大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具及坡口成型方法与流程

1.本发明属于金属材料机械加工制造技术领域，具体涉及大型曲面构件机械加工成型方法。


背景技术：

2.钛合金具有优异的综合性能和耐海水腐蚀性能，是最适合制造深海作业装备的金属材料之一。
3.钛合金厚壁外压、高压设备球形封头由于其成型精度要求高、最终球形容器外径、内径、壁厚精度要求高，且表面状态要求高，以满足设备在深海高压状态的使用需求。同时鉴于钛合金原材料价格高昂，球形封头瓜瓣的内外表面余量需要精确控制，进而需要对瓜瓣的成型和瓜瓣纵缝坡口加工精度进行精确控制，以实现瓜瓣轮廓尺寸和坡口形状尺寸、角度等的精确控制。
4.钛合金化学活性高，热导性差，硬度大，加工过程中刀具温度急剧升高，造成刀具切削面磨损，且在加工过程中易与空气中活性介质反应，造成表面氧化变硬，加速刀具磨损或崩刃。鉴于以上因素以及钛合金球形封头瓜瓣零件的压制成型、热处理定型结果存在一定的形位、尺寸偏差，且瓜瓣零件为空间结构，在机加工前的装夹、定位、余量分配等方面均存在很大的技术难度，对大型数控加工设备依赖性强，加工过程基准定位难度大，工件容易发生颤动，对刀具及人员技能要求高，加工效率低。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以快速实现瓜瓣构件的精确装夹及基准定位、便于高效精确加工的大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具。
6.为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
7.大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具，包括上层外加强环、下层外加强环和底层加强座，所述上层外加强环、下层外加强环和底层加强座分别呈水平设置，所述上层外加强环、下层外加强环和底层加强座的直径逐渐缩小而形成球形结构；
8.所述上层外加强环的内侧对应设置有上层内加强环，所述下层外加强环的内侧对应设置有下层内加强环；所述上层外加强环与上层内加强环之间、所述下层外加强环与下层内加强环之间形成用于装夹多个瓜瓣构件的球形间隙；
9.所述上层外加强环上设置有若干组上层外限位块，所述上层内加强环上设置有与所述上层外限位块对应的上层压紧装置；所述下层外加强环上设置有若干组下层外限位块，所述下层内加强环上设置有与所述下层外限位块对应的下层压紧装置；
10.所述上层外加强环、下层外加强环和底层加强座之间连接有若干弧状的垂向加强筋，所述垂向加强筋上设置有若干垂向限位块；所述下层外加强环与下层内加强环之间的间隙处、所述底层加强座上分别安装有与瓜瓣构件端面相对应的位置调整装置。
11.作为优选的技术方案，所述上层压紧装置或下层压紧装置包括压紧支座，所述压
紧支座上安装有压紧螺栓。
12.作为优选的技术方案，所述位置调整装置包括调整支座，所述调整支座上安装有调整螺栓。
13.本发明还提供了利用以上所述模具的大型厚壁钛合金球形瓜瓣坡口成型方法，包括如下步骤：
14.s1、瓜瓣构件压制成型后，对瓜瓣构件进行形状检测及位置基准线刻划；
15.s2、利用以上所述的大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具对瓜瓣构件进行定位及固定；
16.s3、将模具及固定好的瓜瓣构件整体移至车床，校正瓜瓣构件中心与机床回转同心，并调整瓜瓣构件刻划线水平作为平面基准，将瓜瓣构件及模具固定；
17.s4、车加工上层外加强环和上层内加强环处的瓜瓣构件的内径、外径作为径向基准，车加工上层压紧装置处的瓜瓣构件的上端面作为水平面基准，确认加工基准满足目标要求后，车加工坡口成型。
18.作为优选的技术方案，步骤s1中，采用三维扫描、全站仪对瓜瓣构件进行外形尺寸采集，并对形状进行分析，掌握瓜瓣的实际形状，为后续定位提供依据。
19.作为优选的技术方案，步骤s1中，模拟瓜瓣构件实际安装空间位置，采用划线仪和测量仪对瓜瓣构件的宽度、最大外径线进行刻划。
20.作为优选的技术方案，步骤s2中，瓜瓣构件的定位及固定方法如下：
21.s21、将准备好的瓜瓣构件放入模具的球形间隙中，并通过模具的各层加强环和垂向加强筋进行粗定位；
22.s22、通过位置调整装置调整瓜瓣构件的待加工面基准线水平；
23.s23、通过调整上层外限位块、下层外限位块及垂向限位块对瓜瓣构件所在的中心圆进行精调；
24.s24、通过上层压紧装置和下层压紧装置将瓜瓣构件与模具压实固定。
25.由于采用上述技术方案，本发明具有至少以下有益效果：
26.(1)大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具结构设计独特，采用仿形设计，上层外加强环与上层内加强环之间、下层外加强环与下层内加强环之间形成用于装夹多个瓜瓣构件的球形间隙，将瓜瓣构件放入模具的球形间隙中，可以通过模具的各层加强环和垂向加强筋进行粗定位，通过位置调整装置便于调整瓜瓣构件的待加工面基准线水平，通过调整上层外限位块、下层外限位块及垂向限位块可以对瓜瓣构件所在的中心圆进行精调；通过上层压紧装置和下层压紧装置将瓜瓣构件与模具压实固定，通过该装夹模具一次可以实现对多片瓜瓣构件的精准定位与加工。对于批量化同规格瓜瓣构件的加工定位便捷，加工效率提升明显，便于大型厚壁钛合金球形瓜瓣构件的纵缝坡口高效、高精度机加工。
27.(2)通过该模具降低了对机床的功能需求，降低了制造成本；通过该模具降低了对大型数控机床的依赖，可以采用更常见的车床实现，可适宜更大、更厚、更重的瓜瓣经线处的坡口加工，加工过程基准定位可靠，工件不易发生颤动，保证了工件的加工精度，降低了对刀具和人员的要求。
28.(3)通过上层外限位块、下层外限位块及垂向限位块的调整实现瓜瓣中心圆的精准定位，使其具有一定调整余度，有效降低了瓜瓣外形误差对加工的影响，采用上述方法成
型后的钛合金瓜瓣坡口，可以实现球壳半径误差不大于1mm、钝边宽度不大于0.2mm、钝边最大组对错边不大于0.5mm、钝边最大组对间隙不大于0.5mm，大大提高了加工质量和效率。
附图说明
29.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
30.图1是本发明实施例中大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具的结构示意图；
31.图2是图1中i处的局部放大图；
32.图3是本发明实施例中大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具的另一视角的结构示意图；
33.图4是利用本发明实施例中装夹模具对瓜瓣构件进行定位和固定时的结构示意图；
34.图5是通过各个上层外限位块、下层外限位块及垂向限位块对瓜瓣构件所在的中心圆进行精调的状态参考图；
35.图6是图5中ii处(加工成型后的坡口)的局部放大图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
37.如图1至图3所示，大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具，包括上层外加强环1、下层外加强环2和底层加强座3，所述上层外加强环1、下层外加强环2和底层加强座3分别呈水平设置，所述上层外加强环1、下层外加强环2和底层加强座3的直径逐渐缩小而形成球形结构；
38.所述上层外加强环1的内侧对应设置有上层内加强环4，所述下层外加强环2的内侧对应设置有下层内加强环5；所述上层外加强环1与上层内加强环4之间、所述下层外加强环2与下层内加强环5之间形成用于装夹多个瓜瓣构件6的球形间隙；参考图4，本实施例中，以装夹4片相同规格的瓜瓣构件6为例进行示意。
39.所述上层外加强环1上设置有与瓜瓣构件对应的四组上层外限位块7，所述上层内加强环4上设置有与所述上层外限位块7对应的上层压紧装置8；所述下层外加强环2上设置有与瓜瓣构件对应的四组下层外限位块9，所述下层内加强环5上设置有与所述下层外限位块9对应的下层压紧装置10；
40.所述上层外加强环1、下层外加强环2和底层加强座3之间连接有若干弧状的垂向加强筋11，所述垂向加强筋11上设置有若干垂向限位块12；所述下层外加强环2与下层内加强环5之间的间隙处、所述底层加强座3上分别安装有与瓜瓣构件经线端面相对应的位置调整装置13。
41.参考图2，所述上层压紧装置8包括固定于上层内加强环4上的压紧支座81，所述压紧支座81上安装有压紧螺栓82，旋转压紧螺栓82可以压紧或松开瓜瓣构件6。下层压紧装置10的结构与上层压紧装置相同，在此不再进行赘述。
42.参考图4和图5，所述位置调整装置13包括调整支座131，所述调整支座131上安装有调整螺栓132，旋转调整螺栓132可以微调瓜瓣构件位置，以保证刻划基准线的位置符合要求。
43.大型厚壁钛合金球形瓜瓣坡口成型方法，包括如下步骤：
44.s1、瓜瓣构件压制成型后，对瓜瓣构件进行形状检测及位置基准线刻划；具体方法如下：
45.s11、采用三维扫描、全站仪对瓜瓣构件进行外形尺寸采集，并对形状进行分析，掌握瓜瓣的实际形状，为后续定位提供依据；
46.s12、模拟瓜瓣构件实际安装空间位置，采用划线仪和测量仪对瓜瓣构件的宽度、最大外径线进行刻划；
47.s2、利用大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具对瓜瓣构件进行定位及固定；瓜瓣构件的定位及固定方法如下：
48.s21、参考图4，将四片瓜瓣构件6同时放入模具的球形间隙中，并通过模具的各层加强环和垂向加强筋进行粗定位；
49.s22、参考图4和图5，通过位置调整装置13调整瓜瓣构件6的待加工面基准线至水平位置；
50.s23、通过调整各个上层外限位块7、下层外限位块9及垂向限位块12对瓜瓣构件6所在的中心圆进行精调，调整瓜瓣姿态最佳(保证实际安装位置后瓜瓣的余量均匀)；
51.s24、通过上层压紧装置8和下层压紧装置10将瓜瓣构件6与模具压实固定。
52.s3、将模具及固定好的瓜瓣构件整体移至车床，校正瓜瓣构件中心与机床回转同心，并调整瓜瓣构件刻划线水平作为平面基准，将瓜瓣构件及模具固定在车床上；
53.s4、车加工上层外加强环1和上层内加强环4处的瓜瓣构件的内径、外径作为径向基准，车加工上层压紧装置8处的瓜瓣构件的上端面作为水平面基准，确认加工基准满足目标要求后，车加工坡口成型。
54.参考图6，采用上述方法成型后的钛合金瓜瓣坡口，可以实现球壳半径误差不大于1mm、钝边宽度不大于0.2mm、钝边最大组对错边不大于0.5mm、钝边最大组对间隙不大于0.5mm，大大提高了加工质量和效率。
55.综上所述，本发明在装夹思路、工装设计、加工基准选择等多方面进行了创新，大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具结构设计独特，通过该装夹模具一次可以实现对多片瓜瓣构件的精准定位与加工，降低了对机床的功能需求；通过该模具降低了对大型数控机床的依赖，可以采用更常见的车床实现，可适宜更大、更厚、更重的瓜瓣经线处的坡口加工，加工过程基准定位可靠，工件不易发生颤动，保证了工件的加工精度，降低了对刀具和人员的要求。
56.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域内的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具，其特征在于：包括上层外加强环、下层外加强环和底层加强座，所述上层外加强环、下层外加强环和底层加强座分别呈水平设置，所述上层外加强环、下层外加强环和底层加强座的直径逐渐缩小而形成球形结构；所述上层外加强环的内侧对应设置有上层内加强环，所述下层外加强环的内侧对应设置有下层内加强环；所述上层外加强环与上层内加强环之间、所述下层外加强环与下层内加强环之间形成用于装夹多个瓜瓣构件的球形间隙；所述上层外加强环上设置有若干组上层外限位块，所述上层内加强环上设置有与所述上层外限位块对应的上层压紧装置；所述下层外加强环上设置有若干组下层外限位块，所述下层内加强环上设置有与所述下层外限位块对应的下层压紧装置；所述上层外加强环、下层外加强环和底层加强座之间连接有若干弧状的垂向加强筋，所述垂向加强筋上设置有若干垂向限位块；所述下层外加强环与下层内加强环之间的间隙处、所述底层加强座上分别安装有与瓜瓣构件端面相对应的位置调整装置。2.如权利要求1所述的大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具，其特征在于：所述上层压紧装置或下层压紧装置包括压紧支座，所述压紧支座上安装有压紧螺栓。3.如权利要求1所述的大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具，其特征在于：所述位置调整装置包括调整支座，所述调整支座上安装有调整螺栓。4.大型厚壁钛合金球形瓜瓣坡口成型方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、瓜瓣构件压制成型后，对瓜瓣构件进行形状检测及位置基准线刻划；s2、利用权利要求1所述的大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具对瓜瓣构件进行定位及固定；s3、将模具及固定好的瓜瓣构件整体移至车床，校正瓜瓣构件中心与机床回转同心，并调整瓜瓣构件刻划线水平作为平面基准，将瓜瓣构件及模具固定；s4、车加工上层外加强环和上层内加强环处的瓜瓣构件的内径、外径作为径向基准，车加工上层压紧装置处的瓜瓣构件的上端面作为水平面基准，确认加工基准满足目标要求后，车加工坡口成型。5.如权利要求4所述的坡口成型方法，其特征在于：步骤s1中，采用三维扫描、全站仪对瓜瓣构件进行外形尺寸采集，并对形状进行分析，掌握瓜瓣的实际形状，为后续定位提供依据。6.如权利要求4所述的坡口成型方法，其特征在于：步骤s1中，模拟瓜瓣构件实际安装空间位置，采用划线仪和测量仪对瓜瓣构件的宽度、最大外径线进行刻划。7.如权利要求4所述的坡口成型方法，其特征在于：步骤s2中，瓜瓣构件的定位及固定方法如下：s21、将准备好的瓜瓣构件放入模具的球形间隙中，并通过模具的各层加强环和垂向加强筋进行粗定位；s22、通过位置调整装置调整瓜瓣构件的待加工面基准线水平；s23、通过调整上层外限位块、下层外限位块及垂向限位块对瓜瓣构件所在的中心圆进行精调；s24、通过上层压紧装置和下层压紧装置将瓜瓣构件与模具压实固定。

技术总结
本发明属于金属材料机械加工技术领域，具体涉及一种大型厚壁钛合金球形瓜瓣装夹模具及坡口成型方法。模具包括水平设置的上层外加强环、下层外加强环和底层加强座，上层外加强环、下层外加强环和底层加强座的直径逐渐缩小而呈球形结构；上层外加强环的内侧设置有上层内加强环，下层外加强环的内侧设置有下层内加强环；上层外加强环、下层外加强环上分别设置有外限位块；上层外加强环、下层外加强环和底层加强座之间连接有垂向加强筋，垂向加强筋上设置有垂向限位块。通过该模具一次可以实现对多片瓜瓣构件的精准定位，降低了对大型数控机床的依赖，加工过程基准定位可靠，工件不易发生颤动，保证了工件的加工精度。保证了工件的加工精度。保证了工件的加工精度。


技术研发人员：刘鸿彦 史从俊 于翔宇 李成全 赵红远 张争光 周果 王菲 杨英
受保护的技术使用者：南京宝色股份公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/7