靜子內(nèi)環(huán)成形工藝研究

黨文苗　李均紅

摘要：本文通過分析靜子內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，提出零件拉深成形制造工藝方案，并通過試驗(yàn)對熱成形有影響的因素進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)方案可行。

關(guān)鍵詞：鈦合金? 熱成形? 拉深

鈦合金具有較高的機(jī)械性能、抗氧化能力和抗腐蝕能力，密度比鋼件小，在一般使用條件下，不需做表面防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。但鈦合金同時(shí)也具有常溫下屈服強(qiáng)度比（σ0.2/σb）大，彈性模量小，成形時(shí)塑性變形范圍小，回彈大，表現(xiàn)為零件出現(xiàn)裂紋或開裂，零件精度尺寸難于控制。通常需將零件板材毛坯加熱到550～700℃的高溫下成形（簡稱熱成形）。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)的靜子內(nèi)環(huán)，通過熱成形才能加工出滿足設(shè)計(jì)要求的零件。本文根據(jù)某TC2鈦合金靜子內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)要求，分析影響其成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并通過試驗(yàn)予以驗(yàn)證，為解決類似零件的成形起到一定指導(dǎo)作用。

1? 技術(shù)要求及工藝難點(diǎn)

靜子內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)外形結(jié)構(gòu)見圖1，輪廓尺寸及要求見圖2，材料TC2，厚度0.8 mm。要求最小壁厚0.54mm，外形圓滑，無碰劃傷、起皺及氧化現(xiàn)象。

從材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，工藝難點(diǎn)主要在于：翻邊處圓角R=2mm，為2.5倍料厚，小于航空材料手冊要求，易起皺或產(chǎn)生裂紋;零件整體呈環(huán)狀，具有翻邊負(fù)角，不能一次拉深出整周外形。

2? 解決措施

2.1 材料

TC2（Ti-4Al-1.5Mn）是一種低合金化（α+β）兩相組織鈦合金，主要合金元素為α相穩(wěn)定元素Al和Mn，具有良好的成形性能、焊接性能和工藝性能。試驗(yàn)加工采用退火狀態(tài)的TC2板料，實(shí)測厚度為0.85～0.86mm。

2.2 成形工藝

依據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，拉深成形時(shí)需將零件按圓周等分為4段，各段分別成形后再焊接成一個(gè)整體。

2.2.1 成形模具

采用帶壓邊圈的模具見圖3，在HF-500熱成形設(shè)備中進(jìn)行拉深，通過調(diào)節(jié)壓邊圈與凹模之間的間隙來調(diào)節(jié)拉深過程的壓力，利用油壓頂緊凹模與壓邊圈，通過調(diào)節(jié)上下缸的油壓實(shí)現(xiàn)不同速度拉深。

2.2.2成形工藝影響因素分析

（1）模具材料的影響

采用1Cr18Ni9Ti，拉深成形后，零件表面易拉傷，修傷后，壁厚僅0.52～0.54mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。改用中硅鉬墨球鑄鐵作為模具材料，成形后的零件經(jīng)過吹砂等表面處理工藝，在壁厚滿足要求的前提下，外觀質(zhì)量合格。

（2）成形溫度的影響

熱成形時(shí)，固定壓邊間隙和拉深速度等工藝參數(shù)，選用了625℃、650℃、675℃、700℃、725℃進(jìn)行拉深試驗(yàn)，試驗(yàn)后檢查零件凸模圓角區(qū)過渡到凹模圓角區(qū)與壁面連接處，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下，零件的最小壁厚在變化，最終選用675±10℃的成形溫度。

（3） 壓邊間隙的影響

溫度675±10℃時(shí)，壓邊間隙依次為0.88mm，0.92mm，0.96mm，1.0mm，1.04mm進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓邊間隙為0.88mm和0.92mm時(shí)，最小壁厚合格，但表面劃傷嚴(yán)重;壓邊間隙為0.96mm和1mm時(shí)，成形零件表面僅有輕微劃傷;當(dāng)壓邊間隙為1.04mm時(shí)，翻邊面起皺。對表面劃傷處進(jìn)行處理后，壓邊間隙為0.88mm和0.92mm時(shí)，最小壁厚只有0.5mm，不符合要求;壓邊間隙為0.96mm和1.0mm時(shí)，最小壁厚在0.78～0.82mm，零件外觀質(zhì)量和壁厚均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）拉深速率的影響`

溫度675±10℃和壓邊間隙0.96mm時(shí)，拉深速度依次為0.3mm/s、1mm/s、2mm/s、3mm/s進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)拉深速度分別為0.3mm/s、1mm/s和2mm/s時(shí)，均可獲得表面質(zhì)量和厚度均符合的零件;當(dāng)拉深速度提高到3mm/s且時(shí)長2s-3s時(shí)零件發(fā)生斷裂。綜合考慮實(shí)際需求，選擇拉深速度1～2mm/s。

2.3 焊接工藝

靜子內(nèi)環(huán)的焊接屬于薄壁鈦合金氬弧焊，須將4段拉深件焊接成為一個(gè)整體。焊接主要難點(diǎn)在于焊接變形和焊接后零件周長的控制。主要措施：

2.3.1選擇合適的電流、焊接速度、氣體流量

使用同牌號、同規(guī)格試片通過多次試驗(yàn)，確定參數(shù)：焊接電流約30A，背面氣體保護(hù)流量：18～24 L/min。

2.3.2 選用高純氬氣（99.995%）;清理干凈焊接接頭，并去除毛刺，其附近不應(yīng)有粘附的磨粒，且表面光滑;采用TA0-1焊絲，直徑Φ1.0～Φ1.6，使用前酸洗;零件焊前酸洗，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)焊接;零件、焊絲酸洗后烘干;焊接前，用酒精或丙酮清洗焊絲、夾具、零件待焊處，然后用風(fēng)槍吹干;焊接時(shí)，操作者需戴干凈的手套。焊接夾具結(jié)構(gòu)圖見圖4。

2.3.3 控制靜子內(nèi)環(huán)各段焊前弧長尺寸，以得到合適零件周長，確保焊后校型的脹形量。

3? 結(jié)論

分析靜子內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了成形、拉深和焊接工藝裝備，結(jié)合試驗(yàn)闡述了成形用模具材料、溫度、壓邊間隙和拉深速度等對成形工藝的影響，解決了靜子內(nèi)環(huán)制造工藝難點(diǎn)等問題，得出以下結(jié)論：

（1）模具材料選用中硅鉬墨球鑄鐵，成形溫度675±10℃，壓邊間隙0.96-1.0mm，拉深速度1-2mm/s，且焊接時(shí)采用合適的參數(shù)和工藝裝備，可實(shí)現(xiàn)滿意成形效果。

（2）工藝過程，類似零件可參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國航空工業(yè)部.鈦和鈦合金的板材成形[M].北京：中華人民共和國航空工業(yè)部，1987

[2]張凌云，魯強(qiáng)，韓志仁，等.TC1M鈦合金鈑材拉伸成形過程中的形狀畸變（J）.金屬學(xué)報(bào)，2007

[3]郭天文.TC4鈦合金板材熱拉伸成形數(shù)據(jù)模擬與實(shí)驗(yàn)研究（D）.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2008.

[4]張志、李鵬亮、孫賓、李均紅.TC1鈦合金端蓋零件熱拉深成形工藝研究.航空制造技術(shù).2017