鈦合金對接帶板成形工藝研究

謝洪志 劉金玲

摘 要：鈦合金材料因其優(yōu)良的性能，在飛機設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，本文針對某型飛機結(jié)構(gòu)中典型的鈦合金帶板，對零件的成形難點進行分析，開展精準成形工藝研究與工藝方案設(shè)計，采用了數(shù)控銑切與熱成形相結(jié)合的工藝方法，并通過制造數(shù)據(jù)集協(xié)調(diào)定位基準一致，保證了零件定位準確度，最終通過調(diào)整熱成形工藝參數(shù)，減少零件成形回彈，實現(xiàn)了鈦合金變厚度零件的精確成形。

關(guān)鍵詞：鈦合金；對接帶板；變厚度截面；熱成形

大量采用先進鈦合金材料及其應(yīng)用技術(shù)，提高鈦合金用量，是新一代飛機的顯著標志之一，可大幅度提高結(jié)構(gòu)減重效果和安全可靠性。鈦合金材料被廣泛需求的同時，鈦合金的難切削性和常溫時的低塑性又極大的限制了零件的結(jié)構(gòu)，尤其是具有復(fù)雜曲面變厚度鈦合金零件加工起來十分困難，加工成本高、周期長，質(zhì)量不穩(wěn)定。

本文通過選取典型的鈦合金變厚度帶板零件，將鈦合金的數(shù)控銑切與鈑金成形進行有效的結(jié)合，摸索出鈦合金變厚度零件制造的新工藝，降低了加工成本，縮短了生產(chǎn)周期，且產(chǎn)品質(zhì)量更為穩(wěn)定，具有極大的推廣應(yīng)用意義。

1 工藝分析

該零件是典型的鈦合金變厚度零件，最大厚度7.0mm，最小厚度3.5mm，零件外形為雙曲度弧面，具有機加成形與鈑金成形的雙重特征，就成形方法而言，可以采用數(shù)控銑切成形法、鈑金彎曲—數(shù)控銑切成形法及數(shù)控銑切—鈑金成形法。

1.1 數(shù)控銑切成形法

選取能夠包絡(luò)零件最大外廓尺寸鈦合金厚板，采用五坐標數(shù)控機床對零件上下曲面采用行切加工，該成形法需要機加切削的去除量大，加工時間長，而且零件為鈦合金TC4材料，該材料導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高，切削加工時刀尖處溫度升高較快，容易造成刀具磨損而影響切割質(zhì)量。同時，由于該零件為蒙皮結(jié)構(gòu)，剛性較弱，加工時零件易變形，壁厚不容易保證，加工后需要通過專用的穩(wěn)定熱處理夾具對零件外形進行校正，增加了制造成本及周期。

1.2 鈑金彎曲—數(shù)控（化學(xué)）銑切成形

選取厚板毛坯，通過鈑金工藝將毛坯進行預(yù)成形，而后進行數(shù)控銑切成形，該成形方法可以減少數(shù)控銑切時材料的去除量，降低數(shù)控加工時間，但由于零件結(jié)構(gòu)限制，零件數(shù)控加工后同樣存在變形問題，而且鈑金成形毛料后加工基準發(fā)生變化，數(shù)控加工時存在定位基準無法準確的確定，影響加工精度。

1.3 數(shù)控銑切—鈑金成形

該成形方法是通過數(shù)控銑切的方法加工出零件的展開外形及下陷臺階，而后通過鈑金工藝進行彎曲成形，零件最終外形通過模具保證，可以減少零件成形后的變形，提高零件型面精度，但由于零件在展開狀態(tài)下成形，外形及下陷臺階在鈑金成形時容易定位不準確而產(chǎn)生偏差，影響零件成形精度。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，為減少數(shù)控銑切的變形量，縮短零件制造周期及降低制造費用，綜合三種成形工藝的利弊，初步確定采用數(shù)控銑切—鈑金成形的工藝方法成形零件。

2 工藝方案

鈦合金對接帶板設(shè)計選用 TC4材料，屬于高強度鈦合金，該材料常溫下塑性較差，成形極為困難，而TC4在650℃～800℃范圍時具有很好的塑性，因此在數(shù)控銑切展開外形后，通過等溫加熱工藝實現(xiàn)零件的最終成形。等溫加熱成形是將模具放在熱成形機中加熱，待模具溫度達到工藝要求時，將零件按毛料放入模具中保溫，待溫度均勻后合模，保溫保壓，等溫加熱成形具有以下優(yōu)點：

1）模具溫度均勻，零件加熱溫度均勻，材料均勻流動，不易產(chǎn)生開裂及皺折；

2）加熱后材料塑性提高，變形抗力降低，對設(shè)備及模具損傷小；

3）保溫的溫度、時間與退火的溫度、時間接近，所以成形后零件無殘余應(yīng)力，貼胎度好；

4）成形溫度受控均勻，沒有晶粒長大等材質(zhì)變化的可能性，同時表面產(chǎn)生均勻的低溫氧化，后續(xù)表面處理容易去除氧化皮；

5）無需進行真空退火消除應(yīng)力，大大降低成本，提高效率。

3 技術(shù)難點

采用數(shù)控銑切—鈑金彎曲成形工藝進行對接帶板成形，極大的降低了數(shù)控銑切難度和切削量，零件外形通過等溫加熱成形在模具上進行保證，由于對接帶板零件為變厚度截面，且是在展開狀態(tài)下進行成形，對于等溫加熱成形具有如下技術(shù)難點：

3.1 缺少工藝參數(shù)

等溫加熱成形通常僅成形鈦合金薄板零件，厚度在3.5mm以下，對接帶板零件最大厚度達到7.0mm，超出常規(guī)的等溫加熱成形范圍，生產(chǎn)中無成熟的工藝參數(shù)，等溫加熱成形所需的壓力、時間等工藝參數(shù)不確定，需要重新摸索參數(shù)。

3.2 零件定位困難

等溫加熱成形由于是在高溫下成形，工人操作不方便，無法準確定位，一般在零件邊緣增加余量，通過擋銷控制毛料的大概位置即可，成形后再進行余量的去除，而對接帶板零件由于是在數(shù)控銑切展開外形的凈尺寸狀態(tài)下進行等溫加熱成形時，如何保證零件定位準確，決定了零件的最終成形精度。

3.3 模具合模間隙要求高

對接帶板零件厚度有7.0mm、5.0mm、3.5mm多種規(guī)格，整個帶板上存在多處的階差，對模具制造間隙的均勻提出更高要求，間隙不均勻容易造成帶板所受壓力不均勻，影響零件最終成形質(zhì)量。

4 解決措施

針對采用數(shù)控銑切—鈑金彎曲成形工藝方法進行對接帶板成形的技術(shù)難點，進行工藝分析，制定如下措施：

4.1摸索工藝參數(shù)

選取TC4-7.0的鈦板作為試驗件摸索零件熱成形參數(shù)，選取幾組工藝參數(shù)，見表1。

對成形后的試驗件進行貼胎度、表面質(zhì)量進行比較，選用參數(shù)1、2、3成形的試驗件貼胎度分別為1.2mm、0.8mm、0.15mm，可以明顯的看出選用工藝參數(shù)3的試驗件具有很好的貼胎度，能夠滿足零件成形需求，最后選定工藝參數(shù)3作為零件的成形參數(shù)。

4.2 保證零件高溫下定位精度

帶板的定位困難主要是由于高溫下工人可操作時間段和操作不方便，為保證高溫下工人操作的方便性，將零件的定位方式設(shè)計為長圓孔形，這種方式結(jié)合了擋銷的操作方便與套銷定位精準的特點，即在方便操作的前提下又保證了定位精度。

具體方法是在帶板弧度小的方向增加2-φ8的長圓孔，長圓孔通過制造數(shù)據(jù)集與展開數(shù)據(jù)集協(xié)調(diào)一致，零件數(shù)控銑切展開外形時按展開數(shù)據(jù)集在零件耳片上加工出長圓孔，熱成形模具上按制造數(shù)據(jù)集在長圓孔位置設(shè)計有相同大小的錐形定位銷，通過錐形定位銷與長圓孔保證零件定位精度，定位長圓孔如圖2。

4.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于零件厚度不一致，存在階梯式的變厚度，對模具的合模間隙提出很高要求，考慮到模具制造及帶板零件銑切時的公差，為有效保證模具間隙的均勻性，在模具進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對應(yīng)零件上的階梯位置處在模具上開躲避，如圖3，模具與零件的階梯位置開2mm大小的躲避槽，有效的避免了零件與模具、上模與下模的干涉，提高了合模精度，有利于零件的成形。

5 結(jié)論

通過選擇合理的熱成形工藝參數(shù)，控制零件高溫定位精度及優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過等溫加熱成形工藝實現(xiàn)了鈦合金對接帶板零件的加工制造，零件成形后的精度能夠保證貼胎度小于0.3mm，完全滿足設(shè)計要求。

對接帶板零件的制造，是數(shù)控銑切—鈑金成形工藝方法的成功應(yīng)用，該方法充分利用了鈦合金高溫下具有良好的塑性這一特點，減少了對接帶板的數(shù)控銑切切削量，極大的降低了制造成本，縮短了制造周期，為鈦合金變厚蒙皮零件的制造提供了一種全新工藝方法，提高了公司在鈦合金材料制造方面的技術(shù)水平，具有極大的推廣意義。

參考文獻：

[1] 航空制造工程手冊（飛機鈑金工藝）.航空工業(yè)出版社，1992.

[2] 先進航空鈦合金材料與應(yīng)用.國防工業(yè)出版社，2012.