鈦合金負(fù)角度圓框類零件熱沖壓成形工藝研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 張 楨 孟慶磊 孫 賓 張 志

中國人民解放軍駐沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司軍事代表室 董 宇

鈦合金框類零件在航空領(lǐng)域比較常見，多數(shù)屬于飛行器內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)件，加工精度要求較高。根據(jù)截面形狀，框類零件可以分為L形、U形、Z形、Ω形等。其中，對于截面角度小于90°的框類零件一般稱為負(fù)角度（閉斜角）框。由于鈦合金常溫下塑性變形范圍很窄，回彈嚴(yán)重，成形困難，所以鈦合金框類零件加工多采用熱成形[1]。鈦合金框類零件通?？梢圆捎猛拱寄Ｖ苯玉詈系臒岢尚喂に囃瓿杉庸?，對于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的零件則需要分步成形，即預(yù)成形后再進(jìn)行熱校形。負(fù)角度框類鈦合金零件成形難度更大，一般要利用壓床的水平側(cè)壓裝置來輔助完成[2]。目前，國內(nèi)只有小臺面熱成形設(shè)備設(shè)置了側(cè)壓裝置，大尺寸的負(fù)角度框類鈦合金零件只能采用分段成形再焊接為整體的工藝方案，嚴(yán)重降低了零件的工藝性[3]。本文以某負(fù)角度半圓框鈦合金零件為研究對象，提出了一種負(fù)角度圓框類鈦合金零件的熱成形工藝方法，設(shè)計了一套成形模具，可以在無測壓裝置的熱成形設(shè)備上完成零件的整體成形，提高了零件的加工精度。

1 工藝性分析

某負(fù)角度半圓框鈦合金零件外形如圖1所示。材料為Ti-6Al-4V，厚度為1.27mm。該零件外圓直徑達(dá)到1267.8mm，截面夾角為83.40°，厚度要求為1.14mm～1.42mm。

圖1 零件外形尺寸圖Fig.1 Outline dimension drawing of part

該零件尺寸較大，需要選用大臺面熱成形設(shè)備來完成零件成形，但是國內(nèi)大臺面熱成形設(shè)備沒有側(cè)壓裝置，所以負(fù)角的成形存在一定的困難。此外，該零件為半環(huán)形且無焊縫，采用傳統(tǒng)的加側(cè)壓方式很難完成負(fù)角成形。

2 工藝方案制定

根據(jù)零件的工藝特性，本文采用預(yù)成形后再熱校形的兩步成形法[4-5]，除選用大臺面無側(cè)壓裝置的熱成形設(shè)備外，還設(shè)計一套預(yù)成形模與熱校形模，在豎直壓制力的作用下完全通過模具動作完成零件的成形。主要工藝流程：下料→預(yù)成形→外形粗切→熱校形→外形精切。其中，下料毛坯在預(yù)成形模中成形后的零件毛坯形狀為U形半圓框，需通過粗切將其外圈切掉，從U型轉(zhuǎn)變?yōu)長型，再放入熱校形模中進(jìn)行負(fù)角成形。

根據(jù)零件成形特點，預(yù)成形過程屬于U型框的拉深，內(nèi)圈受拉應(yīng)力，外圈受壓應(yīng)力，內(nèi)圈拉伸減薄，外圈收縮變厚，但是因為預(yù)成形后外圈是切掉的部分，因此不予考慮。熱校形主要是負(fù)角的成形，內(nèi)圈繼續(xù)減薄，成形示意圖如圖2所示。根據(jù)零件最終尺寸確定毛坯內(nèi)徑為540mm，外徑為680mm的半圓環(huán)坯。

毛坯在成形前后變化區(qū)域展開均為扇形，如圖3所示，其中陰影部分面積是成形前后發(fā)生變化的區(qū)域。根據(jù)變形前后總體積不變理論：

因此，成形后零件厚度由1.27mm減薄至1.22mm，滿足設(shè)計對于最小厚度1.14mm的要求，說明該工藝方案在理論上是可行的。

3 模具設(shè)計

預(yù)成形過程屬于傳統(tǒng)的U型框零件拉深成形。預(yù)成形模具由凸模、凹模、托料板組成，如圖4所示。采用托料板頂料，毛坯通過定位銷定位，凸凹模耦合成形即可，零件置于凸模和托料板之間。

校形過程為負(fù)角度翻邊折彎成形。熱校形模具的設(shè)計方案是將豎直壓制力轉(zhuǎn)換為橫向壓制力，從而代替熱成形設(shè)備的側(cè)壓裝置[5]，模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。成形前需將托料板頂起，將L型零件毛坯置于托料板和凹模之間，隨即落下，壓緊零件；成形時，靠凸模型面保證零件翻邊的負(fù)角成形，保壓時間結(jié)束后，托料板頂起，取出零件。

圖2 零件成形示意圖Fig.2 Forming diagram of the part

圖3 零件成形前后變化區(qū)域示意圖Fig.3 Changing regions before and after forming of the part

4 試驗結(jié)果分析

熱成形設(shè)備選擇四柱式帶頂出機構(gòu)的RX-400熱壓成形機，臺面尺寸為2000 mm×1500mm，如圖6所示。

通過工藝試驗，在成形溫度650℃～750℃、壓制力（65±5）MPa、保溫保壓5min的工藝條件下，可以得到符合設(shè)計要求的零件。采用超聲波測厚儀測量零件內(nèi)圈壁厚，選取5個測量點（均布，間隔30°），測量結(jié)果如表1所示，滿足厚度要求。成形后的零件如圖7所示。

圖4 預(yù)成形模具結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of pre-forming die structure

圖5 熱校形模具結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of hot sizing die structure

圖6 RX-400熱壓成形機Fig.6 RX-400 hot pressing forming machine

表1 壁厚測量結(jié)果

圖7 成形后零件Fig.7 Parts after forming

對工藝試驗中獲得零件進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)部分零件存在底面不平的問題。預(yù)成形時，零件底面的壓緊力主要為設(shè)備壓制直接作用力，作用力較大，底面不會發(fā)生不平的問題。熱校形過程中，零件底面的壓緊力為設(shè)備壓制間接作用力與托料板的自重共同作用，當(dāng)壓制力較低時設(shè)備壓制間接作用力較小，托料板的自重不足以將零件底面壓平，容易發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生翹曲。

由此，熱校形時壓制力在保證負(fù)角成形的同時，還要足以防止托料板和凹模之間的零件底面失穩(wěn)，不能過小。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合鈦合金負(fù)角度半圓框零件的預(yù)成形再熱校形的工藝方案，完成了模具的創(chuàng)新式設(shè)計，實現(xiàn)了由豎直壓制力到水平壓制力的轉(zhuǎn)換，打破了大臺面熱成形設(shè)備無側(cè)壓裝置的限制。

（2）采用大臺面無側(cè)壓裝置RX-400熱壓成形機，利用板材熱沖壓工藝，加工出了符合設(shè)計要求的鈦合金負(fù)角度半圓框零件，該工藝方法對于鈦合金負(fù)角度圓框類零件的成形具有實踐性的指導(dǎo)意義。

[1]理有親．鈦板沖壓成形技術(shù)．北京：國防工業(yè)出版社．1986.

[2]李鵬亮．鈦合金熱成形模具. 航空制造技術(shù)，2012(21)：94-97.

[3]林堯．TC4鈦合金框類零件熱擠壓數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化.宇航材料工藝，2010(3)：26-29.

[4]陳淳,陸辰,張東升.航空發(fā)動機鈦合金板材熱成形加工技術(shù)//2008年中國航空學(xué)會制造工程分會學(xué)術(shù)會議論文集.2008.

[5]蔣駿．鈦合金零件制造技術(shù)．北京：國防工業(yè)出版社，1991.