大曲率復(fù)雜鈦合金零件成形的工裝設(shè)計(jì)

◎廉沖

鈦合金作為一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕性和與復(fù)合材料相容性好等多個(gè)方面的特點(diǎn)。實(shí)際使用這種材料，有利于減輕飛機(jī)重量、提高飛機(jī)安全性和降低綜合成本。因此，鈦合金逐漸成為了新時(shí)期飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)工作中的常用基礎(chǔ)材料之一。

一、工裝設(shè)計(jì)工作的前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

通常情況下，企業(yè)在對(duì)飛機(jī)工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)工作之前，會(huì)擬定科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，繪制設(shè)計(jì)圖紙，并對(duì)人才進(jìn)行技術(shù)交底工作，目的是確保后續(xù)各項(xiàng)工裝設(shè)計(jì)工作的順利開(kāi)展。

1.數(shù)字化模型設(shè)計(jì)。

在整個(gè)零件成形過(guò)程中，需要彎曲模、拉彎模和穩(wěn)定熱處理夾具。彎曲模和拉彎?？梢灾苯影戳慵S數(shù)模（又稱工程數(shù)模）來(lái)加工。而在熱處理時(shí)，為了提高工作效率，可以在一個(gè)穩(wěn)定熱處理夾具上同時(shí)處理多個(gè)零件。鑒于飛機(jī)部件左右對(duì)稱的原理及其相似原理，企業(yè)經(jīng)常會(huì)采用此種設(shè)計(jì)方法。穩(wěn)定熱處理夾具的設(shè)計(jì)依據(jù)是工藝數(shù)模，所謂工藝數(shù)模就是在零件三維數(shù)模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)所得到的制造數(shù)據(jù)集。在工藝數(shù)模設(shè)計(jì)時(shí)，首先選擇對(duì)稱面，對(duì)稱面與零件邊緣留有一定距離，即工藝余量。然后把零件邊緣延伸至對(duì)稱面，最后，零件三維數(shù)模以對(duì)稱面為基準(zhǔn)做鏡像處理。至此，工藝數(shù)模設(shè)計(jì)工作基本完成。企業(yè)可以根據(jù)相應(yīng)的立體模型，繪制具體的工裝設(shè)計(jì)平面圖紙，為零件加工制作工作的有序開(kāi)展提供基礎(chǔ)支持與保障。

2.工裝設(shè)計(jì)方案。

在實(shí)際進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)工作時(shí)，企業(yè)應(yīng)當(dāng)結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)，分析出現(xiàn)階段的工作優(yōu)勢(shì)及不足，合理調(diào)整設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化具體的工作流程。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，基于我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，企業(yè)應(yīng)當(dāng)及時(shí)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工作平臺(tái)，方便對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能的整理和分類。然后還可以借鑒其他飛機(jī)制造企業(yè)的工裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，共同推動(dòng)新時(shí)期飛機(jī)制造及裝配工作穩(wěn)步發(fā)展。另外，基于本文主要研究的是大曲率復(fù)雜鈦合金零件成形的工裝設(shè)計(jì)工作，還需要從鈦合金的材料質(zhì)量及價(jià)格方面，選擇合適的供貨商。

3.技術(shù)能力考察。

人才的專業(yè)工作能力將直接影響工裝設(shè)計(jì)效果，影響飛機(jī)的制造質(zhì)量及效率。因此，企業(yè)在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須要對(duì)人才進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)工作。并重點(diǎn)對(duì)人才的工作能力及工作素質(zhì)進(jìn)行考察，分析員工的工作優(yōu)勢(shì)及不足，及時(shí)根據(jù)工作需求調(diào)整崗位，保證每位員工的個(gè)人工作價(jià)值都能得到充分的發(fā)揮。此外，企業(yè)可以面向社會(huì)招收高質(zhì)量、高素質(zhì)的人才，組建專業(yè)的工作團(tuán)隊(duì)，全面提高飛機(jī)工裝制造工作的整體水平。

二、大曲率復(fù)雜鈦合金零件成形的基本工裝設(shè)計(jì)流程

在前期準(zhǔn)備工作完成后，企業(yè)應(yīng)當(dāng)結(jié)合工作實(shí)際案例，從基本工裝設(shè)計(jì)流程入手，研究相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1.工作實(shí)例。

在某型機(jī)氣源分配系統(tǒng)防火罩的加工工作中，防火罩由22個(gè)鈦合金零件焊接而成。之所以把防火罩分割成如此多的零件，主要考慮到部件的復(fù)雜程度，這些零件全部采用熱成形加工工藝。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)分割后，零件總體加工難度大為降低，但在后期焊接時(shí)卻遇到了困難，因?yàn)榘堰@22個(gè)零件焊接在一起，還要保證加工精度并不容易。首先零件定位就很難保證；其次，焊接部位產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力難以完全消除，這會(huì)引起零件的形變；引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。最后，由于防火罩的基本制作要求是具有良好的氣密性，所以要求焊接時(shí)不能產(chǎn)生漏點(diǎn)。從前期整個(gè)部件的加工情況看，零件的焊接效果不理想。

為此，只有最大程度的減少焊接次數(shù)，才有可能保證零件的加工精度。針對(duì)防火罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把多個(gè)零件結(jié)合成一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行熱成形顯然難度較大，而超塑成形可以很好地解決此類問(wèn)題。

2.塑形工藝環(huán)節(jié)。

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，飛機(jī)零件工裝加工已逐步由模擬量加工向數(shù)字化加工轉(zhuǎn)變，按模線樣板加工工裝的生產(chǎn)方式逐漸被淘汰，超塑成形是利用鈦合金在特定條件下所具有的超塑性來(lái)進(jìn)行超塑加工的方法。而工藝數(shù)模是工裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，它是超塑成形模具設(shè)計(jì)的前提條件，工藝數(shù)模設(shè)計(jì)完成意味著可以進(jìn)行模具設(shè)計(jì)了。設(shè)計(jì)模具時(shí)，一般可以選取工藝數(shù)模的外形面，其他按模具設(shè)計(jì)相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了。

3.熱成形工藝。

對(duì)焊接難度而言，4個(gè)零件熱成形難度要大很多，所以可以通過(guò)減小零件曲率的方式來(lái)降低零件熱成形難度。為此，可將防護(hù)罩的四個(gè)零件重新進(jìn)行合理的工藝分割，也就是將四個(gè)零件在其曲率最大處進(jìn)行分割，形成八個(gè)單獨(dú)的零件再分別進(jìn)行加工，這樣每個(gè)零件的曲率變小了，零件熱成形的加工難度降低了，同時(shí)，保證了零件的加工精度，為后續(xù)零件的準(zhǔn)確焊接奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)8個(gè)被分割的零件，為了提高生產(chǎn)效率，熱成形模具也采取了對(duì)稱設(shè)計(jì)，這樣的模具在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用效果良好。具體在研究這種零件成形工藝時(shí)，還需要不斷采用鈦合金試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，找到最佳的切割點(diǎn)和焊接點(diǎn)。

4.工裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

防護(hù)罩焊接件主要是由4個(gè)零件組成，整個(gè)部件的材料為鈦合金，由于部件呈斜圓錐型，曲率大，所以熱成形難度大、回彈嚴(yán)重。為了提高零件加工質(zhì)量，需要對(duì)零件成形工裝進(jìn)行必要的改進(jìn)。而在飛機(jī)大曲率復(fù)雜鈦合金零件加工過(guò)程中，對(duì)成形工裝進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)將有助于提高零件加工的質(zhì)量，也會(huì)在一定程度上節(jié)約能源。除航空領(lǐng)域外，在其他行業(yè)鈦合金零件制造中，零件成形工裝設(shè)計(jì)也將越來(lái)越影響著零件加工的質(zhì)量，這也是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方面。

結(jié)論：在大曲率復(fù)雜鈦合金零件成形的工裝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，企業(yè)需要先應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化模型的構(gòu)建工作，并應(yīng)當(dāng)通過(guò)數(shù)據(jù)分析及整理工作，明確新時(shí)期工裝設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)及不足，然后合理優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，企業(yè)需要培養(yǎng)一批高質(zhì)量的工作人才，以保障工裝設(shè)計(jì)工作的有序運(yùn)行。這還涉及到對(duì)新型設(shè)計(jì)技術(shù)及制造技術(shù)的應(yīng)用，并應(yīng)當(dāng)著重于從鈦合金零件的質(zhì)量方面入手，避免給飛機(jī)制造工作帶來(lái)安全隱患。