TC4鈦合金外壓筒體成形工藝分析

劉釗 張成 紀(jì)騰飛 趙斌

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

TC4鈦合金外壓筒體成形工藝分析

劉釗*張成 紀(jì)騰飛 趙斌

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

通過理論和試驗(yàn)的方法對(duì)TC4（Ti6Al4V）鈦合金外壓筒體的成形工藝過程進(jìn)行了分析。采用壓制成形時(shí)需較大的成形力，且成形后回彈大，零件尺寸不易保證。在切削加工時(shí)刀具易磨損，且切削區(qū)散熱慢，易出現(xiàn)變形，影響零件加工精度。通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)所采用的工藝進(jìn)行分析，制定了較為合理的TC4材料外壓圓筒的成形工藝。

鈦合金 外壓筒體 熱壓 車加工 工藝分析 變形

0 引言

TC4（Ti6Al4V）鈦合金板材因其具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、低溫力學(xué)性能好、耐腐蝕等特性，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、艦船等領(lǐng)域，尤其是在深潛器上用于耐壓殼體。鈦合金薄壁板材室溫下具有塑性變形范圍小、回彈嚴(yán)重等特點(diǎn)，故成形較為困難。本文針對(duì)TC4鈦合金板材制備筒形件的沖壓成形、焊接、車加工中的特點(diǎn)，通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)所采用的工藝進(jìn)行分析，制定了較為合理的TC4材料圓筒的成形工藝。

1 TC4板材壓制成形過程理論分析

沖壓成形是指靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的加工成形方法。相對(duì)于卷制成形的方法，沖壓成形具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于小直徑尺寸的筒形件。

沖壓成形采用“UO”成形方法，其主要工藝路線如圖1所示。

圖1 TC4筒體成形工藝路線

TC4鈦合金板材在制備筒形件時(shí)易裂開、回彈嚴(yán)重，且需要較大的成形力。為了改善TC4板材的加工，在沖壓成形過程中增加了工件加熱的工序。加熱后的TC4板材更易成形，減小了工作壓力，且成形后回彈較小。選擇合適的加熱溫度與沖壓力是TC4板材制備筒形件的關(guān)鍵。

假設(shè)成形過程為一理想彈性變形過程，則沖壓力F與彈性模量E有如下關(guān)系：

式中a、b——TC4板材長(zhǎng)度（沖壓長(zhǎng)度）和厚度；

E——彈性模量；

ρ0——中性層彎曲半徑。

彈性模量E與加熱溫度的關(guān)系如表1所示[1]。

表1 TC4鈦合金彈性模量隨溫度變化表

根據(jù)上述沖壓力與彈性模量、彈性模量與溫度的關(guān)系可知，升高溫度，彈性模量將會(huì)降低，進(jìn)而減小成形后的回彈，同樣也降低了沖壓力。

2 TC4外壓筒體成形過程試驗(yàn)分析

TC4鈦合金板材試制外壓圓筒，壓制成形。成形后筒體外徑為240 mm，壁厚6 mm，筒體長(zhǎng)度為1500 mm。投料板材厚度為12 mm，壓制成形后，外徑單邊留3 mm余量，內(nèi)徑單邊留3 mm余量。根據(jù)圖1中所示的工藝路線進(jìn)行加工。

板材下料方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)能力確定。根據(jù)板材厚度情況，可選擇合適的下料方法。壁厚≥10 mm時(shí)宜采用水切割下料；壁厚＜10 mm時(shí)采用剪切下料。下料尺寸：S×L（其中S為筒體展長(zhǎng)，L為筒節(jié)長(zhǎng)度）。其中S可按式（1）進(jìn)行計(jì)算；L為凈尺寸，下料時(shí)增加5～8 mm加工余量。

式中D——沖壓成形后筒體外徑；

δ——沖壓前板材厚度（取測(cè)量平均值）；

a——沖壓時(shí)板材碾長(zhǎng)量，根據(jù)板厚及筒體直徑可取3～5 mm。

采用刨邊機(jī)加工縱縫焊接坡口。板材表面均勻涂抹鈦合金用防氧化涂料，電絲爐中加熱，加熱溫度700℃，保溫30 min（如圖2所示）。

圖2 表面涂防氧化涂料

采用壓形工裝壓制成形。油壓機(jī)的選擇可根據(jù)式（1）確定合適的噸位。沖壓過程可分為預(yù)彎與壓形兩個(gè)過程?？刂茮_壓過程中的下壓程度及沖壓位置，可以保證成形弧度。圖3所示為整個(gè)沖壓過程中筒體的成形情況，即為“U”成形。

圖3 沖壓過程

“U”成形之后，再經(jīng)過表面涂抹防氧化涂料、加熱工序之后，進(jìn)行“O”成形，成形工裝及成形過程如圖3所示。

成形之后，對(duì)縱縫進(jìn)行焊接。焊后采用圖4中的合口模具進(jìn)行蠕變校形，校形后圓度≤1 mm，即Dmax-Dmin≤1 mm。

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，包括無損檢測(cè)（NB/T47013.2—2015Ⅱ級(jí)）、滲透檢測(cè)（NB/T 47013.5—2015Ⅰ級(jí)）等。按此工藝加工，尺寸和焊接質(zhì)量均合格。

圖4 合口模具

3 TC4筒形件的機(jī)械加工過程

成形后的外壓筒體須進(jìn)行內(nèi)外徑加工才能達(dá)到海洋、航天等高科技領(lǐng)域使用的耐壓殼體的精度要求。加工后的殼體為薄壁圓筒，根據(jù)TC4鈦合金的材料特性，加工過程有下述難點(diǎn)：（1）由于材料的高強(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；（2）TC4材料的熱傳導(dǎo)性較差，切削加工過程中產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散失，導(dǎo)致刀具磨損加劇，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量；（3）卷制成形的薄壁圓筒件車加工過程中，由于外徑圓度較差，定心較為困難，需要特殊的工裝；（4）薄壁圓筒在車加工過程中隨著壁厚的減薄，內(nèi)應(yīng)力會(huì)有一定的釋放，造成加工后筒體圓度較差。

實(shí)際生產(chǎn)中為了解決以上問題，分別采用了合適的方法。首先是使用合適的刀具，TC4在車削時(shí)要選用硬度高、耐磨損的刀具材料。常用的刀具材料有：高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）等。其次是在切削過程中控制車刀的前角與后角的大小，即刀具前角、后角都要小些。實(shí)際生產(chǎn)中，粗加工TC4鈦合金時(shí)，切削力較大，前角選為0°～3°的角度[2]；精加工時(shí)，要得到良好的表面和尺寸精度，要求刀具要鋒利，前角、后角、螺旋角要偏大些。精加工TC4鈦合金時(shí)，前角應(yīng)為8°～15°[2]，此時(shí)加工出的表面質(zhì)量較好。

車加工筒體內(nèi)外徑時(shí)需對(duì)筒體進(jìn)行固定，并找出準(zhǔn)確的圓心，保證圓周方向切削量相同。由于筒體為板材壓制成形，成形后整體圓度較差，所以應(yīng)設(shè)計(jì)合適的夾具工裝。實(shí)際生產(chǎn)中采用如圖5所示的工裝對(duì)筒體進(jìn)行夾持，通過調(diào)節(jié)頂絲，改變圓心位置，以滿足定心要求。

圖5 車加工夾具

為了減小車加工后筒體的變形，車加工之前應(yīng)對(duì)筒體進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理，提前對(duì)內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行釋放。

實(shí)際生產(chǎn)中采用圖6所示的工藝路線進(jìn)行加工，得到了較優(yōu)的效果。

圖6 車加工工藝路線

4 結(jié)論

（1）TC4鈦合金板材在壓制成形時(shí)，合適的溫度與沖壓力是關(guān)鍵，通過加熱可減小成形后的回彈。

（2）通過實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了成形工藝的合理性。成形后進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)，得到了合格的尺寸及焊接質(zhì)量。

（3）TC4筒形件在車削加工時(shí)，首先應(yīng)選擇合適的刀具材料、刀具切削參數(shù)以及車加工時(shí)的夾具，其次要在整體車加工之前進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，以滿足精度要求。

[1]中國航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國航空材料手冊(cè)(第四卷)：鈦合金、銅合金[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：104-131.

[2]李樹俠，樸松花.鈦合金材料的機(jī)械加工工藝綜述[J].飛航導(dǎo)彈，2007(7)：57-61.

Analysis of Moulding Process of TC4 Titanium Alloy Cylinder under External Pressure

Liu ZhaoZhang ChengJi TengfeiZhao Bin

The moulding process of the TC4 titanium alloy cylinder under the external pressure is analyzed based on both the theories and the experiments.The results show that the larger forming force is needed through the pressure moulding while the springback after forming is also larger which leads to the instability of the dimension of the components.Furthermore,the cutting tool is easy to be worn and deformed while the cutting zone is difficult to be cooled down,which has negative effects on the machining accuracy of the components.All in all,according to the process study,the reasonable moulding process of the TC4 titanium alloy cylinder under the external pressure is proposed.

Titanium alloy;Cylinder under the external pressure;Thermal pressure;Lathe;Process study; Deformation

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.015

2016-01-11)

*劉釗，男，1987年生，工學(xué)碩士，助理工程師。西安市，710201。