鈦合金薄壁導(dǎo)管數(shù)控加熱彎曲技術(shù)

張冶 中航飛機(jī)股份有限公司

鈦合金薄壁導(dǎo)管數(shù)控加熱彎曲技術(shù)

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鈦合金薄壁導(dǎo)管數(shù)控加熱彎曲技術(shù)是在數(shù)控彎曲的基礎(chǔ)上，考慮被彎曲導(dǎo)管材料在室溫條件下延伸率不夠、應(yīng)變敏感，故通過對(duì)壓力模和柔性芯棒加熱并控制溫度達(dá)到提高導(dǎo)管材料延伸率并降低應(yīng)變敏感來完成彎曲的一門技術(shù)。

大直徑鈦合金導(dǎo)管 加熱數(shù)控彎曲 延伸率 應(yīng)變敏感 熱量輸入 溫度控制

現(xiàn)代民航客機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)用到很多大直徑鈦合金薄壁導(dǎo)管，由于客機(jī)空間的限制，設(shè)計(jì)師不得不設(shè)計(jì)出兩倍或者小于兩倍導(dǎo)管直徑的中心線彎曲半徑的鈦合金薄壁導(dǎo)管零件。這樣就要求材料的延伸率至少達(dá)到30%或者50%，而常用的A40（美國牌號(hào)）鈦合金材料室溫延伸率為20%，而且應(yīng)變敏感；然而，通過查閱資料，該材料在200℃-260℃的溫度時(shí)延伸率能夠達(dá)到40%以上而且應(yīng)變敏感降低。我們在生產(chǎn)MD90客機(jī)的環(huán)境控制導(dǎo)管時(shí)，有一個(gè)導(dǎo)管零件其外徑127毫米、壁厚0.5毫米、中心線彎曲半徑190.5毫米、彎曲角度90°，要成功制造這個(gè)導(dǎo)管零件，必須從以下幾個(gè)方面認(rèn)真考慮并嚴(yán)格執(zhí)行。

1 彎管機(jī)

工廠通過技術(shù)改造引進(jìn)了VB600HP（美國制造最大彎曲導(dǎo)管外徑152.4毫米高性能矢量彎管機(jī)），該機(jī)器帶加熱溫度控制單元（控制精度±5℃），并且C主軸帶循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，防止加熱彎曲時(shí)C主軸變形。彎管機(jī)必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度來保證加熱彎曲過程中模具各個(gè)元件及導(dǎo)管的正確位置度要求。在需求的壓力下，彎曲臂對(duì)于彎曲模的限制在0.04毫米以內(nèi)；在模具打開時(shí)，全部偏移不超過0.127毫米。該數(shù)控彎管機(jī)具有多級(jí)分段彎曲速度控制功能、壓力模壓力控制功能、壓力模助推壓力控制功能、壓力模助推分段壓力控制功能、自動(dòng)切點(diǎn)控制功能、Y軸正面助推壓力控制功能、Y軸正面助推分段壓力控制功能、這些功能對(duì)于彎曲鈦合金薄壁導(dǎo)管至關(guān)重要。

2 彎管模具

因?yàn)樵摿慵诤褚蜃哟螅?27/0.5=254），彎曲半徑小（190.5/127=1.5D）；需要彎曲模（材料選擇Cr5Mo1V，HRC50-55，半圓柱型面不考慮熱膨脹）的夾緊鑲塊長度不小于直徑的3倍即最小381毫米；需要夾緊模（材料選擇Cr5Mo1V，HRC50-55，半圓柱型面不考慮熱膨脹）長度也是不小于直徑的3倍即最小381毫米；需要壓力模（材料選擇Cr5Mo1V，HRC50-55，并且要在靠近彎曲模切點(diǎn)的位置布置電加熱元件和測量溫度的熱電偶）長度也是不小于彎曲模的周長即最小190.5×2×3.14=1196毫米；需要防皺模（材料選擇與導(dǎo)管材料親和性小的鋁青銅）；需要柔性芯棒（依據(jù)導(dǎo)管壁厚失穩(wěn)起皺最小節(jié)距要求至少需要11個(gè)活動(dòng)芯棒，并且芯棒材料選擇與導(dǎo)管材料親和性小的鋁青銅，并且要在靠近彎曲模切點(diǎn)的位置布置電加熱元件和測量溫度的熱電偶）；模具精度要求高(彎曲模、夾緊模、壓力模三者之間精密互鎖，互鎖間隙在0.076與0.101毫米之間；三者的半圓柱型面的對(duì)稱度不大于0.01毫米，并且在彎曲相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中還要必須保存這個(gè)水平)。因?yàn)榧訜釓澢栽O(shè)計(jì)、制造模具時(shí)必須精確計(jì)算需要的電功率和加熱時(shí)間。通常，這個(gè)加熱時(shí)間選定0.5小時(shí)。那么，我們就考慮在0.5小時(shí)內(nèi)加熱到260℃而被彎曲模、夾緊模、壓力模、防皺模、柔性芯棒吸收的熱量，以及彎曲模、夾緊模、壓力模、防皺模、柔性芯棒與彎管機(jī)的熱傳導(dǎo)管損失的熱量，以及彎曲模、夾緊模、壓力模、防皺模、柔性芯棒與空氣對(duì)流損失的熱量，以及彎曲模、夾緊模、壓力模、防皺模、柔性芯棒熱幅射損失的熱量；將這三個(gè)部分求和，再將這個(gè)和乘以1.25后除以0.5小時(shí)就得到需要輸入的電功率。雖然加熱彎曲降低了鈦合金的應(yīng)變敏感性，但是，一個(gè)導(dǎo)管端頭塞插在管口內(nèi)與夾緊模及彎曲模夾緊鑲塊共同作用會(huì)減少導(dǎo)管打滑和縮頸（夾持區(qū)域打滑和縮頸）的發(fā)生。打滑和縮頸的發(fā)生時(shí)，則導(dǎo)管彎曲徹底失敗。圖1為典型的鈦合金薄壁導(dǎo)管加熱彎曲模具。

圖1 典型的鈦合金薄壁導(dǎo)管加熱彎曲模具

3 潤滑材料

因?yàn)榧訜釓澢赃x擇高溫性能好的石墨與二硫化鉬的混合物。該物質(zhì)在鈦合金導(dǎo)管加熱彎曲時(shí)潤滑效果良好，不會(huì)發(fā)生導(dǎo)管材料或者模具材料的粘連和檫傷，清洗會(huì)麻煩一些。

4 操作要求

4.1 模具安裝調(diào)試

首先調(diào)整好芯棒桿中心線位置，使其對(duì)正彎曲模的中心線；其次在芯棒桿上安裝好柔性芯棒；第三在柔性芯棒上套上管料；第四安裝調(diào)整夾緊模，使其夾緊自如、可靠不打滑、松開自如；第五安裝壓力模，使其夾緊自如松開自如；第六安裝防皺模，使其尖盡量靠近彎曲模切點(diǎn)；第七步試驗(yàn)彎曲一個(gè)90度單彎，檢驗(yàn)安裝效果。壓力模壓力在選擇最小情況下使得對(duì)于導(dǎo)管產(chǎn)生的彎曲力矩應(yīng)該等于導(dǎo)管的抗彎曲力矩。最小壓力模助推壓力的產(chǎn)生的效果應(yīng)該使得導(dǎo)管截面應(yīng)力中性層向外側(cè)移動(dòng)X毫米，移動(dòng)的結(jié)果使得【（63.5-X）÷（190.5＋X）】≤0.2，X≥21.1毫米，再根據(jù)這個(gè)21.1毫米推導(dǎo)出壓力模助推壓力（具體計(jì)算方法是：按照新舊的鈦合金薄壁導(dǎo)管截面的應(yīng)力分布計(jì)算出壓應(yīng)力差，再根據(jù)側(cè)推的半個(gè)圓環(huán)面積求出側(cè)推力，最終根據(jù)側(cè)推力求出側(cè)推缸內(nèi)的壓力）。當(dāng)然，這些理論計(jì)算的結(jié)果還要結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行修正，才能達(dá)到最佳效果。彎曲速度在每分鐘0.25轉(zhuǎn)到每分鐘4轉(zhuǎn)。

4.2 正式彎曲鈦合金薄壁導(dǎo)管

首先根據(jù)試驗(yàn)彎曲得到的參考數(shù)據(jù)和模具位置，加熱模具到260℃±5℃，然后將涂好潤滑材料的導(dǎo)管套在柔性芯棒上，等待片刻，開始彎曲得到零件。

5 總結(jié)

成功的大直徑鈦合金薄壁導(dǎo)管加熱彎曲需要好的數(shù)控彎管機(jī)，好的溫度控制系統(tǒng)，好的彎管模具，好的潤滑材料，好的工藝參數(shù)（由好的工藝人員決定），好的模具相對(duì)位置調(diào)整，好的操作工人這些綜合因素，缺一不可。