航天用TC4鈦合金球形封頭成型工藝分析

劉釗+張成+崔愛(ài)斌+趙斌

摘 要：本文通過(guò)理論分析及試驗(yàn)的方法確定了航天用高精度TC4球形封頭的成型工藝，該工藝過(guò)程主要包括沖壓成型及表面精加工兩部分。采用板材成型的方法，制定了特殊的沖壓工藝，解決了薄壁球形封頭成型過(guò)程中起皺及開(kāi)裂問(wèn)題，最終通過(guò)制定特有的數(shù)控車(chē)加工工藝對(duì)內(nèi)外壁進(jìn)行加工，保證了形狀尺寸及表面粗糙度。該工藝過(guò)程既可滿(mǎn)足航天用球形封頭重量、尺寸及表面質(zhì)量的要求，又采用了薄壁板坯成型的方法，大大降低了加工成本。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；薄壁球形封頭；成型工藝；數(shù)控車(chē)加工工藝

中圖分類(lèi)號(hào)： TG379 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）23-149-2

0 引言

TC4（Ti6Al4V）鈦合金以其較高的耐腐蝕性、較高的質(zhì)量性能因子而被廣泛作為航空航天壓力容器的制造材料。球形封頭是航天壓力容器中的主要承壓部件，其加工精度要求較高，主要集中在壁厚均勻性及重量控制方面。為了達(dá)到航天用TC4球形封頭的要求。本文主要從成型及精加工兩方面進(jìn)行分析，采用了特有的板材沖壓成型方法，及數(shù)控加工內(nèi)外表面，確保了壁厚均勻性及重量要求。

1 TC4球形封頭沖壓成型過(guò)程

薄壁半球形零件屬于典型的沖壓件，在配套模具的作用下，由平面板料經(jīng)過(guò)塑性變形而成，成型過(guò)程中主要問(wèn)題表現(xiàn)為起皺和破裂兩個(gè)方面。成型過(guò)程如圖1所示，通過(guò)凸模的下壓過(guò)程，對(duì)板料施加壓力，在凹模的約束下，最終形成半球形封頭。

1.1 TC4球形封頭沖壓成型缺陷分析

TC4鈦合金是一種強(qiáng)度較高的α-β型兩相合金，該合金擁有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用。

由于重量的高要求，封頭均為薄壁尺寸，所以成型過(guò)程易出現(xiàn)起皺與破裂問(wèn)題。其中一部分板料未與凹凸模表面接觸，呈現(xiàn)無(wú)約束懸空狀態(tài)，易發(fā)生褶皺，稱(chēng)為球面起皺；另一部分位于凹模表面的平面板料，也易發(fā)生褶皺，稱(chēng)為凸緣起皺；隨著起皺的發(fā)生，會(huì)使球面部分板料所受的拉力增大，最終發(fā)生破裂（如圖2所示）。其中引起破裂的另一部分原因?yàn)檩^大的壓邊力，對(duì)于薄壁板材，增大壓邊力會(huì)減小凸緣起皺，但如果對(duì)壓邊力控制不當(dāng)，則容易發(fā)生破裂（如圖3所示）。

球形封頭沖壓成型過(guò)程一直伴隨著板材的塑性變形，通過(guò)監(jiān)測(cè)成型過(guò)程球面不同點(diǎn)的位移，得到了球面形成過(guò)程的塑性變形情況，如圖4所示：

由圖4可得球形封頭的成形過(guò)程，球面各點(diǎn)均發(fā)生了塑性變形，其中從球頂（A點(diǎn)）至球冠（F點(diǎn)）的拉伸形變逐漸增大，球冠處到達(dá)最高點(diǎn)，所以對(duì)于沖壓成型的球形封頭，其球冠處的壁厚減薄量最大。

由于TC4鈦合金的高比強(qiáng)度，其球形封頭必須采用熱成型的方式，由圖4可得成型過(guò)程板坯必須具有一定的塑性。薄壁TC4鈦合金球形封頭，根據(jù)公式（1）可得，板材厚度越小，散熱越快，塑性降低的就會(huì)越快，成型過(guò)程易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

t=α·K·D（1）

其中，t——加熱或散熱時(shí)間（min或s）；α——加熱系數(shù)（min/mm或s/mm）；D——工件的有效厚度（mm）；K——裝爐條件修正系數(shù)，通常取1～1.5。

所以TC4鈦合金球形封頭的成型，其板坯必須具有一定的厚度，保證沖壓過(guò)程熱量散失不能過(guò)快。

1.2 TC4球形封頭沖壓成型工藝分析

通過(guò)對(duì)TC4球形封頭成型缺陷的分析，得到了板坯必須具有一定的厚度，這樣既能保證沖壓過(guò)程材料具有一定的塑性，又能防止凸緣起皺的發(fā)生。為了不增加加工成本，盡量選取較薄的板坯，采用上下夾板的方式增加其“厚度”，如圖5所示：

成型后的板坯進(jìn)行沖壓，可看作厚壁板封頭沖壓成型過(guò)程。該過(guò)程由于厚板坯料在位于凹模凸緣處可抵抗較大的平行與板面的壓應(yīng)力，不需要較大的壓邊力，即可防止凸緣起皺的發(fā)生。經(jīng)過(guò)實(shí)踐分析，得到如圖6的工藝流程：

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的成型工藝進(jìn)行沖壓，得到了合格的TC4球形封頭，尺寸合理，可以進(jìn)行數(shù)控車(chē)加工。

2 TC4球形封頭車(chē)加工過(guò)程

成型后的TC4球形封頭，必須經(jīng)過(guò)內(nèi)外表面加工才能滿(mǎn)足航天用球形封頭的標(biāo)準(zhǔn)，一般航天用封頭粗糙度要求高于1.6，封頭的壁厚誤差在0.05mm范圍內(nèi)。由于加工精度較高，必須對(duì)可能產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析，制定合理的車(chē)加工工藝，確保誤差滿(mǎn)足要求。

加工過(guò)程中誤差產(chǎn)生的原因較多，主要有以下幾種：

①加工殘余應(yīng)力的影響：經(jīng)過(guò)熱沖壓成型的球形封頭，其塑性變化較大，隨著溫度的降低，會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，加工過(guò)程中，隨著壁厚的減薄，應(yīng)力會(huì)逐漸釋放，影響到成型后的尺寸精度。

②裝夾受力變形：球形封頭在車(chē)加工前，整體尺寸較薄，在加緊力的作用下，容易發(fā)生變形，直接導(dǎo)致加工基準(zhǔn)發(fā)生變化，最終影響整體尺寸。

③加工振動(dòng)變形：加工過(guò)程中，在切削力的作用下，由于工件壁厚較薄，容易產(chǎn)生振動(dòng)而變形，進(jìn)而影響工件的表面質(zhì)量。

④刀具的影響：TC4鈦合金導(dǎo)熱性差，使用導(dǎo)熱性差的刀具，會(huì)使工件表面產(chǎn)生較大的切削熱，工件受熱后剛性較差，尺寸難于控制。

根據(jù)以上誤差產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的控制措施，確保工件的尺寸精度。

①成型后熱處理。

沖壓成型后的封頭，在去除內(nèi)外夾板之前，進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。熱處理溫度600℃～650℃，保溫1～4h，空冷。熱處理后可減小加工殘余應(yīng)力。

②采取合適的工裝。

封頭車(chē)加工前，首先要確定基準(zhǔn)，整個(gè)加工過(guò)程中，基準(zhǔn)不能發(fā)生變化。可在封頭口部組焊一圓環(huán)作為封頭后期的加工基準(zhǔn)（如圖7所示），車(chē)加工時(shí)直接夾持圓環(huán)，可減少因裝夾力對(duì)封頭尺寸的影響。

③車(chē)加工工藝。

TC4鈦合金的難加工性及壁厚尺寸的限制，要制定合理的車(chē)加工工藝才能達(dá)到航天用球形封頭的精度尺寸。通過(guò)理論與實(shí)踐分析，得到如圖8所示的車(chē)加工工藝流程：

④刀具選擇。

TC4鈦合金的高強(qiáng)度和高硬度特性，對(duì)加工刀具要求具備較高的強(qiáng)度和硬度；熱傳導(dǎo)性較差，切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散失，導(dǎo)致刀具磨損加劇，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量；選擇刀具時(shí)必須考慮以下幾種特性：a刀具材料好的導(dǎo)熱性；b刀具材料較高的韌性；c車(chē)刀的前角與后角的大小。

3 結(jié)論

①TC4鈦合金薄壁球形封頭沖壓成型時(shí)，可通過(guò)組對(duì)上下夾板增加“厚度”的方式減小起皺與破裂問(wèn)題的出現(xiàn)；

②成型后的封頭進(jìn)行數(shù)控車(chē)加工，可組焊一圓環(huán)作為基準(zhǔn)，便于夾持；選擇合適的刀具有利于表面質(zhì)量及尺寸要求；

③TC4鈦合金球形封頭成型必須制定合理的沖壓成型及車(chē)加工工藝，沖壓成型后的熱處理非常必要；合理的車(chē)加工工藝可提高成品合格率。

參 考 文 獻(xiàn)

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