專利名稱：一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料加工工藝制造方法，特別是一種鈦合金氣瓶用封頭簡易
成形工藝。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，氣瓶的使用環(huán)境越來越苛刻，性能要求越來越高。采用
不銹鋼材料制造的氣瓶工作溫度一般在_601: +601:，壓力30MPa，使用上有很大的局限
性。為了提高壓力等級，必須按照傳統(tǒng)的方法增加壁厚，將使氣瓶整體重量增加，這與增壓
減重的要求相背離，對航空航天產(chǎn)品的性能影響巨大。鈦合金具有強(qiáng)度高、比重輕、耐腐蝕
等優(yōu)良特性，在航空、航天、船舶等領(lǐng)域大量使用。目前我國已經(jīng)開展了多種鈦合金氣瓶的
研制工作，例如我國研制的長征系列運(yùn)載火箭上箭體和推進(jìn)系統(tǒng)中均采用了多個(gè)存儲(chǔ)高壓
氣體的鈦合金氣瓶。國內(nèi)鈦合金氣瓶目前主要采用封頭形球殼焊接成形，球殼成形質(zhì)量是
影響氣瓶性能的關(guān)鍵。鈦合金成形過過程中存在變形抗力高、冷作硬化傾向明顯、熱成形溫
度范圍窄、容易吸收有害氣體等缺點(diǎn)，極容易造成成形時(shí)撕裂等問題，成形較為困難。國內(nèi)
鈦合金氣瓶采用的成形方式主要有以下幾種普通沖壓成形、旋壓成形等。 旋壓成形需要專用設(shè)備，一次性投資較大，大批量產(chǎn)品利用旋壓設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)較
為適宜。普通沖壓成形采用液壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，每種規(guī)格產(chǎn)品一般要進(jìn)行多次拉伸，每次拉伸
在不同模具中進(jìn)行，完成一次拉伸，需要更換模具進(jìn)行下一次拉伸，因此采用通沖壓成形成
形需要加工多套模具，成形過程需要進(jìn)行多次模具的換裝，小批量成產(chǎn)時(shí)成本較高、模具加
工周期長，模具換裝工序繁瑣。 上述方法一般需要專用設(shè)備及模具，適于大批量生產(chǎn)。研發(fā)階段采用上述方法生 產(chǎn)成本較高，周期較長，不能滿足市場的需求。所以急需一種新的低成本、生產(chǎn)周期短的成 形工藝解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，解決研
發(fā)推廣階段鈦合金氣瓶用封頭產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，成本高等問題。 為了實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案 本發(fā)明的一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，包括 (1)模具設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用一套模具進(jìn)行沖壓，相對于普通沖壓成形，多火次沖壓時(shí)，由于沒有中 間過度，坯料再次加熱，重新放入模具時(shí)，會(huì)出現(xiàn)回彈，外形擴(kuò)大，受力位置發(fā)生變化，容易 產(chǎn)生偏心，坯料受力不均，封頭成形薄弱位置減薄量更為明顯，因此設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加坯料厚 度，并相應(yīng)增大模具間隙。實(shí)際設(shè)計(jì)中坯料壁厚及模具間隙按照如下公式確定
<formula>formula see original document page 3</formula>
式中t :坯料壁厚，實(shí)際數(shù)值取整，單位mm ; t。零件壁厚，單位mm; ^ :機(jī)加工量，取lmm ; t2 :放置偏心量，取1mm ; c :模具間隙，單位mm; (2)下料將所需鈦合金板料用數(shù)控等離子火焰切割機(jī)下成圓形坯料，作為成形
鈦合金氣瓶用封頭的坯料。
(3)坯料前期處理，包括 a、板料邊部需打磨清理，去除周邊火焰切割時(shí)產(chǎn)生的氧化以及周邊毛剌。否則沖 壓時(shí)，此部位極易成為薄弱區(qū)域，產(chǎn)生撕裂。 b、板料沖壓前將表面邊部進(jìn)行削斜處理，斜削角度為5-8° ，邊部最大削去厚度為 坯料厚度的20% 。以防止沖壓過程邊緣部分增厚，造成坯料與模具間摩擦阻力增大，坯料進(jìn) 入模具困難，極易造成坯料產(chǎn)生撕裂。 c、加熱前需要將鈦合金坯料表面清理干凈，并涂覆潤滑劑，以減小坯料與模具之 間的摩擦阻力，隔絕坯料與外部直接接觸，能防止坯料氧化及吸氫，并能降低沖壓時(shí)坯料同 模具接觸過程中的溫降。潤滑劑能減小坯料與模具之間的摩擦阻力且對鈦合金無不可逆的 表面污染即可滿足需要。 (4)加熱采用電爐加熱，加熱溫度根據(jù)合金種類而定，加熱溫度為相變點(diǎn)以下 20 5(TC，坯料到溫入爐，到溫保溫時(shí)間沿厚度方向1. 5 4min/mm ;采用電爐可以防止有 害氣氛對鈦合金性能的破壞；同時(shí)仍需要避免爐內(nèi)爐渣等對鈦合金表面的污染，具體做法 可以是爐內(nèi)墊放不銹鋼板。 (5)成形成形前模具預(yù)熱至300士2(TC，保溫足夠時(shí)間后坯料迅速轉(zhuǎn)移到液壓機(jī) 上進(jìn)行沖壓，成形過程采用激光測溫儀對坯料表面測溫，確保坯料溫度處于鍛造溫度范圍 內(nèi)，如溫度低于合金鍛造溫度，則停止沖壓，完成一火次沖壓過程；立即取出坯料，回爐重新 加熱，以便再次進(jìn)行壓制；每火次終了，需加熱模具以保證模具與坯料接觸部位溫度，這樣 可以避免模具與坯料溫差過大，坯料局部激冷，造成坯料撕裂的后果；采用多火次沖壓最終 完成成形工藝。 所述的成形工序，再次壓制時(shí)，坯料需小心放入模腔，盡量保證放置時(shí)坯料各個(gè)位 置互相對稱，以防止放偏，造成坯料與上次壓制時(shí)接觸位置變化過大，而易產(chǎn)生凹坑、撕裂 等缺陷。 本發(fā)明的一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，其優(yōu)選的技術(shù)方案是所述的加
熱模具以保證模具與坯料接觸部位溫度具體措施是每火次終了后將在電爐內(nèi)保溫10min
以上的一件鋼料放入模腔對模具進(jìn)行加熱，以保證模具與坯料接觸部位溫度。 本發(fā)明的一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，其優(yōu)選的技術(shù)方案是所述的潤
滑劑是玻璃潤滑劑FR5。
通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下的有益效果 采用本發(fā)明的一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝制作的鈦合金氣瓶用封頭產(chǎn) 品滿足了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求，相對于普通多火次成形，減少了至少一套模具的制造，并減 少了生產(chǎn)中模具的換裝工序，成本降低40%以上，生產(chǎn)周期提高50%以上。相對于采購專
4用設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，成本更低。采用本工藝，降低了研發(fā)成本，提高了產(chǎn)品交貨期，滿足了產(chǎn)品 的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，提高了產(chǎn)品進(jìn)入市場的競爭力。


圖1是鈦合金氣瓶用封頭產(chǎn)品示意圖。
圖2是鈦合金氣瓶用封頭成形示意圖。 圖2中1、上模，2、鈦合金坯料，3、下模。模具裝配在專用的油壓機(jī)上，由上模、下 模組成。成形時(shí)加熱好的鈦合金圓形坯料放入下模上部凹腔內(nèi)，上模下行擠壓坯料成形為 封頭毛坯。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 本發(fā)明應(yīng)用于①89規(guī)格的TC4鈦合金封頭，具體實(shí)施方式
如下 (1)零件壁厚5mm，根據(jù)技術(shù)方案的公式計(jì)算坯料壁厚取10mm，凸凹模間隙為
llmmc (2)采用等離子火焰切割下料，鈦合金板料坯料尺寸為O140。+4。
(3)下料后邊部打磨，清理毛剌及氧化區(qū)域；邊部進(jìn)行消斜處理，邊部最大削去厚
度為2mm，角度8° ;坯料表面涂覆FR5玻璃潤滑劑。 (4)電爐加熱，爐內(nèi)墊放不銹鋼，爐溫設(shè)置為940士1(TC，溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，將 坯料放入加熱爐，到溫保溫時(shí)間15 40min。 (5)模具預(yù)熱至300±20°C ，第一次試驗(yàn)時(shí)采用激光測溫儀進(jìn)行表面測溫，確保坯 料成形溫度保持在80(TC以上，當(dāng)坯料溫度低于80(TC，立即停止壓制，取出坯料回爐重新 加熱。最終需要回爐兩次，共三火次成形。 采用此種方法成功加工出滿足要求的半球，并通過110Mpa壓力爆破試驗(yàn)。本次產(chǎn) 品為三套氣瓶，常規(guī)工藝需要至少2套不同模具，進(jìn)行多火次成形，采用此種工藝，模具減 少1套，模具加工時(shí)間減少2周，生產(chǎn)效率提高50% ，模具加工費(fèi)及材料費(fèi)的減少，使得成本 降低40%以上。
實(shí)施例2 本發(fā)明應(yīng)用于①189規(guī)格的TC4鈦合金封頭，具體技術(shù)方案如下 (1)零件壁厚5mm，根據(jù)技術(shù)方案的公式計(jì)算坯料壁厚取10mm，凸凹模間隙為
llmmc (2)采用等離子火焰切割下料，鈦合金板料坯料尺寸為O305。+4。
(3)下料后邊部打磨，清理毛剌及氧化區(qū)域；邊部進(jìn)行消斜處理，邊部最大削去厚
度為2mm，角度8° ;坯料表面涂覆FR5玻璃潤滑劑。 (4)電爐加熱，爐內(nèi)墊放不銹鋼，加熱至940士1(TC，溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，將坯料 放入加熱爐，到溫保溫時(shí)間15 40min。 (5)模具預(yù)熱至300±20°C ，第一次試驗(yàn)時(shí)采用激光測溫儀進(jìn)行表面測溫，確保坯 料成形溫度保持在80(TC以上，當(dāng)坯料溫度低于80(TC，立即停止壓制，取出坯料回爐重新 加熱。最終需要回爐三次，共四火次成形。
5
采用此種方法成功加工出滿足要求的半球，并通過45Mpa壓力爆破試驗(yàn)。本次產(chǎn) 品為五套氣瓶，常規(guī)工藝需要至少2套不同模具，進(jìn)行多火次成形，采用此種工藝，模具減 少2套，模具加工時(shí)間減少3 4周，生產(chǎn)效率提高50%以上，模具加工費(fèi)及材料費(fèi)的減少， 使得成本降低55%以上。
實(shí)施例3 本發(fā)明應(yīng)用于①124規(guī)格的TA2鈦合金封頭，具體技術(shù)方案如下 (1)此種規(guī)格零件壁厚6. 5mm，根據(jù)技術(shù)方案的公式計(jì)算坯料壁厚取12mm，凸凹模
間隙為13. 2mm。 (2)采用等離子火焰切割下料，鈦合金板料坯料尺寸為O200。+4。 (3)下料后邊部打磨，清理毛剌及氧化區(qū)域；邊部進(jìn)行消斜處理，邊部最大削去厚
度為2. 4mm，角度5° ;坯料表面涂覆FR5玻璃潤滑劑。 (4)電爐加熱，爐內(nèi)墊放不銹鋼，加熱至880± l(TC ，到溫入爐，保溫時(shí)間到溫保溫 時(shí)間15 40min。 (5)模具預(yù)熱至300±20°C ，第一次試驗(yàn)時(shí)采用激光測溫儀進(jìn)行表面測溫，確保坯 料成形溫度保持在70(TC以上，當(dāng)坯料溫度低于70(TC，立即停止壓制，取出坯料回爐重新 加熱。最終需要回爐兩次，共三火次成形。 采用此種方法成功加工出滿足要求的半球，目前已經(jīng)順利交工，并通過壓力爆破 試驗(yàn)。本次產(chǎn)品為三套氣瓶，常規(guī)工藝需要至少2套不同模具，進(jìn)行多火次成形，采用此種 工藝，模具減少1套，模具加工時(shí)間減少2周，生產(chǎn)效率提高50% ，模具加工費(fèi)及材料費(fèi)的減 少，使得成本降低40%以上。
權(quán)利要求
一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，其特征在于成形工藝包括(1)模具設(shè)計(jì)坯料壁厚及模具間隙按照如下公式確定t＝t0(1+0.5)+t1+t2c＝1.1t式中t坯料壁厚，實(shí)際數(shù)值取整，單位mm；t0零件壁厚，單位mm；t1機(jī)加工量，取1mm；t2放置偏心量，取1mm；c模具間隙，單位mm；(2)下料將所需鈦合金板料用數(shù)控等離子火焰切割機(jī)下成圓形坯料，作為成形鈦合金氣瓶用封頭的坯料。(3)坯料前期處理，包括a、板料邊部需打磨清理，去除周邊火焰切割時(shí)產(chǎn)生的氧化以及周邊毛刺；b、板料沖壓前將表面邊部進(jìn)行削斜處理，斜削角度為5-8°，邊部最大削去厚度為坯料厚度的20％；c、加熱前需要將鈦合金坯料表面清理干凈，并涂覆潤滑劑；(4)加熱采用電爐加熱，加熱溫度為相變點(diǎn)以下20～50℃，坯料到溫入爐，到溫保溫時(shí)間沿厚度方向1.5～4min/mm；(5)成形成形前模具預(yù)熱至300±20℃，保溫足夠時(shí)間后坯料迅速轉(zhuǎn)移到液壓機(jī)上進(jìn)行沖壓，成形過程采用激光測溫儀對坯料表面測溫，確保坯料溫度處于鍛造溫度范圍內(nèi)，如溫度低于合金鍛造溫度，則停止沖壓，完成一火次沖壓過程；立即取出坯料，回爐重新加熱，以便再次進(jìn)行壓制；每火次終了，需加熱模具以保證模具與坯料接觸部位溫度；采用多火次沖壓最終完成成形工藝。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，其特征在于所述的潤 滑劑是玻璃潤滑劑FR5。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，其特征在于所述的加 熱模具以保證模具與坯料接觸部位溫度具體措施是每火次終了后將在電爐內(nèi)保溫10min 以上的一件鋼料放入模腔對模具進(jìn)行加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬材料加工工藝制造技術(shù)，具體介紹了一種鈦合金氣瓶用封頭簡易成形工藝，工藝包括在模具設(shè)計(jì)中增加坯料厚度，并相應(yīng)增大模具間隙；下料；坯料前期處理、采用電爐加熱至相變點(diǎn)以下20～50℃；模具預(yù)熱至300±20℃；保證成形溫度為合金鍛造溫度范圍內(nèi)，避免模具與坯料溫差過大；多火次沖壓最終完成成形工藝。本發(fā)明的工藝制作的產(chǎn)品滿足了技術(shù)指標(biāo)要求，相對于普通多火次成形，減少了至少一套模具的制造，并減少了生產(chǎn)中模具的換裝工序，成本降低40％以上，生產(chǎn)周期提高50％以上。
文檔編號(hào)B21D22/00GK101745784SQ20091022772
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者萬自永, 余巍, 趙國超 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所