一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置及加工方法

1.本发明涉及材料旋压领域，特别涉及一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置及加工方法。


背景技术：

2.镍基合金是一种常用的材料,广泛的应用于航空、核工业、能源以及电力等领域,针对镍基合金薄壁筒形零部件，目前的成形方式有：板材卷焊成形和旋压成形。通过板材卷焊成形工艺制造的镍基合金筒形件焊缝处易产生气孔、夹杂等缺陷，极大地影响构件的综合性能。旋压成形是利用旋轮进给运动，加压于构件使其产生连续局部塑性变形的近净精密塑性成形技术；由于镍基合金具有变形抗力大、合金化程度高和回弹程度较大等特点，在传统的旋压成形过程中，镍基合金筒形件易产生鼓包、起皮等成形缺陷，晶粒组织难以均匀细化和第二相难以均匀分布等微观组织调控难点，极大地限制了构件性能的提升。
3.现有技术中,在制作镍基合金筒形件时需要满足其表面质量及成形精度的要求；另一方面需要尽可能的简化生产工艺、提高生产效率、降低生产成本，以有利于工业生产；对于镍基合金的热成形，其加热方式及成形质量控制难度较大；而采用拉深成形，其壁厚均匀性无法保证。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置及加工方法，其目的是为了解决大径厚比镍合金筒形件旋压过程中壁厚均匀性无法保证，而且容易产生成形缺陷问题的问题。
5.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置，包括：
6.卡盘,夹持有芯模，所述芯模为圆筒状，所述芯模用以套设圆筒体毛坯；
7.第一激光加热机构,环设在所述芯模外缘，用以对圆筒体毛坯的外表面进行加热和挤压,所述激光加热机构包括超声波发生器,所述超声波发生器电性连接有超声波换能器,所述超声波换能器还连接有变幅杆,所述变幅杆远离超声波换能器的一端套设有用于挤压的旋轮,所述变幅杆靠近旋轮的端部设置有用于加热的第一激光喷头；
8.第二激光加热机构,设置在所述芯模内,并且从芯模的内表面方向进行加热。
9.优选的，所述第一激光加热机构至少设置有三个，各所述旋轮在芯模的轴向和径向上错距布置。
10.优选的，所述第二激光加热机构包括第二激光喷头和激光加热器支座，三个所述第二激光喷头通过激光加热器支座设置在所述芯模的内部。
11.优选的，所述第一激光加热机构还包括第一联轴器和第二联轴器，所述第一联轴器一端连接有轴承，另一端连接所述超声波换能器，所述轴承的另一端连接所述的变幅杆，所述变幅杆的另一端与所述第二联轴器连接，所述第二联轴器另一端连接有用于安装旋轮
和第一激光喷头的连杆。
12.本技术还提供了一种大径厚比镍合金筒形件加工方法，包括如下步骤：
13.s1.制作圆筒体毛坯，并将圆筒体毛坯套设在芯模上；
14.s2.安装第二激光加热机构至芯模的内部，在圆筒体的外缘环设第一激光加热机构；
15.s3.根据圆筒体毛坯所需的旋压成形温度设置第一激光喷头和第二激光喷头的温度，对圆筒体毛坯和芯模进行加热；
16.s4.启动旋压机和超声波发生器，旋压机沿芯模的轴向方向移动；
17.s5.重复步骤s3-s4直至圆筒体毛坯完成旋压成为筒形件。
18.优选的，所述步骤s1中，圆筒体毛坯由板材卷曲成筒形，并且通过搅拌摩擦焊和电脉冲焊接的复合方式形成。
19.优选的，所述电脉冲焊接中需要设置脉冲电流频率、方根电流密度和峰值电流密度，其中脉冲电流频率为60hz～150hz，方根电流密度为10a/mm2～30a/mm2，峰值电流密度为200a/mm2～400a/mm2。
20.优选的，所述搅拌摩擦焊中需要设置焊接速度、搅拌头的旋转速度，其中所述焊接速度为20mm/min～400mm/min；搅拌头的旋转速度500r/min～2500r/min。
21.优选的，所述步骤s3中第一激光喷头和第二激光喷头的功率为50w～500w，单个激光光斑直径为2mm～20mm。
22.优选的，所述步骤s4中超声波发生器的振幅为2μm～100μm，超声频率10khz～50khz。
23.本发明的上述方案有如下的有益效果：
24.本技术中引入超声波的振动强化可移动错位增殖/迁移,改善了旋轮与圆筒体毛坯的摩擦行为,能够抑制成形缺陷的产生,进一步的提升了加工后的圆筒体筒形件的表面质量和成形精度,而且在热-力-超声振动复合物理场的作用下,也可以提高材料的成形极限和组织性能。
附图说明
25.图1是大径厚比镍合金筒形件旋压装置的俯视图；
26.图2是第二激光加热机构的纵向示意图。
27.1-卡盘、2-芯模、21-止动环、3-第一激光加热机构、31-超声波发生器、32-超声波换能器、33-变幅杆、34-旋轮、35-第一激光喷头、36-第一联轴器、37第二联轴器、38-轴承、4-第二激光加热机构、41-第二激光喷头、42-激光加热器支座。
具体实施方式
28.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
29.如图1和2所示，本发明的实施例提供了一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置,包括卡盘1,卡盘1设置在旋压机上,卡盘1上夹持有芯模2,芯模2为圆筒状,在芯模2靠近卡盘1的一侧还设置有止动环21,止动环21过盈配合的安装在芯模2上，芯模2用于套装圆筒体毛
坯。止动环21不但可以限制圆筒体毛坯与芯模2的相对位置，还具有阻止圆筒体毛坯在径向上跳动的作用，本技术还包括第一激光加热机构3，第一激光加热机构3环设在芯模2的外缘。第一激光加热机构3包括超声波发生器31，超声波发生器31电性连接有超声波换能器32，超声波换能器32还连接有变幅杆33，变幅杆33中远离超声波换能器32的一端套设有用于加压的旋轮34，在变幅杆33靠近旋轮34的一端还设置有第一激光喷头35。
30.在本技术中，超声波发生器31产生高频振动，并且通过超声波换能器32和变幅杆33将振动传递至旋轮34上，使得旋轮34通过高频次的对圆筒体毛坯进行振打，结合上第一激光喷头35对圆筒体毛坯进行加热，使得圆筒体毛坯的被加热区域内逐点挤压，晶粒阻止均匀细化，残余第二相弥散细化。超声振动强化可移动位错增殖/迁移，改善旋轮34与旋压件表面的摩擦行为，抑制成形缺陷的产生，极大地提升加工后的筒形件表面质量与成形精度，热-力-超声振动复合物理场成形区域内动态回复和动态再结晶等机制，细化晶粒组织，提升加工后的筒形件的成形极限和组织性能。
31.本技术还包括第二激光加热机构4，第二激光加热机构4包括第二激光喷头41和激光加热器支座42，第二激光加热机构4深入到芯模2内，自内向外进行加热。
32.通过增设第二激光加热机构4，可以降低圆筒体毛坯通过芯模2热传递导致的材料径向温度不均匀而产生的圆筒体毛坯微观组织的不均匀性，进一步的保证了圆筒体毛坯成形精度和综合性能，又能减少后续的热处理工序，起到了节省成本的作用。
33.进一步的，为了保证第一激光加热机构3的加热和振打效果，本技术的第一激光加热机构3设置有三个，三个第一激光加热机构3在芯模2的颈项上和轴向上错距布置，保证加工过程中的均匀性。具体的，三个第一激光加热机构3呈120
°
夹角布置在芯模2的周向，而且各个第一激光加热机构3距离止动环21的距离不相同。相应的，第二激光喷头41也设置有三个，并且保证第一激光喷头35和第二激光喷头41同时对同一个区域进行加热。
34.第一激光加热机构3还包括第一联轴器36和第二联轴器37，第一联轴器36的一端连接有轴承38，另一端连接前述的超声波换能器32，轴承38的另一端连接前述的变幅杆33，变幅杆33的另一端连接有第二联轴器37，第二联轴器37的另一端连接有用于安装旋轮34和第一激光喷头35的连杆。
35.第一激光加热机构3通过第一联轴器36和第二联轴器37用于传递动力，并且可以通过第一联轴器36和第二联轴器37的使用，传递和改变连杆的振幅，保证旋轮34具有不同的振幅，以适应不同的振打要求。
36.基于前述的热-力-超声振动复合物理场的思路，本技术还提供了一种大径厚比镍合金筒形件加工方法，包括如下步骤，
37.s1依据设计结构的需要制作圆筒体毛坯，并将圆筒体毛坯套设在芯模2上；
38.s2，在圆筒体毛坯的外缘设置第一激光加热机构3，安装第二激光加热机构4至芯模2的内部，保证第一激光喷头35和第二激光喷头41加热的区域相同；
39.s3根据圆筒体毛坯所需的旋压成形温度设置为第一激光喷头35和第二激光喷头41的温度，对圆筒体毛坯芯模2进行加热；
40.s4启动旋压机和超声波发生器31，并驱动旋压机沿芯模2方向同步移动。
41.s5重复步骤s3-s4，直至圆筒体毛坯被旋压成为筒形件。
42.在步骤s1中，圆筒体毛坯由镍合金板材卷曲成形，并且通过搅拌摩擦焊和电脉冲
焊接的复合方式焊接，采用搅拌摩擦焊复合电脉冲形成的圆筒体毛坯，可以降低焊缝处材料变形抗力，优化微观组织，进一步的抑制气孔、夹杂的缺陷产生，为后续提高筒形件的成形精度和综合性能做好准备。
43.在前述的步骤s1中，根据设计结构需要，由体积不变原理制成板材。
44.在步骤s1中，电脉冲焊中脉冲电流频率为60hz～150hz，方根电流密度为10a/mm2～30a/mm2，峰值电流密度为200a/mm2～400a/mm2。搅拌摩擦焊中焊接速度为20mm/min～400mm/min；搅拌头的旋转速度500r/mm～2500r/mm。
45.进一步的，步骤s3中第一激光喷头35和第二激光喷头41的功率为50w～500w，单个激光光斑直径为2mm～20mm。步骤s4中超声波发生器31的振幅为2μm～100μm，超声频率10khz～50khz。
46.本技术还提供了两个实施例，其中实施例1为：
47.1.材料为镍基合金hastelloy c276材料，要求加工后的筒形件壁厚t＝0.45mm、外径d＝200mm、高度l＝600mm，基于体积不变原则，通过理论分析，选取haynes c276板料厚度t0＝3.5mm、宽度w0＝80mm、长度l＝630mm。
48.2.利用通过搅拌摩擦焊和电脉冲焊接的复合方式焊接将hastelloy c276板料焊接成圆筒体毛坯，其中，选取脉冲电流频率为100hz，方根电流密度为15a/mm2,峰值电流密度为250a/mm2；选取搅拌摩擦焊接参数为：焊接速度为：30mm/min，搅拌头的旋转速度1000r/min。
49.3.将圆筒体毛坯装置到芯模2上，并将圆筒体毛坯接触旋轮34，第一激光加热机构3、第二激光加热机构4分别布置在圆筒体毛坯外侧以及芯模2内侧；打开第一激光加热机构3、第二激光加热机构4对毛坯和芯模2内壁进行加热，选取激光功率为100w，单个激光光斑直径为5mm，将温度加热到850℃。
50.4.开启超声振动发生器，选取超声振动发生器参数为：超声振幅为10μm、超声频率为20khz；开启旋压机，选取旋压进给比为0.6mm/r、轴向错距量为2.5mm，主轴转速n＝100r/min，采取三道次减薄，道次减薄率分别为33％、35％、32％；通过旋轮34对圆筒体毛坯加热区域逐点挤压，晶粒组织均匀细化，残余第二相弥散细化。
51.5.每道次结束后，重复2、3和4步骤直至镍基合金hastelloy c276筒形件旋压成形完成，即可获得满足成形精度和组织性能要求的大径厚比薄壁hastelloy c276筒形件。
52.实施例2
53.1.材料为镍基合金hastelloy c276材料，要求加工后的圆筒体毛坯壁厚t＝0.8m、外径d＝150mm、长度l＝550mm，基于体积不变原则，结合理论分析，选取haynes c276板料厚度t0＝3.0mm、宽度w0＝73mm、长度l＝472mm。
54.2.利用通过搅拌摩擦焊和电脉冲焊接的复合方式焊接将hastelloy c276板料焊接成圆筒体毛坯，选取脉冲电流频率为110hz，方根电流密度为16a/mm2,峰值电流密度为250a/mm2；选取搅拌摩擦焊接参数为：焊接速度为：25mm/min，搅拌头的旋转速度1500r/min。
55.3.将圆筒体毛坯装置到芯模2上，并将圆筒体毛坯接触旋轮34，第一激光加热机构3、第二激光加热机构4分别布置在圆筒体毛坯外侧以及芯模2内侧；打开第一激光加热机构3、第二激光加热机构4对圆筒体毛坯和芯模2内壁进行加热，选取激光功率为100w，单个激
光光斑直径为5mm，将温度加热到850℃。
56.4.开启超声振动发生器，选取超声振动发生器参数为：超声振幅为10μm、超声频率为20khz；开启旋压机，选取旋压进给比为0.8mm/r、轴向错距量为2.5mm，主轴转速n＝100r/min，采取三道次减薄，道次减薄率分别为30％、35％、35％；通过旋轮34对圆筒体毛坯加热区域逐点挤压，晶粒组织均匀细化，残余第二相弥散细化。
57.5.每道次结束后，重复2、3和4步骤直至镍基合金hastelloy c276筒形件旋压成形完成，即可获得满足成形精度和组织性能要求的大径厚比薄壁hastelloy c276筒形件。
58.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置，其特征在于,包括:卡盘(1)，夹持有芯模(2)，所述芯模(2)为圆筒状，所述芯模(2)用以套设圆筒体毛坯；第一激光加热机构(3),环设在所述芯模(2)外缘，用以对圆筒体毛坯的外表面进行加热和挤压,所述激光加热机构包括超声波发生器(31),所述超声波发生器(31)电性连接有超声波换能器(32),所述超声波换能器(32)还连接有变幅杆(33),所述变幅杆(33)远离超声波换能器(32)的一端套设有用于挤压的旋轮(34),所述变幅杆(33)靠近旋轮(34)的端部设置有用于加热的第一激光喷头(35)；第二激光加热机构(4),设置在所述芯模(2)内,并且从芯模(2)的内表面方向进行加热。2.根据权利要求1所述的大径厚比镍合金筒形件旋压装置，其特征在于：所述第一激光加热机构(3)至少设置有三个，各所述旋轮(34)在芯模(2)的轴向和径向上错距布置。3.根据权利要求2所述的大径厚比镍合金筒形件旋压装置，其特征在于：所述第二激光加热机构(4)包括第二激光喷头(41)和激光加热器支座(42)，三个所述第二激光喷头(41)通过激光加热器支座(42)设置在所述芯模(2)的内部。4.根据权利要求1所述的大径厚比镍合金筒形件旋压装置，其特征在于：所述第一激光加热机构(3)还包括第一联轴器(36)和第二联轴器(37)，所述第一联轴器(36)一端连接有轴承(38)，另一端连接所述超声波换能器(32)，所述轴承(38)的另一端连接所述的变幅杆(33)，所述变幅杆(33)的另一端与所述第二联轴器(37)连接，所述第二联轴器(37)另一端连接有用于安装旋轮(34)和第一激光喷头(35)的连杆。5.一种大径厚比镍合金筒形件加工方法，采用权利要求1-4任意一项所述的大径厚比镍合金筒形件旋压装置，其特征在于：s1.制作圆筒体毛坯，并将圆筒体毛坯套设在芯模(2)上；s2.安装第二激光加热机构(4)至芯模(2)的内部，在圆筒体的外缘环设第一激光加热机构(3)；s3.根据圆筒体毛坯所需的旋压成形温度设置第一激光喷头(35)和第二激光喷头(41)的温度，对圆筒体毛坯和芯模进行加热；s4.启动旋压机和超声波发生器(31)，旋压机沿芯模(2)的轴向方向移动；s5.重复步骤s3-s4直至圆筒体毛坯完成旋压成为筒形件。6.根据权利要求5所述的大径厚比镍合金筒形件加工方法，其特征在于：所述步骤s1中，圆筒体毛坯由板材卷曲成筒形，并且通过搅拌摩擦焊和电脉冲焊接的复合方式形成。7.根据权利要求6所述的大径厚比镍合金筒形件加工方法，其特征在于：所述电脉冲焊接中需要设置脉冲电流频率、方根电流密度和峰值电流密度，其中脉冲电流频率为60hz～150hz，方根电流密度为10a/mm2～30a/mm2，峰值电流密度为200a/mm2～400a/mm2。8.根据权利要求7所述的大径厚比镍合金筒形件加工方法，其特征在于：所述搅拌摩擦焊中需要设置焊接速度、搅拌头的旋转速度，其中所述焊接速度为20mm/min～400mm/min；搅拌头的旋转速度500r/min～2500r/min。9.根据权利要求5所述的大径厚比镍合金筒形件加工方法，其特征在于：所述步骤s3中第一激光喷头(35)和第二激光喷头(41)的功率为50w～500w，单个激光光斑直径为2mm～20mm。
10.根据权利要求5所述的大径厚比镍合金筒形件加工方法，其特征在于：所述步骤s4中超声波发生器(31)的振幅为2μm～100μm，超声频率10khz～50khz。

技术总结
本发明提供了一种大径厚比镍合金筒形件旋压装置及加工方法，涉及材料旋压领域，包括：卡盘,夹持有芯模，芯模为圆筒状，芯模用以套设圆筒体毛坯；第一激光加热机构,环设在芯模外缘，用以对圆筒体毛坯的外表面进行加热和挤压,激光加热机构包括超声波发生器,超声波发生器电性连接有超声波换能器,超声波换能器还连接有变幅杆,变幅杆远离超声波换能器的一端套设有用于挤压的旋轮,变幅杆靠近旋轮的端部设置有用于加热的第一激光喷头；第二激光加热机构,设置在芯模内,并且从芯模的内表面方向进行加热，本申请中引入超声波的振动强化可移动错位增殖/迁移,改善了旋轮与圆筒体毛坯的摩擦行为,能够抑制成形缺陷的产生。摩擦行为,能够抑制成形缺陷的产生。摩擦行为,能够抑制成形缺陷的产生。


技术研发人员：何道广 谢晗 蔺永诚 晏鑫滔 陈世冰
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/3/8