具形面的總面積小于下模具形面的面積，這樣向下成形過程中板坯不會(huì)出現(xiàn)過度拉伸，可以避免破壞已經(jīng)控制好的產(chǎn)品壁厚，并且不會(huì)出現(xiàn)起皺；
[0018]3、采用掛環(huán)將板坯的耳片與上模具的掛耳連接，可以在高溫進(jìn)行脫模時(shí)，抬起上模具時(shí)，掛環(huán)可以帶動(dòng)已經(jīng)成型的半球殼體，從而產(chǎn)生脫模力，實(shí)現(xiàn)快速脫模。

【附圖說明】

[0019]圖1為本實(shí)用新型的超塑脹形模具的結(jié)構(gòu)立體圖；
[0020]圖2為本實(shí)用新型的超塑脹形模具的結(jié)構(gòu)正視圖；
[0021]圖3為本實(shí)用新型的超塑脹形模具的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0022]圖4為本實(shí)用新型的超塑脹形模具在圖3中D-D方向的剖視圖；
[0023]圖5為本實(shí)用新型的超塑脹形模具在圖3中C-C方向的剖視圖；
[0024]圖6為本實(shí)用新型的超塑脹形模具脫模得到的半球殼體；
[0025]圖7為本實(shí)用新型的超塑脹形模具在脫模時(shí)的連接示意圖；
[0026]圖8為實(shí)施例中半球殼體的壁厚分布與上模具型面曲線間的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0028]如圖1所示的本實(shí)用新型的超塑脹形模具的立體結(jié)構(gòu)圖、圖2所示的本實(shí)用新型的超塑脹形模具的結(jié)構(gòu)正視圖，一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，包括上模具1、下模具
2、上管路3、下管路4和掛環(huán)5，其中，上模具I上設(shè)有上模具吊耳6、上模具T型槽8、掛耳9和上模具測(cè)溫孔11，下模具2上設(shè)有下模具吊耳7、下模具T型槽10和下模具測(cè)溫孔12。
[0029]按照?qǐng)D3所示的本實(shí)用新型的超塑脹形模具的結(jié)構(gòu)附視圖中的D-D方向進(jìn)行剖視，其剖視圖如圖4所示，由該剖視圖可以看出，上模具I的上表面和下表面之間開設(shè)有貫通的上模具氣路通道13，且下模具2的上表面和下表面開設(shè)有下模具氣路通道14，其中，上管路3焊接在上模具氣路通道13內(nèi)，下管路4焊接在下模具氣路通道14內(nèi)；下模具2具有半圓球型形面16，而上模具I具有設(shè)置有凹面的半球面或圓臺(tái)面的形面15。
[0030]按照?qǐng)D3所示的本實(shí)用新型的超塑脹形模具的結(jié)構(gòu)附視圖中的C-C方向進(jìn)行剖視，其剖視圖如圖5所示，由圖中可以看出，在上模具I的外壁上開設(shè)有上模具測(cè)溫孔11，在下模具2的外壁上開設(shè)有下模具測(cè)溫孔12。
[0031]本實(shí)用新型可以對(duì)符合GJB2505A-2008的TC4鈦合金板材進(jìn)行超塑脹形脫模，得到如圖6所示的半球殼體18，其中，在進(jìn)行脫模前需要對(duì)原始板坯的周邊加工出耳片17，如圖7所示的超塑脹形模具在脫模時(shí)的連接示意圖，該耳片17的位置與上模具上掛耳9的位置一一對(duì)應(yīng)，將掛環(huán)5掛在位置相對(duì)應(yīng)的掛耳和耳片上，在高溫進(jìn)行脫模時(shí)，抬起上模具1，掛環(huán)5可以帶動(dòng)已經(jīng)成型的半球殼體，從而產(chǎn)生脫模力，實(shí)現(xiàn)快速脫模。
[0032]本實(shí)用新型脫模得到的半球殼體18的各處環(huán)向壁厚相等而軸向壁厚不等，其中，實(shí)現(xiàn)壁厚控制的原理如下:在開始階段上模具下壓時(shí)，板坯一般不會(huì)減薄或減薄很小，此時(shí)板坯基本保持原始厚度；向上模具脹形時(shí)板坯開始出現(xiàn)拉伸減薄，先與模具形面接觸的部位由于摩擦力的作用減薄程度小，后與模具形面接觸的部位減薄程度大，因此應(yīng)使期望較厚的材料部位先與模具接觸，期望減薄的部位后與模具接觸，根據(jù)產(chǎn)品各處薄厚的程度不同、位置不同來(lái)設(shè)計(jì)上模具形面15的凹面，其中凹面對(duì)應(yīng)產(chǎn)品較薄的位置，其中凹面區(qū)域?qū)挾壬源笥诋a(chǎn)品較薄處對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)，凹面區(qū)域的深度和寬度比rad1 = 1-(期望厚度/原材料厚度)，并可以采用有限元仿真軟件，例如MARC，ANSYS等對(duì)上模具形面15的曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0033]下模具形面16主要用來(lái)控制半球外形精度，對(duì)壁厚影響較小。上模具形面15的總面積為下模具形面總面積的70%?90%，這樣向下成形過程中板坯不會(huì)出現(xiàn)過度拉伸，避免破壞已經(jīng)控制好的產(chǎn)品壁厚，并且不會(huì)出現(xiàn)起皺。
[0034]實(shí)施例:
[0035]該實(shí)施例中采用本實(shí)用新型的超塑脹形模具對(duì)符合GJB2505A-2008的TC4鈦合金板材進(jìn)行脫模得到直徑為100mm的半球殼體，該半球殼體各處環(huán)向壁厚相等且軸向壁厚不等，其中該半球殼體的開口處壁厚要求9mm，球頂處壁厚要求9mm，半球中部壁厚要求4mm，各處壁厚均勾過渡。
[0036]本實(shí)施例中，本實(shí)用新型的超塑脹形模具包括上模具、下模具、上管路、下管路和8個(gè)掛環(huán)，其中，上管路焊接在上模具氣路通道上，可以在貼膜后通過該上管路向模具腔體內(nèi)打入氬氣，使板坯向下模具方向成形吹入壓縮空氣，并在殼體成形后，通過該上管路向模具腔體內(nèi)打入壓縮氣體，用于冷卻已經(jīng)成形的半球殼體使其收縮，降低下模具對(duì)殼體的約束力；下管路焊接在下模具氣路通道上，可以在高溫超塑成形時(shí)通過該下管路向模具腔體內(nèi)打入氬氣，使板坯向上模具方向成形。
[0037]在本實(shí)施例中，放入模具的板坯加工有8個(gè)耳片，與上模具上的8個(gè)掛耳位置一一對(duì)應(yīng)，在高溫脫模時(shí)，將8個(gè)掛環(huán)分別掛住對(duì)應(yīng)的耳片和掛耳。
[0038]本實(shí)施例中的上模具型面按照半球殼體的壁厚設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在上模具的形面15上，對(duì)應(yīng)于半球壁中部壁厚較薄處設(shè)置為凹面，半球殼體的壁厚分布與上模具型面曲線間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示，其中半球中部位置設(shè)置凹面，該凹面的曲率半徑均為100mm。
[0039]本實(shí)施例中，在上模具I的外壁上開設(shè)了一個(gè)測(cè)溫孔，并在下模具的外壁上由上到下共設(shè)置了 3條測(cè)溫孔，用于在脫模過程中對(duì)模具的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0040]本實(shí)用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，包括上模具(1)、下模具(2)、上管路(3)和下管路(4)，其中，上模具(I)的上表面和下表面之間開設(shè)有貫通的上模具氣路通道(13)，下模具(2)的下表面和上表面之間開設(shè)有貫通的下模具氣路通道(14)，上管路(3)和下管路(4)分別焊接在氣路通道(13)、氣路通道(14)上，下模具(2)為凹模，所述下模具凹模具有半球面的下模具形面(16)，其特征在于:上模具(I)為凸模，且所述上模具凸模具有半球面或圓臺(tái)面的上模具形面(15)，所述上模具形面(15)上設(shè)置有凹面，其中，所述凹面位置與半球殼體產(chǎn)品的壁厚分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下: 其中，半球殼體產(chǎn)品的環(huán)向壁厚相等，軸向壁厚不相等且均勻過渡，其中，沿著指向半球殼體底部的中心軸線方向，半球殼體產(chǎn)品軸向壁厚單調(diào)遞減的區(qū)域?yàn)閰^(qū)域A，半球產(chǎn)品壁厚單調(diào)遞增的區(qū)域?yàn)閰^(qū)域B ;在半球殼體產(chǎn)品的區(qū)域A向區(qū)域B過渡處對(duì)應(yīng)的上模具形面(15)位置為凹面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:上模具形面(15)上的凹面深度與寬度的比值rad1 = 1-屯/ Sb，其中(Itl為所述凹面對(duì)應(yīng)的半球殼體上區(qū)域A與區(qū)域B交接處的環(huán)向壁厚，Sb為板坯厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:上模具形面(15)為圓臺(tái)面時(shí)，所述圓臺(tái)面下底面與圓臺(tái)側(cè)面之間采用圓弧面過渡，使得所述上模具凸?；鶞?zhǔn)形面在各處圓滑過渡，所述圓弧面的曲率半徑大于板坯厚度δ b。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:上模具形面(15)的總面積為下模具形面(16)的總面積的70%?90%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:還包括掛環(huán)(5)，上模具(I)的外側(cè)表面設(shè)有掛耳(9)，并且板坯周邊加工有耳片(17)，所述掛耳(9)與耳片(17)的位置對(duì)應(yīng)，所述掛環(huán)(5)套在掛耳(9)和耳片(17)上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:上模具(I)和下模具⑵的側(cè)壁上分別開設(shè)有上模具測(cè)溫孔(11)和下模具測(cè)溫孔(12)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:上模具(I)上表面和下模具(2)的下表面分別開設(shè)有上模具T型槽(8)和下模具T型槽(10)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金半球殼體超塑脹形模具，其特征在于:上模具(I)外側(cè)表面和下模具(2)外側(cè)表面分別設(shè)有上模具吊耳(6)和下模具吊耳(7)。
【文檔編號(hào)】B21D26-031GK204276616SQ201420676118
【發(fā)明者】微石, 陰中煒, 高鵬, 張緒虎, 韓冬峰, 趙磊 [申請(qǐng)人]航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院