阅读说明：本技术 一种钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具及工作方法 (Thermal bulging die for arc-shaped concave surface of titanium alloy thin-wall cylindrical part and working method ) 是由 吴桐 李广辉 汪鹏 李继尧 吴琼 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于机械加工技术领域,具体涉及一种钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具及工作方法。零件需加工的内凹程度较大处,在内凹R型面对应的筒形件外侧加设材料膨胀系数小于胀瓣材料膨胀系数的型箍,来对该加工点进行限制。利用驱动凸轮来推动滚轮座,均匀推动胀瓣径向方向上向外运动,对待加工筒形件进行胀形,驱动凸轮相邻两个凸齿之间的连接处为弧形内凹的过渡区,包括一体连接、圆润过渡的曲率较小的陡部和曲率较大的缓部,通过驱动凸轮的转动,转换凸齿、陡部和缓部与滚轮接触,实现连续调节胀瓣径向方向上向外运动不同行程,均匀胀形。通过内部胀形和外部型箍的同时配合,即使零件需加工的内凹程度较大时,也能精密加工出内凹R型面。(The invention belongs to the technical field of machining, and particularly relates to a thermal bulging die for an arc-shaped concave surface of a titanium alloy thin-wall cylindrical part and a working method. And at the position where the inward concave degree of the part to be processed is larger, a hoop with the material expansion coefficient smaller than that of the expansion valve material is additionally arranged on the outer side of the cylindrical part corresponding to the inward concave R-shaped surface to limit the processing point. Utilize drive cam to promote the gyro wheel seat, evenly promote the radial upward outside motion of bloated lamella, treat to process the section of thick bamboo and expand shape, junction between two adjacent lobes of drive cam is the transition district of arc indent, including an organic whole connection, the less steep portion of curvature and the great slow portion of curvature of mellow transition, through the rotation of drive cam, conversion lobe, the gentle portion of steep portion and gyro wheel contact, realize the different strokes of the radial upward outside motion of continuous regulation bloated lamella, even bloated shape. Through the cooperation of inside bulging and outside swage simultaneously, even when the indent degree that the part needs to process is great, also can the precision finishing go out indent R profile.)

一种钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具及工作方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种TC4钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具及工作方法。

背景技术

TC4钛合金筒形件是航空发动机、导弹和飞船等航空航天器的一类重要结构件。热胀形工艺是TC4筒形件一种有效的成形方法。随着航空航天器零部件精度的不断提高，目前的内高压和轴向加载成形等胀形工艺不能完全满足此类零件的精度要求。

目前针对TC4钛合金筒形件的材料特点，采用高温条件下径向可变的分瓣胀形工装，运用热胀形工艺，加工高精度的TC4筒形件。但是现有技术存在如下技术问题，严重影响高精度TC4钛合金筒形件的精密加工：

(1)当零件需加工的内凹程度较小的时，使用现有胀形模具，可以达到预计的胀形。但是当零件需加工的内凹程度较大时，热胀形时由于胀瓣的型面也为内凹形，胀瓣向外胀形时，零件在形变时只接触到胀瓣内凹处的两个最高点，而胀瓣内凹处最低点没有与待加工筒体接触并施力，造成待加工筒体的内凹型面无法形成内凹R型面，而是形成一个坡，无法成形到设计图要求的尺寸，严重影对零件的加工精度、装配和使用效果。

(2)现在是利用楔形圆柱体，直接与胀瓣接触，通过对楔形圆柱施加向下的力，进而推动胀瓣径向向外移动。但是楔形圆柱直接与胀瓣接触时，摩擦力较大，使用多次后容易造成楔形圆柱或者胀瓣内型面出现磨损。并且在磨损后的再次加工时，会造成各个胀瓣在向外移动时的程度不一致，这种不均匀的胀形过程，会造成某一点或几点的应力集中，对零件的成形圆度及零件最终形状产生影响，严重的甚至会导致零件的开裂，严重影响加工的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具及工作方法。对于零件需加工的内凹程度较大处，通过在内凹R型面对应的筒形件外侧加设材料膨胀系数小于胀瓣材料膨胀系数的型箍，来对该加工点进行限制。同时，利用驱动凸轮来推动滚轮座，进而均匀推动胀瓣径向方向上向外运动，对待加工筒形件进行胀形，驱动凸轮相邻两个凸齿之间的连接处为弧形内凹的过渡区，过渡区包括一体连接的曲率较小的陡部和曲率较大的缓部，陡部和缓部之间圆润过渡，可以通过驱动凸轮的转动，转换凸齿、陡部和缓部与滚轮接触，从而实现连续调节胀瓣径向方向上向外运动不同行程，达到胀形的目的。通过内部均匀胀形和外部型箍的同时配合，即使零件需加工的内凹程度较大处时，也能精密加工出内凹R型面，达到零件所需的高精度要求。

具体技术方案如下：

一种钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具，包括驱动凸轮、滚轮座、胀瓣和型箍，所述型箍的膨胀系数比待加工筒体材料的膨胀系数小；

所述驱动凸轮圆周上对称、均匀分布凸齿，相邻两个凸齿之间的连接处为弧形内凹的过渡区，过渡区包括一体连接的曲率较小的陡部和曲率较大的缓部，陡部和缓部之间圆润过渡；所述驱动凸轮的中心通过转轴、锥副齿轮连接电机的输出端；

所述滚轮座的位置与驱动凸轮的凸齿对应，滚轮座包括U型本体，U型本体包括上下各一个自由端，上自由端末端加工成圆弧形状，上下自由端的中部竖直方向开孔，孔内***并固定滚轮的轴两端，滚轮滚动过程中可与驱动凸轮凸齿和过渡区侧面紧密抵接；

所述胀瓣为分层结构，各层自由端的型面形状不同，通过螺钉在竖直方向上拧紧固定，通过竖直方向的叠加确定待加工的型面；所述滚轮座的封闭端与所述胀瓣中部的分层结构固定连接；所述胀瓣的底部沿径向方向安装滑道，胀瓣可沿滑道滑行；

所述型箍包括两个半环形的左支和右支，左支和右支的一端通过销钉铰接，两个自由端通过锁扣调整和紧固；

所述型箍套在待加工筒体的侧壁外，驱动凸轮与待加工筒体同心，通过过渡区或凸齿推动滚轮，从而均匀推动胀瓣沿径向方向向外。

所述凸齿的个数为12-20个。

所述胀瓣和待加工筒体之间安装压力传感器，压力传感器向计算机反馈信号，由计算机控制电机旋转角度，带动驱动凸轮旋转相应角度，从而调整滚轮在凸齿或过渡区上的位置，进而调整胀瓣沿径向方向向外推动待加工筒体侧壁的行程。

所述U型本体两个自由端的长度超出滚轮，并且高度略高于驱动凸轮的厚度，驱动凸轮可以伸入U型本体两个自由端之间与滚轮的侧面抵接。

所述滚轮的侧面竖直方向加工成条状凸纹，所述驱动凸轮的凸齿和过渡区侧面竖直方向加工成条状凹槽，所述凸纹和凹槽形状和位置相互匹配。

所述锁扣包括卡扣和卡钩，卡钩挂入卡扣内后锁紧固定；卡扣和卡钩底部各一体连接一个长椭圆形旋转固定部，旋转固定部两端开设螺纹孔；型箍两个自由端各开设一个长方形安装孔，安装孔两侧各开设一个螺纹孔，卡扣和卡钩的旋转固定部可先***安装孔后垂直旋转90°后，待旋转固定部的螺纹孔和安装孔两侧的螺纹孔重合后，螺栓拧紧固定，完成安装。

所述卡扣包括垂直锁紧结构和U型锁条，所述垂直锁紧结构包括一体成型且互相垂直的竖直结构和水平结构，水平结构内部平行开设两个水平通孔，竖直结构内部对应开设两个竖直通孔，竖直通孔与水平通孔垂直连通；U型锁条的两个自由端上均匀排布卡合柱，通过水平通孔可移动插接在水平结构内，所述U型锁条的两个自由端的末端固定连接限位块；还包括定位螺杆，定位螺杆底部加工成圆柱形内凹部，其形状与卡合柱相匹配，定位螺杆可通过竖直通孔拧入后与水平结构中的U型锁条的卡合柱卡紧。

一种钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具的工作方法，具体包括如下步骤：

(1)安装

先将各个胀瓣收回模具中心，置于驱动凸轮的外周，然后将待加工筒体套在胀瓣外周，再将型箍套在待加工筒体外侧，通过锁扣锁紧型箍，通过型箍架置于待加工成内凹R型面的位置，以上作为零件和工装整体；

(2)热成型

将上述组装好的零件和工装整体放置于热成型炉内，先调整炉内温度至750℃，然后开启电机，通过胀瓣和待加工筒体之间安装的压力传感器向计算机反馈信号，由计算机控制电机旋转角度，带动驱动凸轮旋转相应角度，从而调整滚轮在凸齿或过渡区上的位置，进而调整胀瓣沿径向方向向外推动待加工筒体侧壁的行程，保温750℃持续时间2h；

(3)冷却

加工成型后，停止加热,在热成型炉内吹入氩气冷却至室温，然后取出零件和工装整体；

(4)拆卸取件

先打开型箍的锁扣，取下型箍，移走型箍架，然后将各个胀瓣收回模具中心，取下加工成型的筒体。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

(1)本发明对于零件需加工的内凹程度较大处，通过在内凹R型面对应的筒形件外侧加设材料膨胀系数小于胀瓣材料膨胀系数的型箍，来对该加工点进行限制。同时，利用驱动凸轮来推动滚轮座，进而均匀推动胀瓣径向方向上向外运动，对待加工筒形件进行胀形，驱动凸轮相邻两个凸齿之间的连接处为弧形内凹的过渡区，过渡区包括一体连接的曲率较小的陡部和曲率较大的缓部，陡部和缓部之间圆润过渡，可以通过驱动凸轮的转动，转换凸齿、陡部和缓部与滚轮接触，从而实现连续调节胀瓣径向方向上向外运动不同行程，达到胀形的目的。通过内部均匀胀形和外部型箍的同时配合，即使零件需加工的内凹程度较大处时，也能精密加工出内凹R型面，达到零件所需的高精度要求。

(2)本发明驱动凸轮的中心通过转轴、锥副齿轮连接电机的输出端；胀瓣和待加工筒体之间安装压力传感器，压力传感器向计算机反馈信号，由计算机控制电机旋转角度，带动驱动凸轮旋转相应角度，从而调整滚轮在凸齿或过渡区上的位置，进而调整胀瓣沿径向方向向外推动待加工筒体侧壁的行程，达到精密控制。

(3)本发明胀瓣为分层结构，各层自由端的型面形状不同，通过螺钉在竖直方向上拧紧固定，通过竖直方向的叠加确定待加工的型面，可以适用于各种不同型面的筒体的胀形加工，可以根据实际加工需求进行组合与调整；所述滚轮座的封闭端与所述胀瓣中部的分层结构固定连接；所述胀瓣的底部沿径向方向安装滑道，胀瓣可沿滑道滑行；既能严格保证各个胀瓣是在径向方向上进行，加工后的筒体圆度好；又能减小行进阻力，保证胀形的顺利进行。

(4)本发明型箍包括两个半环形的左支和右支，左支和右支的一端通过销钉铰接，两个自由端通过锁扣调整和紧固；锁扣可将套在待加工筒体外的型箍锁紧，防止胀型过程中型箍胀开，影响热成型。

锁扣包括卡扣和卡钩，卡钩挂入卡扣内后锁紧固定；卡扣和卡钩底部各一体连接一个长椭圆形旋转固定部，旋转固定部两端开设螺纹孔；型箍两个自由端各开设一个长方形安装孔，安装孔两侧各开设一个螺纹孔，卡扣和卡钩的旋转固定部可先***安装孔后垂直旋转90°后，待旋转固定部的螺纹孔和安装孔两侧的螺纹孔重合后，螺栓拧紧固定，完成安装，拆装方便。

(5)本发明滚轮的侧面竖直方向加工成条状凸纹，所述驱动凸轮的凸齿和过渡区侧面竖直方向加工成条状凹槽，所述凸纹和凹槽形状和位置相互匹配，可以增加胀形时滚轮与驱动凸轮之间的摩擦力，防止打滑，保证滚轮与驱动凸轮之间的紧密咬合，提升胀瓣推动效果。

附图说明

图1为现有技术中加工缺陷示意图；

图2为筒形件内凹R型面加工的理想效果示意图；

图3为本发明驱动凸轮结构示意图；

图4为本发明胀瓣分层结构示意图；

图5为本发明型箍架结构示意图；

图6为本发明待加工筒体安装俯视图；

图7为本发明型箍整体结构示意图；

图8为本发明型箍安装孔结构示意图；

图9为本发明卡扣和卡钩结构示意图；

图10为本发明卡扣和卡钩与型箍旋转安装示意图；

图11为本发明驱动凸轮推动胀瓣沿滑道运动行程示意图。

图中，1—驱动凸轮；2—滚轮座；3—滚轮；4—胀瓣；5—型箍；6—凸齿；7—转轴；8—U型本体；9—轴；10—陡部；11—缓部；12—型面；13—待加工筒体；14—过渡区；15—凸纹；16—凹槽；17—锁扣；18—销钉；19—左支；20—右支；21—卡扣；22—卡钩；23—安装孔；24—螺纹孔；25—旋转固定部；26—滑道；27—垂直锁紧结构；28—U型锁条；29—竖直结构；30—水平结构；31—卡合柱；32—水平通孔；33—竖直通孔；34—限位块；35—定位螺杆；36—内凹部；37—压力传感器；38—型箍架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。

图2为筒形件内凹R型面加工的理想效果示意图，图3为本发明驱动凸轮结构示意图，图4为本发明胀瓣4分层结构示意图，图5为本发明型箍架结构示意图，图6为本发明待加工筒体安装俯视图，图7为本发明型箍整体结构示意图，图8为本发明型箍安装孔结构示意图，如图所示：

本发明钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具，包括驱动凸轮1、滚轮座2、胀瓣4和型箍，所述型箍的膨胀系数比待加工筒体13材料的膨胀系数小；

所述驱动凸轮1圆周上对称、均匀分布凸齿6，相邻两个凸齿6之间的连接处为弧形内凹的过渡区14，过渡区14包括一体连接的曲率较小的陡部10和曲率较大的缓部11，陡部10和缓部11之间圆润过渡；所述驱动凸轮1的中心通过转轴、锥副齿轮连接电机的输出端；

所述滚轮座2的位置与驱动凸轮1的凸齿6对应，滚轮座2包括U型本体8，U型本体8包括上下各一个自由端，上自由端末端加工成圆弧形状，上下自由端的中部竖直方向开孔，孔内***并固定滚轮3的轴两端，滚轮3滚动过程中可与驱动凸轮1凸齿6和过渡区14侧面紧密抵接；

所述胀瓣4为分层结构，各层自由端的型面形状不同，通过螺钉在竖直方向上拧紧固定，通过竖直方向的叠加确定待加工的型面；所述滚轮座2的封闭端与所述胀瓣4中部的分层结构固定连接；所述胀瓣4的底部沿径向方向安装滑道26，胀瓣4可沿滑道26滑行；

所述型箍包括两个半环形的左支19和右支20，左支19和右支20的一端通过销钉18铰接，两个自由端通过锁扣17调整和紧固；

所述型箍套在待加工筒体13的侧壁外，驱动凸轮1与待加工筒体13同心，通过过渡区14或凸齿6推动滚轮3，从而均匀推动胀瓣4沿径向方向向外。

所述凸齿6的个数为12-20个。

所述胀瓣4和待加工筒体13之间安装压力传感器37，压力传感器37向计算机反馈信号，由计算机控制电机旋转角度，带动驱动凸轮1旋转相应角度，从而调整滚轮在凸齿6或过渡区14上的位置，进而调整胀瓣4沿径向方向向外推动待加工筒体13侧壁的行程。

所述U型本体8两个自由端的长度超出滚轮3，并且高度略高于驱动凸轮1的厚度，驱动凸轮1可以伸入U型本体8两个自由端之间与滚轮3的侧面抵接。

所述滚轮3的侧面竖直方向加工成条状凸纹15，所述驱动凸轮1的凸齿6和过渡区14侧面竖直方向加工成条状凹槽16，所述凸纹15和凹槽16形状和位置相互匹配。

图9为本发明卡扣和卡钩结构示意图，图10为本发明卡扣和卡钩与型箍旋转安装示意图，如图所示：锁扣17包括卡扣21和卡钩22，卡钩22挂入卡扣21内后锁紧固定；卡扣21和卡钩22底部各一体连接一个长椭圆形旋转固定部25，旋转固定部25长轴两端开设螺纹孔24，且旋转固定部25长轴方向与左支19和右支20的张弛方向一致；型箍5两个自由端各开设一个长方形安装孔23，安装孔23两侧各开设一个螺纹孔24，卡扣21和卡钩22的旋转固定部25可先***安装孔23后垂直旋转90°后，待旋转固定部25的螺纹孔和安装孔23两侧的螺纹孔重合后，螺栓拧紧固定，完成安装。

所述卡扣21包括垂直锁紧结构27和U型锁条28，所述垂直锁紧结构27包括一体成型且互相垂直的竖直结构29和水平结构30，水平结构30内部平行开设两个水平通孔32，竖直结构29内部对应开设两个竖直通孔33，竖直通孔33与水平通孔32垂直连通；U型锁条的两个自由端上均匀排布卡合柱31，通过水平通孔32可移动插接在水平结构30内，所述U型锁条28的两个自由端的末端固定连接限位块34；还包括定位螺杆35，定位螺杆35底部加工成圆柱形内凹部，其形状与卡合柱31相匹配，定位螺杆35可通过竖直通孔33拧入后与水平结构中的U型锁条28的卡合柱31卡紧。

本发明的钛合金薄壁筒形件弧形凹面的热胀形模具工作时，具体包括如下步骤：

(1)安装

先将各个胀瓣4收回模具中心，置于驱动凸轮1的外周，然后将待加工筒体13套在胀瓣4外周，再将型箍5套在待加工筒体13外侧，通过锁扣17锁紧型箍5，通过型箍架38置于待加工成内凹R型面的位置，以上作为零件和工装整体；

(2)热成型

将上述组装好的零件和工装整体放置于热成型炉内，先调整炉内温度至750℃，然后开启电机，通过胀瓣4和待加工筒体13之间安装的压力传感器37向计算机反馈信号，由计算机控制电机旋转角度，带动驱动凸轮1旋转相应角度，从而调整滚轮3的位置在过渡区的陡部、过渡区的缓部或凸齿6上，如图11所示，如图进而调整胀瓣4沿径向方向向外推动待加工筒体13侧壁的行程d(0≤d≤D)，保温750℃持续时间2h；

(3)冷却

加工成型后，停止加热，在热成型炉内吹入氩气冷却至室温，然后取出零件和工装整体；

(4)拆卸取件

先打开型箍的锁扣，取下型箍，移走型箍架，然后将各个胀瓣收回模具中心，取下加工成型的筒体。