本發(fā)明涉及一種筒形金屬殼體結(jié)構(gòu)的成形工藝，特別是涉及一種變截面形狀的筒形金屬殼體的整體超塑成形工藝。

背景技術(shù)：

超塑成形工藝通常應(yīng)用于金屬板材的成形，采用這種工藝可以成形外形復(fù)雜的曲面殼體零件，零件具有尺寸精度高、壁厚分布均勻、無內(nèi)應(yīng)力、形狀穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于具有曲面氣動外形的飛行器零件的制造，滿足高精度的設(shè)計(jì)要求。

該工藝是高溫下在零件模具型腔內(nèi)，使用惰性氣體對具有超塑性的金屬板材坯料進(jìn)行高壓吹塑來實(shí)現(xiàn)的。超塑成形模具為全凹模形式，凹模型腔尺寸參考零件表面設(shè)計(jì)，將金屬板材坯料置入凹模，高壓氣體吹塑時(shí)起到凸模壓制的作用，當(dāng)坯料變形完全貼模后完成超塑成形過程。

一般的，筒形零件的成形采用分段熱壓成形+組合焊接的方式，該方式局部成形精度較低，組合焊接后零件整體變形嚴(yán)重，進(jìn)一步降低了尺寸精度。采用超塑成形的方式，選用金屬筒形毛坯進(jìn)行整體超塑成形，零件成形后尺寸精度高，整體無形狀畸變，可有效改善傳統(tǒng)成形方式的缺陷。但是，具有變截面結(jié)構(gòu)的筒形件在超塑成形時(shí)易出現(xiàn)因?yàn)椴煌瑓^(qū)域變形量的不同出現(xiàn)壁厚分布不均勻的現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：通過有針對性的毛坯準(zhǔn)備與超塑成形工藝過程控制，解決具有變截面結(jié)構(gòu)的筒形殼體在成形時(shí)外形精度低、壁厚分布不均勻的現(xiàn)象，提高產(chǎn)品尺寸精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種變截面筒形殼體的整體超塑成形方法，通過下述方式實(shí)現(xiàn)：

將待加工筒形殼體沿軸向進(jìn)行等距分拆，測量拆分后每個(gè)截面周長；

根據(jù)每個(gè)截面周長的變化形式，通過縮小截面周長作為毛坯圖的周長，使得毛坯圖的展開圖為矩形或者扇形；

根據(jù)上述縮小的比例結(jié)合零件要求的厚度，確定板材毛坯的厚度；

根據(jù)展開圖，對板材毛坯進(jìn)行下料并沿零件軸向進(jìn)行滾彎，之后焊接成筒形；

按照零件外形設(shè)計(jì)模具并考慮超塑成形過程中的熱膨脹進(jìn)行模具尺寸補(bǔ)償；

在上述焊接成的筒形件前后開口處裝入撐塊，使用設(shè)計(jì)好的模具，對筒形件進(jìn)行熱壓預(yù)成形；

將熱壓預(yù)成形后的筒形毛坯的前后開口加工成平面，并對開口處進(jìn)行封焊。

等距拆分?jǐn)?shù)量N滿足下列關(guān)系式：

其中，E為零件前后兩端外形面的截面周長均值；F為零件周長，代表向上取整。

測量拆分后每部分的截面周長中的截面為零件的內(nèi)形面或者外形面，具體根據(jù)最終零件中最高尺寸精度要求的形面為準(zhǔn)。

根據(jù)每個(gè)截面周長的變化形式，通過縮小截面周長作為毛坯圖的周長，使得毛坯圖的展開圖為矩形或者扇形包括下列兩種實(shí)現(xiàn)方式：

以零件軸線為坐標(biāo)方向，當(dāng)拆分后的截面周長依次呈現(xiàn)遞增或者遞減的情況時(shí)，毛坯圖中零件軸向長度不變，在零件軸向方向上，將拆分后的每個(gè)截面的周長擬合成一條直線，之后將直線上的對應(yīng)軸向上的拆分點(diǎn)按同一比例A縮短，縮短后的周長為毛坯的各截面周長，展開后得到展開圖；

當(dāng)拆分后的截面周長不符合上述情況時(shí)，從拆分后的截面周長忠選取最小截面周長對應(yīng)的拆分點(diǎn)，將該拆分點(diǎn)的截面周長按比例A縮短后得到毛坯圖上對應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，穿過該基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)一條直線，使得該直線上對應(yīng)零件兩端點(diǎn)的周長值與拆分后對應(yīng)截面周長的比值相同，以該直線作為毛坯圖的周長，，展開后得到展開圖。

當(dāng)拆分后的截面周長依次呈現(xiàn)遞增或者遞減的情況時(shí)，板材毛坯的厚度與零件要求厚度間比例為1：A；其他情況時(shí)，板材毛坯厚度與零件要求厚度間比例為1：0.5(A+C)；上述C為拆分后截面周長與對應(yīng)毛坯圖周長縮小比例的最小值。

A在80-90％間選擇。

將零件最終的前后端面內(nèi)形與毛坯對應(yīng)位置的內(nèi)形取交集，交集得到的外形為撐塊的外形。

撐塊沿零件軸向的厚度不大于零件軸向長度的10％，不小于50mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：采用本發(fā)明方法在坯料準(zhǔn)備時(shí)將其周長變化趨勢制作成與目標(biāo)零件一致，可使筒坯在后續(xù)超塑成形過程中，軸向上不同位置的材料在周長方向上變形率接近，從而使零件軸向的壁厚均勻。同時(shí)采用預(yù)成形的方式將筒坯外形變化與目標(biāo)零件基本一致，可使筒坯在后續(xù)超塑成形過程中，環(huán)向上不同位置的材料變形率接近，從而使零件環(huán)向的壁厚均勻。此外結(jié)合超塑成形工藝本身可使零件外形尺寸精度達(dá)到較高水平的優(yōu)勢，利用超塑成形法制造的具有變截面外形的筒形殼體外表面尺寸精度高的同時(shí)壁厚分布均勻。

本發(fā)明采用整體超塑成形方案，實(shí)現(xiàn)具有變截面形狀的筒形金屬殼體類零件的整體超塑成形，達(dá)到提高零件整體性，尺寸精度，壁厚分布精度的目的。

附圖說明

圖1具有變截面結(jié)構(gòu)的筒形殼體零件示意圖；

圖2將零件沿軸向進(jìn)行等分示意圖；

圖3滾彎焊接后的筒形毛坯示意圖；

圖4筒形毛坯加入前后撐塊示意圖；

圖5筒形毛坯的預(yù)成形示意圖。

具體實(shí)施方式

以附圖1所示的零件為例，進(jìn)行具有變截面結(jié)構(gòu)的筒形零件的均勻壁厚分布的超塑成形。具體流程如下：

1、成形毛坯尺寸計(jì)算

如附圖2所示，根據(jù)零件設(shè)計(jì)圖，將零件沿軸向進(jìn)行等距分拆，等距拆分?jǐn)?shù)量N滿足下列關(guān)系式：其中，E為零件前后兩端外形面的截面周長均值；F為零件周長，代表向上取整。測量經(jīng)等分的每個(gè)截面周長。此截面可為零件內(nèi)形面或外形面，具體選擇按照最終零件的最高尺寸精度要求形面為準(zhǔn)(例如：零件要求內(nèi)形面尺寸精度高于外形面，則此時(shí)測量內(nèi)形面截面，反之亦然)。截面周長測量完畢后，繪制毛坯圖。

當(dāng)零件各截面周長的變化接近線性，即從零件前端至尾端逐漸增大或逐漸減小，或基本保持不變，則毛坯圖的具體計(jì)算機(jī)繪制方法為：在零件軸向方向上，將拆分后的每個(gè)截面的周長擬合成一條直線，之后將直線上的對應(yīng)軸向上的拆分點(diǎn)按同一比例A(A在80-90％間選擇)縮短，即擬合后的點(diǎn)對應(yīng)的周長乘以A，得到縮短后的周長，縮短后的周長為毛坯的各截面周長，完成后制作展開圖。板材毛坯平面尺寸為展開圖尺寸，板材毛坯厚度與零件要求厚度間比例為1：A。

若零件各截面周長變化較大，不呈現(xiàn)線性變化，例如出現(xiàn)了前端周長較大，中段較小，尾端較大(或前端周長較小，中段較大，尾端較小)，則會給展開圖制作及板材毛坯準(zhǔn)備帶來困難。此時(shí)，繪制毛坯圖的具體方法為：零件軸向長度不變，保證零件周長最小截面位置處的毛坯截面周長按比例A縮短(A在80-90％間選擇)，毛坯前端及尾端處截面周長相對于零件相同位置截面周長的縮小比例B(此時(shí)B值小于A值)一致，保證毛坯外形為柱形筒件或錐形筒件，即毛坯展開圖為矩形或扇形。此外，毛坯中有局部截面的縮小比例小于B值，設(shè)定毛坯中相對零件截面縮小程度最高處的縮小比例為C值，板材毛坯厚度與零件要求厚度間比例為1：0.5(A+C)。

2、毛坯準(zhǔn)備

按計(jì)算后的尺寸進(jìn)行下料，下料后將毛坯沿零件軸向進(jìn)行滾彎，最終將毛坯滾彎成筒形，而后通過焊接將滾彎板材兩端連接成為筒形，如附圖3所示。

3、超塑成形模具設(shè)計(jì)

按照零件外形進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，以零件外形尺寸為基礎(chǔ)，超塑成形過程在高溫狀態(tài)下完成，成形材料與模具材料在加熱狀態(tài)下的線膨脹系數(shù)存在較大差異，在設(shè)計(jì)模具尺寸時(shí)需采用尺寸補(bǔ)償公式：

L_die＝L_part(1+ΔT*α_part)/(1+ΔT*α_die)

其中：L_die——模具尺寸；

L_part——零件尺寸；

ΔT——成形溫度與室溫溫差；

α_part——成形材料在成形溫度下的線膨脹系數(shù)；

α_die——模具材料在成形溫度下的線膨脹系數(shù)。

4、毛坯預(yù)成形

預(yù)成形前，需要對筒形毛坯3進(jìn)行局部支撐處理。筒形件在前后開口處裝入前撐塊4、后撐塊5，將零件最終的前后端面內(nèi)形與毛坯對應(yīng)位置的內(nèi)形取交集，交集得到的外形為撐塊的外形，使撐塊能夠裝入筒形毛坯，防止毛坯預(yù)成形時(shí)被過度壓扁，如附圖4所示。撐塊厚度不大于零件軸向長度的10％，不小于50mm。使用超塑成形模具(上模1、下模)，對筒形毛坯進(jìn)行熱壓預(yù)成形。將筒形毛坯裝入模具型腔中，在成形材料高溫軟化狀態(tài)下將超塑成形模具進(jìn)行合模，使筒形毛坯能夠完全裝入模具型腔，如附圖5所示。

5、超塑終成形前處理及終成形

對完成超塑預(yù)成形的筒形毛坯前后開口進(jìn)行加工，加工為平面。而后對開口處進(jìn)行封焊，選用封焊板規(guī)格時(shí)，其厚度為筒形毛坯原始板厚的80％～100％。最后，使用超塑成形模具進(jìn)行超塑終成形，完成零件成形過程。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。