本發(fā)明提供一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法，具體地說，提供一種將增材制造與型材熱拉彎兩種工藝組合，近凈成形帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的制造方法,屬于金屬成形技術(shù)領(lǐng)域。

【技術(shù)背景】

新一代大型飛機(jī)為了減輕重量，提高經(jīng)濟(jì)性，大量采用碳纖維復(fù)合材料，如波音制造的787大型客機(jī)，碳纖維復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)材料總重量的50％。鈦合金與碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、熱特性匹配良好，二者電位接近，不易產(chǎn)生電偶腐蝕，而且鈦合金本身具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能良好、耐高溫等一系列優(yōu)異特點(diǎn)。因此，與復(fù)合材料蒙皮相連接的承力骨架大量采用帶筋鈦合金曲率構(gòu)件,這種高性能構(gòu)件外形細(xì)長(zhǎng)，主體具有曲率特征并且局部帶有加強(qiáng)筋，其成形質(zhì)量直接關(guān)系到飛機(jī)的裝配精度和服役性能。

該類帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的傳統(tǒng)制造方法主要為鍛造毛坯+數(shù)控加工+熱校形。對(duì)制造裝備要求高，需要大型或超大型液壓鍛造工業(yè)裝備、大型鍛造模具制造及大規(guī)格鍛坯加工；鍛件預(yù)留的大量加工余量需后續(xù)數(shù)控加工去除，材料利用率極低(一般小于5-10％)，數(shù)控加工量極大，而鈦合金本身材料價(jià)格昂貴，數(shù)控加工難度大，這大大增加了零件的制造成本；鍛造工藝能使材料獲得良好的力學(xué)性能，但大量的機(jī)械加工一方面破壞了鍛造工藝形成的織構(gòu)和流線，進(jìn)而降低了構(gòu)件性能，另一方面也使鍛造過程中產(chǎn)生的復(fù)雜殘余應(yīng)力發(fā)生釋放，引起零件變形，需要制造非常復(fù)雜的熱校形夾具對(duì)零件進(jìn)行熱校形，成本極高。這些均限制了帶筋鈦合金曲率構(gòu)件這種高性能結(jié)構(gòu)在大型飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用。因此，需要從提高材料利用率、降低制造成本、改善成形精度等方面入手，發(fā)展先進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)這種高性能結(jié)構(gòu)的低成本精確制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、目的：本發(fā)明的目的是為了解決帶筋鈦合金曲率構(gòu)件傳統(tǒng)制造過程中，材料利用率低、制造成本高、成形精度差等問題，而提供一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法，它是將增材制造與型材熱拉彎兩種工藝結(jié)合的近凈成形組合制造新工藝。

2、技術(shù)方案：

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法，包括如下步驟：

步驟一、采用增材制造技術(shù)(包括但不限于激光熔化沉積、電子束熔絲沉積)，在等截面鈦合金直型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金直型材；

步驟二、采用型材熱拉彎成形技術(shù)，對(duì)帶筋鈦合金直型材進(jìn)行通電自阻加熱拉彎，成形出所需的曲率外形，并進(jìn)行在線應(yīng)力松弛和控溫冷卻，得到帶筋鈦合金曲型材；

步驟三、對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到滿足尺寸要求的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件。

其中，在步驟一中所述的“采用增材制造技術(shù)(包括但不限于激光熔化沉積、電子束熔絲沉積)，在等截面鈦合金直型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金直型材”，其作法如下：將等截面鈦合金直型材待增材制筋區(qū)域打磨拋光，用丙酮清洗；將增材制造所用的原料(鈦粉末或絲材等)進(jìn)行真空干燥處理；利用增材制造機(jī)床，在等截面鈦合金直型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金直型材。

其中，在步驟二中所述的“采用型材熱拉彎成形技術(shù)，對(duì)帶筋鈦合金直型材進(jìn)行通電自阻加熱拉彎，成形出所需的曲率外形，并進(jìn)行在線應(yīng)力松弛和控溫冷卻，得到帶筋鈦合金曲型材”，其作法如下：通過自阻加熱將帶筋鈦合金直型材加熱到預(yù)定溫度；對(duì)帶筋鈦合金直型材進(jìn)行熱拉彎，成形出所需的曲率外形；保持溫度和貼模狀態(tài)不變，對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行一定時(shí)間的在線應(yīng)力松弛；對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行控溫冷卻、卸載。

其中，在步驟三中所述的“對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到滿足尺寸要求的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件”，其作法如下：將帶筋鈦合金曲型材裝卡在數(shù)控加工機(jī)床上，根據(jù)零件的尺寸要求，通過少量數(shù)控加工獲得最終的鈦合金曲率構(gòu)件。

本發(fā)明提供的一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法，亦可采用如下工藝步驟：

步驟一＇、采用型材熱拉彎成形技術(shù)，對(duì)等截面鈦合金直型材進(jìn)行通電自阻加熱拉彎，成形出所需的曲率外形，并進(jìn)行在線應(yīng)力松弛和控溫冷卻，得到等截面鈦合金曲型材；

步驟二＇、采用增材制造技術(shù)(包括但不限于激光熔化沉積、電子束熔絲沉積)，在等截面鈦合金曲型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金曲型材；

步驟三＇、對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到滿足尺寸要求的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件。

其中，在步驟一中所述的“采用型材熱拉彎成形技術(shù)，對(duì)等截面鈦合金直型材進(jìn)行通電自阻加熱拉彎，成形出所需的曲率外形，并進(jìn)行在線應(yīng)力松弛和控溫冷卻，得到等截面鈦合金曲型材”，其作法如下：通過自阻加熱將等截面鈦合金直型材加熱到預(yù)定溫度；對(duì)等截面鈦合金直型材進(jìn)行熱拉彎，成形出所需的曲率外形；保持溫度和貼模狀態(tài)不變，對(duì)等截面鈦合金曲型材進(jìn)行一定時(shí)間的在線應(yīng)力松弛；對(duì)等截面鈦合金曲型材進(jìn)行控溫冷卻、卸載。

其中，在步驟二中所述的“采用增材制造技術(shù)(包括但不限于激光熔化沉積、電子束熔絲沉積)，在等截面鈦合金曲型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金曲型材”，其作法如下：將等截面鈦合金曲型材待增材制筋區(qū)域打磨拋光，用丙酮清洗；將增材制造所用的原料(鈦粉末或絲材等)進(jìn)行真空干燥處理；利用增材制造機(jī)床，在等截面鈦合金曲型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金曲型材。

其中，在步驟三中所述的“對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到滿足尺寸要求的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件”，其作法如下：將帶筋鈦合金曲型材裝卡在數(shù)控加工機(jī)床上，根據(jù)零件的尺寸要求，通過少量數(shù)控加工獲得最終的鈦合金曲率構(gòu)件。

通過以上步驟，極大提高了帶筋鈦合金曲率構(gòu)件制造過程中的材料利用率，顯著降低了制造成本，提高了成形精度，實(shí)現(xiàn)了帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的低成本綠色制造。

3、優(yōu)點(diǎn)及功效：增材制造與型材熱拉彎均屬于先進(jìn)高效的近凈成形工藝，本發(fā)明將二者組合，用以近凈成形帶筋鈦合金曲率構(gòu)件，極大提高了材料利用率，減少了數(shù)控加工量，顯著降低了制造成本，所成形零件回彈小，殘余應(yīng)力水平低，無需進(jìn)行后續(xù)熱校形，節(jié)省了工裝成本，縮短了零件制造周期，提高了生產(chǎn)效率。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明所述方法第一種實(shí)施例流程圖。

圖2為本發(fā)明圖1中步驟一的具體方法流程圖。

圖3為本發(fā)明圖1中步驟二的具體方法流程圖。

圖4為本發(fā)明所述方法另一種實(shí)施例流程圖。

圖5為本發(fā)明圖4中步驟一＇的具體方法流程圖。

圖6為本發(fā)明圖4中步驟二＇的具體方法流程圖。

圖7為本發(fā)明所述方法一種實(shí)施例工藝示意圖。

圖中符號(hào)說明如下：

1等截面鈦合金直型材；2激光頭；3鈦合金粉末；4激光束；5局部加強(qiáng)筋；6帶筋鈦合金曲型材；7夾鉗；8熱拉彎模具；9帶筋鈦合金曲率構(gòu)件；F拉力；M彎矩。

【具體實(shí)施方式】

以下配合附圖及具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)到預(yù)定發(fā)明目的所采取的具體實(shí)施方式。

圖1為本發(fā)明一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法的一種實(shí)施例流程圖。如圖1所示，該流程包括：

步驟一、采用增材制造技術(shù)(包括但不限于激光熔化沉積、電子束熔絲沉積)，在等截面鈦合金直型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金直型材；

步驟二、采用型材熱拉彎成形技術(shù)，對(duì)帶筋鈦合金直型材進(jìn)行通電自阻加熱拉彎，成形出所需的曲率外形，并進(jìn)行在線應(yīng)力松弛和控溫冷卻，得到帶筋鈦合金曲型材；

步驟三、對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到滿足尺寸要求的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件。

在本實(shí)施例中，如圖2所示，為圖1中步驟一的具體方法流程，包括：

步驟1、將等截面鈦合金直型材待增材制筋區(qū)域打磨拋光，用丙酮清洗；

步驟2、將增材制造所用的原料(鈦粉末或絲材等)進(jìn)行真空干燥處理；

步驟3、利用增材制造機(jī)床，在等截面鈦合金直型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金直型材。

在本實(shí)施例中，如圖3所示，為圖1中步驟二的具體方法流程，包括：

步驟4、通過自阻加熱將帶筋鈦合金直型材加熱到預(yù)定溫度；

步驟5、對(duì)帶筋鈦合金直型材進(jìn)行熱拉彎，成形出所需的曲率外形；

步驟6、保持溫度和貼模狀態(tài)不變，對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行一定時(shí)間的在線應(yīng)力松弛；

步驟7、對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行控溫冷卻、卸載。

在本實(shí)施例中，步驟三包括：將帶筋鈦合金曲型材裝卡在數(shù)控加工機(jī)床上，根據(jù)零件的尺寸要求，通過少量數(shù)控加工獲得最終的鈦合金曲率構(gòu)件。

相對(duì)于上述實(shí)施例的步驟順序，本發(fā)明還有另一種實(shí)施例，在步驟順序上有所不同，但采用的初始型材和獲得的最終零件是相同的。

圖4為本發(fā)明一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法的另一種實(shí)施例流程圖。如圖4所示，該流程包括：

步驟一＇、采用型材熱拉彎成形技術(shù)，對(duì)等截面鈦合金直型材進(jìn)行通電自阻加熱拉彎，成形出所需的曲率外形，并進(jìn)行在線應(yīng)力松弛和控溫冷卻，得到等截面鈦合金曲型材；

步驟二＇、采用增材制造技術(shù)(包括但不限于激光熔化沉積、電子束熔絲沉積)，在等截面鈦合金曲型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金曲型材；

步驟三＇、對(duì)帶筋鈦合金曲型材進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到滿足尺寸要求的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件。

在本實(shí)施例中，如圖5所示，為圖4中步驟一＇的具體方法流程，包括：

步驟1＇、通過自阻加熱將等截面鈦合金直型材加熱到預(yù)定溫度；

步驟2＇、對(duì)等截面鈦合金直型材進(jìn)行熱拉彎，成形出所需的曲率外形；

步驟3＇、保持溫度和貼模狀態(tài)不變，對(duì)等截面鈦合金曲型材進(jìn)行一定時(shí)間的在線應(yīng)力松弛；

步驟4＇、對(duì)等截面鈦合金曲型材進(jìn)行控溫冷卻、卸載。

在本實(shí)施例中，如圖6所示，為圖4中步驟二＇的具體方法流程，包括：

步驟5＇、將等截面鈦合金曲型材待增材制筋區(qū)域打磨拋光，用丙酮清洗；

步驟6＇、將增材制造所用的原料(鈦粉末或絲材等)進(jìn)行真空干燥處理；

步驟7＇、利用增材制造機(jī)床，在等截面鈦合金曲型材上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋，形成帶筋鈦合金曲型材。

在本實(shí)施例中，步驟三＇包括：將帶筋鈦合金曲型材裝卡在數(shù)控加工機(jī)床上，根據(jù)零件的尺寸要求，通過少量數(shù)控加工獲得最終的鈦合金曲率構(gòu)件。

為了對(duì)上述本發(fā)明一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法進(jìn)行更易理解的解釋，下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行說明，然而該實(shí)施例僅是為了具體地闡述本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明不當(dāng)?shù)南薅ā?/p>

圖7為本發(fā)明一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法的一種實(shí)施例工藝示意圖，如圖7a)至圖7d)所示，以制造U形截面帶筋鈦合金曲率構(gòu)件為例進(jìn)行說明：

步驟1、根據(jù)零件需求，準(zhǔn)備等截面鈦合金直型材1作為坯料，將待增材制筋的區(qū)域打磨拋光，并用丙酮進(jìn)行清洗去除表面油污；

步驟2、準(zhǔn)備具有一定粒度的鈦合金粉末3作為增材制筋的原料，并在一定溫度的真空環(huán)境下進(jìn)行一定時(shí)間的干燥處理；

步驟3、將等截面鈦合金直型材1定位裝卡在增材制造成套設(shè)備的工作臺(tái)上，采用一定工藝參數(shù)，利用激光頭2發(fā)射的激光束4熔化沉積鈦合金粉末3，在等截面鈦合金直型材1上的預(yù)定區(qū)域，增材制造出局部加強(qiáng)筋5，制得帶筋鈦合金直型材；

步驟4、在型材熱拉彎?rùn)C(jī)上安裝型材熱拉彎模具8，夾鉗7夾持住步驟3中制得的帶筋鈦合金直型材，采用低壓大電流將帶筋鈦合金直型材自阻加熱到預(yù)定溫度；

步驟5、對(duì)帶筋鈦合金直型材施加拉力F，以一定應(yīng)變速率進(jìn)行預(yù)拉，達(dá)到預(yù)拉應(yīng)變量后，對(duì)帶筋鈦合金直型材施加拉力F和彎矩M，以一定應(yīng)變速率進(jìn)行包覆成形，直至完全貼合熱拉彎模具8，之后以一定應(yīng)變速率進(jìn)行補(bǔ)拉，直至達(dá)到總應(yīng)變量，得到帶筋鈦合金曲型材6。在此過程中，帶筋鈦合金型材的溫度波動(dòng)應(yīng)控制在合理范圍；

步驟6、夾鉗7繼續(xù)夾持貼模狀態(tài)的帶筋鈦合金曲型材6，位置不發(fā)生變化，保持之前熱拉彎時(shí)的溫度，對(duì)帶筋鈦合金曲型材6保溫一定時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)力松弛；

步驟7、利用加熱裝置對(duì)帶筋鈦合金曲型材6以一定冷卻速率進(jìn)行控溫冷卻，當(dāng)帶筋鈦合金曲型材6達(dá)到預(yù)定溫度后，加熱裝置停止工作，型材熱拉彎?rùn)C(jī)卸載，夾鉗7松開，取出帶筋鈦合金曲型材6，空冷至室溫；

步驟8、根據(jù)零件最終尺寸要求對(duì)帶筋鈦合金曲型材6進(jìn)行少量數(shù)控加工，得到最終的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件9，加工結(jié)束。

其中，步驟2中的“一定粒度”一般為40-400μm左右，或者40-325目左右；

其中，步驟2中的“鈦合金粉末”一般采用真空等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備，也可采用其他適當(dāng)方法進(jìn)行制備；

其中，步驟2中的“一定溫度”一般為100℃左右，“一定時(shí)間”一般為8h左右；

其中，步驟3中的“一定工藝參數(shù)”一般為：激光功率(2-6kW)、光斑直徑(3.5-6mm)、掃描速度(300-800mm/min)、送粉速度(150-1000g/h)，保護(hù)氣氛為氬氣，成形腔氧含量(＜7×10^-5)；

其中，步驟4中的“預(yù)定溫度”一般為鈦合金熔化溫度的0.45-0.6倍；

其中，步驟5中的“一定應(yīng)變速率”不應(yīng)大于0.05s^-1，推薦為0.00005-0.005s^-1，“預(yù)拉應(yīng)變量”為0.5％-3％，“總應(yīng)變量”一般不大于15％；

其中，步驟5中的“溫度波動(dòng)”不應(yīng)超過30℃，最好不要超過15℃；

其中，步驟6中的“一定時(shí)間”為5-120min；

其中，步驟7中的“一定冷卻速率”應(yīng)小于工件在空氣中的冷卻速率；

其中，步驟7中的“預(yù)定溫度”一般為200℃左右。

利用本發(fā)明制造的帶筋鈦合金曲率構(gòu)件，一般主體為具有曲率特征的等截面細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，局部帶有加強(qiáng)筋。主體結(jié)構(gòu)一般可采用鈦合金擠壓型材作為毛坯，在制坯過程中，材料承受三向壓應(yīng)力，其機(jī)械性能優(yōu)異，能夠滿足零件主體結(jié)構(gòu)的性能要求。局部加強(qiáng)筋采用增材制造技術(shù)，材料力學(xué)性能可以達(dá)到甚至超過鍛造鈦合金水平，局部特征同樣能夠滿足零件性能要求。

本發(fā)明一種帶筋鈦合金曲率構(gòu)件的組合制造方法提高了材料利用率，降低了制造成本，改善了零件成形質(zhì)量。

以上所述的具體實(shí)施例，僅是為了對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)及功效進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。