本發(fā)明涉及一種熱等靜壓粉末冶金薄壁構(gòu)件的壁厚均勻性控制工裝及方法，特別是針對近凈成形制備時的壁厚控制，屬于薄壁構(gòu)件的成形的工藝技術(shù)領(lǐng)域，所述的薄壁是指壁厚為0.3-5mm。

背景技術(shù)：

薄壁結(jié)構(gòu)件在導(dǎo)彈的彈體結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機(jī)外涵、噴管等有廣泛應(yīng)用。為滿足型號輕質(zhì)化和高剛度的要求，該類構(gòu)件通常設(shè)計為薄壁+筋條結(jié)構(gòu)，壁厚最薄可達(dá)1mm，表面分布有縱橫交錯的筋條，如圖1所示。由于上述特點(diǎn)，傳統(tǒng)的機(jī)加工、焊接、鑄造工藝難以實現(xiàn)該類構(gòu)件的成形，存在周期長、費(fèi)用高和變形量大等問題。

熱等靜壓粉末冶金工藝能夠在熱等靜壓過程中實現(xiàn)該類構(gòu)件的整體成形，具有效率高、變形小、材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，是該類構(gòu)件的常用制備方法。其工藝步驟為：包套組裝定位后，將粉末充填進(jìn)包套型腔中(結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示)，隨后通過熱等靜壓工藝實現(xiàn)材料致密和構(gòu)件的成形。目前，該技術(shù)已經(jīng)在型號中廣泛應(yīng)用，但實際應(yīng)用也暴露出壁厚控制困難，存在壁厚均勻性差的問題，具體表現(xiàn)為周向的局部偏薄和軸向中部的局部增厚，如圖3a和圖3b所示。這一問題極大影響了構(gòu)件的成形質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。

壁厚均勻性問題的根源是粉末在包套型腔中難以均勻分布，其原因包括兩個方面：首先是包套外壁組裝定位時，由于裝配誤差、焊接變形所導(dǎo)致的型腔內(nèi)局部尺寸偏?。黄浯问怯捎诎淄獗谠谡饎舆^程中由于剛度降低所導(dǎo)致的中部“鼓肚”現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在非回轉(zhuǎn)體類構(gòu)件中非常明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱等靜壓粉末冶金薄壁構(gòu)件的壁厚均勻性控制工裝及方法，用于薄壁構(gòu)件的熱等靜壓成形，該方法能夠解決該類構(gòu)件成形過程中壁厚控制困難，壁厚均勻性差的問題，實現(xiàn)壁厚的均勻性控制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種熱等靜壓粉末冶金薄壁構(gòu)件的壁厚均勻性控制工裝，該控制工裝包括包套內(nèi)芯、包套壁、上端蓋、下端蓋、上限位鑲塊、下限位鑲塊和外支撐；

包套內(nèi)芯裝配在包套壁的中心，在包套內(nèi)芯和包套壁之間有上限位鑲塊和下限位鑲塊，上限位鑲塊和下限位鑲塊用于使包套內(nèi)芯和包套壁同心；外支撐通過氬弧焊點(diǎn)焊的方式固定焊接在包套壁的外表面；上端蓋位于上限位鑲塊的上方，上端蓋與包套內(nèi)芯的外表面以及包套壁的內(nèi)表面通過焊接進(jìn)行連接；下端蓋位于下限位鑲塊的下方，下端蓋與包套內(nèi)芯的外表面以及包套壁的內(nèi)表面通過焊接進(jìn)行連接；

所述的包套內(nèi)芯與包套壁之間的空隙用于填充待成形粉末，包套內(nèi)芯與包套壁之間的距離不小于待成形薄壁構(gòu)件的壁厚；

所述的上限位鑲塊的最頂端距離包套內(nèi)芯的最頂端的距離不小于5mm，下限位鑲塊的最底端距離包套內(nèi)芯的最底端的距離不小于5mm；

所述的上限位鑲塊為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，上限位鑲塊的內(nèi)表面與包套內(nèi)芯的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；上限位鑲塊的外表面與包套壁的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；上限位鑲塊的厚度h₁不小于50mm；上限位鑲塊的外側(cè)下緣有倒角θ₁，θ₁角范圍為15°～30°；倒角后的上限位鑲塊外側(cè)與包套壁相配合部分h₂的尺寸不小于40mm；

上限位鑲塊上分布有粉末填充孔，孔徑不小于3mm；

所述的下限位鑲塊為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，下限位鑲塊的內(nèi)表面與包套內(nèi)芯的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；下限位鑲塊的外表面與包套壁的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；下限位鑲塊的厚度h₃不小于50mm；下限位鑲塊的外側(cè)上緣有錐角θ₂，θ₂角范圍為15°～30°；倒角后的上限位鑲塊外側(cè)與包套壁相配合部分h₄的尺寸為不小于40mm；

所述的外支撐包括縱向筋和環(huán)向筋，環(huán)向筋的數(shù)量不少于兩條，環(huán)向筋的間距不大于200mm，環(huán)向筋的內(nèi)表面與包套壁的外表面相匹配且通過點(diǎn)焊的方式固定連接，焊點(diǎn)之間的距離大于100mm，小于300mm，嚴(yán)禁滿焊；縱向筋之間的間距不大于200mm，縱向筋數(shù)量不小于3條，每條縱向筋與所有的環(huán)向筋均通過焊接的方式固定連接，縱向筋與包套壁的外表面相匹配且通過點(diǎn)焊的方式固定連接，焊點(diǎn)之間的距離大于100mm，小于300mm，嚴(yán)禁滿焊。

一種熱等靜壓粉末冶金薄壁構(gòu)件的壁厚均勻性控制方法，步驟為：

(1)對包套壁及包套內(nèi)芯進(jìn)行潔凈化處理，然后將包套壁套裝在包套內(nèi)芯外面；

(2)將上限位鑲塊鑲嵌固定在包套內(nèi)芯與包套壁之間，安裝上端蓋，但不焊接；

(3)將步驟(2)得到的產(chǎn)品進(jìn)行翻轉(zhuǎn)180°，使步驟(2)得到產(chǎn)品的上端蓋朝下；

(4)將下限位鑲塊鑲嵌固定在包套內(nèi)芯與包套壁之間，安裝下端蓋，并將下端蓋與包套內(nèi)芯及包套壁焊接在一起；

(5)將外支撐點(diǎn)焊在包套壁的外表面；

(6)將步驟(5)得到的產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)180°，使步驟(5)得到的產(chǎn)品的上端蓋朝上；

(7)將上端蓋取下，通過上限位鑲塊的粉末填充孔，充填粉末，充滿后將上端蓋與包套內(nèi)芯和包套壁進(jìn)行焊接連接；

(8)對步驟(7)得到的產(chǎn)品進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓處理后，外支撐與包套壁進(jìn)行分離，待后續(xù)重復(fù)利用；所述的熱等靜壓處理條件為：溫度為材料熔點(diǎn)的0.7～0.9倍，時間為4-6h，壓力為不小于110MPa；

(9)對步驟(8)熱等靜壓處理后且沒有外支撐的產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械加工和電化學(xué)處理去除包套內(nèi)芯和包套壁，得到壁厚均勻的薄壁構(gòu)件。

有益效果

(1)本發(fā)明的工裝通過在包套內(nèi)芯設(shè)置恰當(dāng)?shù)闹喂ぱb，即上限位鑲塊和下限位鑲塊，防止包套內(nèi)芯和包套壁在裝配過程及焊接過程中的不同心現(xiàn)象，解決了裝粉空間不一致所帶來的壁厚偏差問題；

(2)本發(fā)明的工裝通過在包套壁設(shè)置加強(qiáng)用網(wǎng)狀工裝，即外支撐，防止包套壁在粉末充填、加熱過程中失穩(wěn)所導(dǎo)致的局部“鼓肚”現(xiàn)象；

(3)本發(fā)明的工裝中的上限位鑲塊和下限位鑲塊，通過設(shè)置錐角，解決了與包套壁之間的裝配定位問題；通過設(shè)置較大的厚度，保障了較好的導(dǎo)向和組裝定位；

(4)本發(fā)明的工裝中的外支撐，采用點(diǎn)焊的方式實現(xiàn)外支撐與包套壁的連接固定，能夠保證室溫下的有效連接；當(dāng)對粉末進(jìn)行熱等靜壓處理時，粉末在高溫高壓下發(fā)生收縮后，也能夠?qū)崿F(xiàn)外支撐和包套壁的分離，保障粉末收縮的進(jìn)行；

(5)本發(fā)明的控制方法，通過先組裝上端蓋、上限位鑲塊，翻轉(zhuǎn)180°再組裝下端蓋、下限位鑲塊，再翻轉(zhuǎn)180°后組裝外支撐工裝的順序，既有利于保障較高的生產(chǎn)效率，又能夠保障較好的裝配精度；

(6)本發(fā)明的控制方法，通過先焊接下端蓋、再焊接上端蓋的操作順序，有利于保障控制產(chǎn)品軸向方向的裝配精度。

(7)本發(fā)明的控制方法，通過外支撐工裝與包套壁點(diǎn)焊，外支撐工裝的筋條之間允許滿焊的方式，既保障了工裝良好的支撐效果，又能夠在熱等靜壓過程中保障收縮變形的進(jìn)行，保障了產(chǎn)品的尺寸精度。

(8)薄壁結(jié)構(gòu)件在導(dǎo)彈的彈體結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機(jī)外涵、噴管等有廣泛應(yīng)用。熱等靜壓粉末冶金工藝可實現(xiàn)該類構(gòu)件的制備，但實際應(yīng)用中存在壁厚均勻度較低、偏差較大的問題，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率較低。本發(fā)明設(shè)計了恰當(dāng)?shù)谋诤窬鶆蛐钥刂乒に?，從包套型腔的?nèi)腔控制、外壁外形控制以及組裝工序方面進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了良好的壁厚尺寸控制，達(dá)到了防止產(chǎn)品變形的目的。

附圖說明

圖1為薄壁構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的包套結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a為薄壁構(gòu)件壁厚不均現(xiàn)象中周向的局部偏薄的示意圖；

圖3b為薄壁構(gòu)件壁厚不均現(xiàn)象中軸向中部的局部增厚的示意圖；

圖4為本發(fā)明的工裝的結(jié)構(gòu)示意圖(沒有包括外支撐)；

圖5為本發(fā)明的外支撐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為上限位鑲塊的剖視圖；

圖7為上限位鑲塊的俯視圖；

圖8為下限位鑲塊的剖視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

針對該類構(gòu)件壁厚均勻性較差的問題，分別從包套型腔內(nèi)部和型腔外部進(jìn)行控制粉末充填控制。

1、內(nèi)部維形用限位鑲塊

在型腔內(nèi)部，包套壁2和包套內(nèi)芯1之間設(shè)置帶有斜面的鑲塊。鑲塊與外壁和內(nèi)芯為緊密配合，配合間隙為0～0.05mm，鑲塊所用材質(zhì)與包套內(nèi)芯1一致。

2、外部維形用支撐工裝

在包套外側(cè)設(shè)計網(wǎng)格狀加強(qiáng)工裝，工裝內(nèi)型面與包套外壁的理論型面緊密貼合，配合間隙為0～0.05mm。工裝所用材質(zhì)與包套外壁相一致，通過焊接或機(jī)械連接的方式將工裝與包套外壁固定在一起。

3、該類構(gòu)件的粉末充填及包套封裝工藝方法

工藝實施過程中，遵循“裝配內(nèi)鑲塊，焊接下端端蓋，配裝外支撐7工裝，充填粉末，最后焊接上端端蓋”的操作順序。

實施例

一種熱等靜壓粉末冶金薄壁構(gòu)件的壁厚均勻性控制工裝，該控制工裝包括包套內(nèi)芯1、包套壁2、上端蓋3、下端蓋4、上限位鑲塊5、下限位鑲塊6和外支撐7，如圖4和圖5所示；

所述的包套內(nèi)芯1為柱形，其橫截面為橢圓，橢圓的長軸800mm，短軸200mm,高400mm；

所述的包套內(nèi)芯1與包套壁2之間的空隙用于填充待成形粉末，包套內(nèi)芯1與包套壁2之間的距離不小于待成形薄壁構(gòu)件的壁厚；

所述的上限位鑲塊5為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，剖視圖如圖6所示。上限位鑲塊5的內(nèi)表面與包套內(nèi)芯1的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；上限位鑲塊5的外表面與包套壁2的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；上限位鑲塊5的厚度h1不小于50mm；上限位鑲塊5的外側(cè)下緣有倒角θ₁，θ₁角范圍為15°～30°；倒角后的上限位鑲塊5外側(cè)與包套壁2相配合部分h2的尺寸為不小于40mm；

所述的上限位鑲塊5的最頂端距離包套內(nèi)芯1的最頂端的距離為8mm，下限位鑲塊6的最底端距離包套內(nèi)芯1的最底端的距離為8mm；上限位鑲塊5的內(nèi)表面與包套內(nèi)芯1的外表面配合，配合間隙為0.03mm；上限位鑲塊5的外表面與包套壁2的外表面配合，配合間隙為0.03mm；上限位鑲塊5的厚度h₁為60mm；上限位鑲塊5的外側(cè)下緣錐角θ₁為20°；倒角后的上限位鑲塊5外側(cè)與包套壁2相配合部分h₂的尺寸為50mm；

上限位鑲塊5俯視圖如圖7所示，上限位鑲塊5上分布有粉末填充孔，孔徑不小于5mm；

所述的上限位鑲塊5上粉末填充孔的孔徑為5mm；

所述的下限位鑲塊6為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，剖視圖如圖8所示。下限位鑲塊6的內(nèi)表面與包套內(nèi)芯1的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；下限位鑲塊6的外表面與包套壁2的外表面配合，配合間隙為0～0.05mm；下限位鑲塊6的厚度h3不小于50mm；下限位鑲塊6的外側(cè)上緣有倒角θ2，θ2角范圍為15°～30°；倒角后的上限位鑲塊5外側(cè)與包套壁2相配合部分h4的尺寸為不小于40mm；

所述的下限位鑲塊6內(nèi)表面與包套內(nèi)芯1的外表面配合，配合間隙為0.03mm；下限位鑲塊6的外表面與包套壁2的外表面配合，配合間隙為0.03mm；下限位鑲塊6的厚度h₃為60mm；上限位鑲塊5的外側(cè)下緣錐角θ₂為20°；倒角后的上限位鑲塊5外側(cè)與包套壁2相配合部分h₄的尺寸為50mm；

所述的外支撐7包括縱向筋和環(huán)向筋，環(huán)向筋的數(shù)量不少于兩條，環(huán)向筋的間距不大于200mm，環(huán)向筋的內(nèi)表面與包套壁2的外表面相匹配且通過點(diǎn)焊的方式固定連接，焊點(diǎn)之間的距離大于100mm，小于300mm，嚴(yán)禁滿焊；縱向筋之間的間距不大于200mm，縱向筋數(shù)量不小于3條，每條縱向筋與所有的環(huán)向筋均通過焊接的方式固定連接，縱向筋與包套壁2的外表面相匹配且通過點(diǎn)焊的方式固定連接，焊點(diǎn)之間的距離大于100mm，小于300mm，嚴(yán)禁滿焊。

所述的外支撐7包括縱向筋和環(huán)向筋，環(huán)向筋的數(shù)量為兩條，環(huán)向筋的間距為150mm，環(huán)向筋的內(nèi)表面與包套壁2的外表面相匹配且通過點(diǎn)焊的方式固定連接，焊點(diǎn)之間的距離為100mm，不滿焊；縱向筋之間的間距為150mm，縱向筋數(shù)量為6條，每條縱向筋與所有的環(huán)向筋均通過焊接的方式固定連接，縱向筋與包套壁2的外表面相匹配且通過點(diǎn)焊的方式固定連接，焊點(diǎn)之間的距離為150mm，不滿焊。

一種熱等靜壓粉末冶金薄壁構(gòu)件的壁厚均勻性控制方法，步驟為：

(1)對包套壁2及包套內(nèi)芯1潔凈化處理，所用清洗介質(zhì)為除油劑和無水乙醇，清洗完成后用壓縮空氣吹干，然后將包套壁2套裝在包套內(nèi)芯1外面；

(2)將上限位鑲塊5鑲嵌固定在包套內(nèi)芯1與包套壁2之間，安裝上端蓋3，使得上端蓋3的上沿與包套壁2上沿平齊，但不焊接；

(3)將步驟(2)得到的產(chǎn)品進(jìn)行翻轉(zhuǎn)180°，使步驟(2)得到產(chǎn)品的上端蓋3朝下；

(4)將下限位鑲塊6鑲嵌固定在包套內(nèi)芯1與包套壁2之間，安裝下端蓋4，并將下端蓋4與包套內(nèi)芯1及包套壁2焊接在一起；

(5)將外支撐7點(diǎn)焊在包套壁2的外表面；

(6)將步驟(5)得到的產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)180°，使步驟(5)得到的產(chǎn)品的上端蓋3朝上；

(7)將上端蓋3取下，通過上限位鑲塊5的粉末填充孔，充填粉末，充滿后將上端蓋3與包套內(nèi)芯1和包套壁2進(jìn)行焊接連接；

(8)對步驟(7)得到的產(chǎn)品進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓處理后，外支撐7與包套壁2進(jìn)行分離，待后續(xù)重復(fù)利用；所述的熱等靜壓處理條件為：溫度為850℃，時間為5h，壓力為130MPa。

(9)對步驟(8)熱等靜壓處理后且沒有外支撐7的產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械加工和電化學(xué)處理去除包套內(nèi)芯1和包套壁2，得到壁厚均勻的薄壁構(gòu)件。

得到的薄壁結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)圖3a所示的周向方向壁厚不均的情況，也沒有出現(xiàn)圖3b所示的軸向方向局部偏厚的情況，對得到的薄壁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行尺寸測量結(jié)果表明，產(chǎn)品的壁厚偏差從原先的大于1.5mm降低至小于0.3mm，得到明顯改善。

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