CN115382972A

CN115382972A - 凹曲线钛合金角材成形方法

Info

Publication number: CN115382972A
Application number: CN202211169050.3A
Authority: CN
Inventors: 徐泽众; 吴晗; 郭晶; 付和国; 谢洪志
Original assignee: Shenyang Aircraft Industry Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang Aircraft Industry Group Co Ltd
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2022-11-25

Abstract

本发明提出一种凹曲线钛合金角材成形方法，属于钛合金钣金制造技术领域。针对凹曲线弯边成形时，腹板面受沿弯曲线方向的压力，材料有堆积倾向，存在易起皱的特点，本发明通过调整热成形模结构，增加腹板型面成形压力，以提高腹板面材料流动阻力，并调整毛料外形和尺寸，降低弯边成形阻力的方式，减弱零件成形过程中材料堆积导致增厚的倾向，从而避免零件成形过程发生起皱；再通过热校形等手段，修整角材弯边角度等外形特征。采用该方法的零件表面光滑平整，无起皱之处；同时零件弧度为直接拉深成形，非传统热压方式弯曲成形，成形后零件曲面无明显回弹，贴胎检查间隙小；明显降低了零件加工难度，缩短了零件加工周期，提高了生产效率。

Description

凹曲线钛合金角材成形方法

技术领域

本发明属于钛合金钣金制造技术领域，涉及一种凹曲线钛合金角材成形方法，用于凹曲线钛合金角材及类似零件的热成形加工，能有效避免零件加工过程型面褶皱的产生，特别适用于外形精度要求较高的钛合金结构件。

背景技术

钛合金因其优异的耐高温、耐腐蚀性能，在航空、航海等行业中有着越来越广阔的应用。随着新一代飞机性能的提升，钛合金零件在飞机结构中所占的比例越来越高，且钛合金零件呈大型化、复杂化的发展趋势，且加工精度要求也不断提升。对于钛合金角材，在各类型飞机结构中均有大量应用，且允许装配间隙越来越小，最小配合间隙在0.3mm以内，且零件各连接型面不允许存在起皱。对于钛合金角材，一般热成形方案为热拉弯或模具热压。热拉弯工艺成形时，零件成形温度难以监控，且稳定波动较大，已无法满足当前飞机零件加工过程控制要求。而模具直接热压成形，对于曲率较大的角材类零件，受成形压力方向限制，零件收、放料时型面极易起皱，导致与其他零件装配时配合间隙超差。加之钛合金零件加工回弹大，型面起皱极难修复，且几乎无法完全消除，同时也会导致零件加工周期和成本大幅增加。如何在避免零件在成形阶段出现起皱，已成为钛合金角材类零件成形的一大难点。

发明内容

为了解决上述技术难题，避免钛合金角材类零件热成形时起皱，本发明提供了一种凹曲线钛合金角材成形方法。针对凹曲线弯边成形时，腹板面受沿弯曲线方向的压力，材料有堆积倾向，存在易起皱的特点，通过调整热成形模结构，增加腹板型面成形压力，以提高腹板面材料流动阻力，并适当调整毛料外形和尺寸，降低弯边成形阻力的方式，减弱零件成形过程中材料堆积导致增厚的倾向，从而避免零件成形过程发生起皱。然后再通过辅助成形或热校形等手段，修整角材弯边角度，成形型面上的下陷等外形特征。

本发明的技术方案为：

一种凹曲线钛合金角材成形方法，通过特殊结构的热成形模来实现(类似热拉深模)，现以典型角材零件(图1)成形案例来具体说明。该零件材料为Ti-6Al-4V，材料厚度0.8mm；零件为凹曲线角材，腹板面近似平面，弯边角度由左至右(见图1)为73°～81°；零件弯边上存在一处下陷，下陷深度0.8mm；零件弯边及腹板均为连接面，装配关系复杂，零件整体型面不允许起皱。具体成形方法包括以下步骤：

1、工艺设计

首先确认零件外形主体特征，零件结构应为凹曲线角材类，角材腹板面应为平面或近似平面，然后测量零件弯边角度、型面下陷等其他特征。若零件弯边角度大于等于90°，且无下陷或下陷仅位于腹板面上，则将零件直接成形至最终状态。若零件弯边角度小于90°，或下陷位于弯边上，则需先成形至某中间状态，然后再通过热校形工序，以获得最终弯边角度及下陷。

零件拉深成形过程如图2所示，毛料成形后截面为“儿”字形(中间不相连)，去除加工余量2即可获得零件或过渡坯料1，以便进行后续加工。零件成形过程设计时，应选择对称零件或弧度相似的零件(或一次成形两件零件)，前后对称摆放成形，以平衡两侧成形压力。

2、设计热成形模

参考热拉深模设计热成形模，目的是成形缘条弧面和弯边，获得零件或过渡坯料1，该工序为零件成形关键步骤，直接决定了零件外形质量。热成形模主要包括上模3、压边圈4和下模5；具体结构如图3所示。

1)上模

所述上模3为凹模，其长宽尺寸按压边圈4大小确定，高度满足强度要求即可；上模3的凹模型面依据零件或过渡坯料1内型面设计，因零件为凸模10拉深成形，上模3的凹模型面上表面与零件型面保留一定间隙，以避免型面干涉导致拉深高度不够。上模3整体为中硅钼球墨铸铁铸造成型，顶部设置减重开孔；两端设置吊耳8，用于开模检查、搬运模具。模具基面设置加工基准，型面采用数控加工，型面精度要求±0.1mm；上模3长度方向上的两侧开有压板槽7，用于模具在热成形机上固定；压板槽7尺寸视热成形机上模具固定装置大小而定。上模3两端开有导滑槽，与下模5上的导滑板11配合用于模具定位及成形导向。

2)压边圈

所述压边圈4上表面为压边平面，其长宽尺寸应大于最小毛料尺寸，并结合设备顶杆位置来最终确定；压边圈4中部按照下模5上的凸模10外形开口，厚度满足强度需求即可，下表面应按照热成形机结构，设计与设备顶杆相连的机构。顶杆6通过螺栓与压边圈4相连，也可不设置连接机构，但使用时应保证压边圈4上表面水平，以保证压边力均匀分布。压边圈4材料选用中硅钼球墨铸铁，型面数控加工，在加工余量位置设置加工基准，型面精度要求±0.1mm。压边圈两端设有吊耳8。压边圈4上表面在两零件对称轴线的位置上设置两个定位销9，用于热成形时毛料定位。最小毛料尺寸计算方法如下(仅用于模具设计及材料备料，非实际下料尺寸)：

L_毛料＝L_零件+2h+2k

W_毛料＝W+2h+2k

L_零件＝零件最大弦长

W(拉深宽度)＝零件最大间距；

h(拉深高度)＝零件最大弯边高度+(5～10)mm；

k(毛料压边宽度)＝零件腹板宽度+(100～150)mm。

3)下模

所述下模5为凸模，凸模10型面依据零件或过渡坯料1外侧型面设计，凸模10高度按零件弯边高度及压边圈4厚度确定，下模5长宽尺寸按压边圈4确定，厚度满足强度要求即可。下模5整体为中硅钼球墨铸铁铸造成形，底部设置减重开孔，并按压边圈4底部的顶杆6位置开顶杆孔，并在两端设置吊耳8用于模具搬运。模具基面设置加工基准，型面采用数控加工，凸模10型面精度要求±0.1mm，底部通体开压板槽7，尺寸按热成形机夹持装置确定。下模5两端设置导滑板11，用于上模3、压边圈4上下运动导向。所述导滑板11单独加工后，采用螺栓与下模5连接，或者导滑板11直接随下模5铸造、加工。

3、毛料外形及成形过程

凹曲线角材零件成形时，弯边内部产生平行于弯曲线方向拉应力，材料有减薄倾向，不易起皱，但是为维持材料完整性，腹板面材料内部会产生平行于弯曲线方向的压应力，材料有增厚倾向，易发生起皱。因材料成形时起皱阻力小于减薄阻力，根据最小阻力定律，材料成形时腹板易起皱。为避免零件起皱，本发明采用的方法为通过热成形模特殊结构，增大零件成形时起皱阻力，同时减小零件弯边成形阻力(降低减薄程度)的方式实现。

为了增加零件起皱阻力，本发明在热成形模上、下模之间设置压边圈4，零件成形时压边圈4可提供向上的压边力，其与上模3向下的成形压力的合力将毛料紧紧夹住。此时零件若要形成褶皱，除需克服自身材料强度外，还需克服设备施加的压边力，起皱阻力大大提高。同时在零件加工时，适当减少压边圈区域成形润滑剂的使用，以进一步增加腹板起皱阻力。

另一方面，在成形毛料外形选择上，本发明未采用传统拉深成形工艺整张毛料拉深的方式，而是两零件分别下料、分别成形(图2加工余量2中间并未相连)，避免了成形时中间相连材料对两侧零件的拉拽作用，大大降低了弯边成形时材料内部沿弯边方向的拉力，从而减小了零件减薄量。利用钣金仿真软件进行模拟计算，采用分体毛料成形，弯边位置减薄量小于4％(若采用毛料整体拉深成形，弯边减薄率超过20％)。此外在零件加工时，弯边区域及弯边所包围的加工余量区域，应保证充分润滑，以进一步降低弯边成形阻力。

4、热校形

对于弯边角度小于90°，或弯边带下陷的零件，经前述拉深成形后，还需进行热校形，以获得零件最终弯边角度及下陷。零件热校形通过热校形模(图4)来实现，现以某典型零件的热校形模为例来详细说明。典型热校形模包含凸模15和凹模16，具体结构如图4所示。

1)凸模15

所述凸模15尺寸按零件实际尺寸大小设计，并增加适当加工余量，高度满足强度要求即可。凸模型面12按零件13内侧型面设计，型面区域应略大于零件边缘(5～10mm)。凸模15整体为中硅钼球墨铸铁铸造成型，顶部设置减重开口，侧面设置吊耳8，用于搬运模具及开模检查型面。模具基面设置加工基准，型面采用数控加工，凸模型面12精度要求±0.1mm，两侧面开有压板槽7(用于模具在热成形机上固定)，压板槽7尺寸视热成形机上模具固定装置而定。

2)凹模16

所述凹模16尺寸按凸模15设计，凹模型面14按零件13外侧型面设计。凹模16整体为中硅钼球墨铸铁铸造成型，底部设置减重开口，侧面设置吊耳8用于开搬运模具。模具基面设置加工基准，型面采用数控加工，凹模型面14精度要求±0.1mm，两侧面开有压板槽7(用于模具在热成形机上固定)，压板槽7尺寸视热成形机上模具固定装置而定。所述凹模16上安装导柱17，并在凸模15对应位置处开导柱孔，用于凸、凹模合模导向。

本发明的有益效果：

1)成形质量高

角材类零件一般用于飞机机体结构连接，装配精度要求高，按本发明加工的凹曲线角材，零件表面光滑平整，无起皱之处；同时零件弧度为直接拉深成形，非传统热压方式弯曲成形，成形后零件曲面无明显回弹，贴胎检查间隙小于0.4mm。

2)成形效率高

因零件成形后贴胎度好，表面无起皱，从而省去了一般缘条零件成形后的反复休整工作，大大降低了零件加工难度，缩短了零件加工周期，提高了生产效率。

附图说明

图1为典型零件结构示意图。

图2为典型工装截面示意图。

图3为热成形模结构示意图。

图4为热校形模结构示意图。

图中：1过渡坯料；2加工余量；3上模；4压边圈；5下模；6顶杆；7压板槽；8吊耳；9定位销；10凸模；11导滑板；12凸模型面；13零件；14凹模型面；15凸模；16凹模；17导柱。

具体实施方式

以下结合实施例和附图进一步解释本发明的具体实施方式，但不用于限定本发明。

一种凹曲线钛合金角材成形方法，包括以下步骤：

1、零件毛料准备

两零件分别下料，并清理零件表面，去除表面污物及字迹。

2、热拉深准备

将热成形模放入热成形机中装夹，然后测试压边圈4是否可正常上下移动，并检查压边圈4移动过程中型面是否水平。检查无问题后在上模3、凸模10及压边圈4喷涂高温润滑剂(上模3和压边圈4压边位置不喷润滑剂)，并加热至成形温度(本实施例中典型零件成形温度约为680℃)。

3、喷涂润滑剂

在毛料上下表面喷涂耐高温成形润滑剂。

4、热拉深(成形参数仅用来描述成形过程，非实际加工参数)

1)升起压边圈4至与凸模10顶部水平，将毛料分别放在压边圈4上，按定位销9定位；保温10分钟后，开始热压成形，成形压力约70吨，压边圈4压力40吨。

2)上模3先下行与压边圈4合模，将零件夹紧；然后在上下压力共同作用下，上模3和压边圈4夹持毛料共同下行，与凸模10成形零件或过渡坯料1弯边。

3)热成形模的上、下模合模后，保温保压20分钟，然后将零件取出。

5、粗切外形(按需)

过渡坯料1取出后，按热校形模粗制零件外形，过渡坯料1外形尺寸应与热校形模型面大致相当。

6、热校形准备(按需)

将热校形模放入热成形机中装夹，并加热至校形温度(本实施例中典型零件校形温度为680℃左右)。

7、喷涂润滑剂(按需)

在过渡坯料1内外表面喷涂耐高温成形润滑剂。

8、热校形(按需，校形参数仅用来描述成形过程，非实际加工参数)

将过渡坯料1放入热校形模，保温10分钟后，开始热压校形，校形压力约50吨，热校形模上下模合模后，保温保压20分钟，然后将零件取出。

9、划线制外形

零件按样板或检验模划边缘线，并制出零件13外形。

10、检查零件

加工完成的零件13按样板或检验模检查零件外形、轮廓。

11、表面处理

零件检查合格后，送表面处理车间，去除热成形氧化层，然后即可喷码交付。

Claims

1.一种凹曲线钛合金角材成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)工艺设计

首先确认凹曲线角材的外形主体特征，然后测量凹曲线角材的弯边角度、型面下陷；若弯边角度大于等于90°，且无下陷或下陷仅位于腹板面上，则将零件直接成形至最终状态；若零件弯边角度小于90°，或下陷位于弯边上，则需先成形至中间状态，然后再通过热校形工序，以获得最终弯边角度及下陷；

(2)设计热成形模进行热成形

采用热成形模成形缘条弧面和弯边，获得零件或过渡坯料；所述热成形模包括上模(3)、压边圈(4)和下模(5)；

所述上模(3)为凹模，上模(3)的凹模型面依据零件或过渡坯料内型面设计；上模(3)整体为中硅钼球墨铸铁铸造成型；上模(3)长度方向上的两侧开有压板槽(7)，用于模具在热成形机上固定；上模(3)两端开有导滑槽，与下模(5)上的导滑板(11)配合用于模具定位及成形导向；

所述压边圈(4)上表面为压边平面，其长宽尺寸大于最小毛料尺寸，并结合设备顶杆位置来最终确定；压边圈(4)中部按照下模(5)上凸模(10)外形开口；压边圈(4)下表面设有顶杆(6)；压边圈(4)上表面在两零件对称轴线的位置上设置两个定位销(9)，用于热成形时毛料定位；

所述下模(5)为凸模，凸模(10)型面依据零件或过渡坯料外侧型面设计，凸模(10)高度按零件弯边高度及压边圈(4)厚度确定；下模(5)整体为中硅钼球墨铸铁铸造成形，并按压边圈(4)底部的顶杆(6)位置开顶杆孔；下模(5)侧面通体开有压板槽(7)；下模(5)两端设置导滑板(11)，用于上模、压边圈上下运动导向；

热成形时：

1)将热成形模放入热成形机中装夹，然后测试压边圈(4)是否正常上下移动，并检查压边圈(4)移动过程中型面是否水平；检查无问题后在上模(3)、凸模(10)及压边圈(4)喷涂高温润滑剂，其中上模(3)和压边圈(4)压边位置不喷润滑剂，并加热至成形温度；

2)升起压边圈(4)至与凸模(10)顶部水平，将毛料分别放在压边圈(4)上，按定位销(9)定位；保温后，开始热压成形；

3)上模(3)先下行与压边圈(4)合模，将零件夹紧；然后在上下压力共同作用下，上模(3)和压边圈(4)夹持毛料共同下行，与凸模(10)成形零件或过渡坯料弯边；

4)热成形模的上、下模合模后，保温保压后将零件取出；

(3)热校形

对于弯边角度小于90°，或弯边带下陷的零件，经热成形后，还需进行热校形，以获得零件最终弯边角度及下陷；零件热校形通过热校形模来实现，所述热校形模包含凸模(15)和凹模(16)；

所述凸模(15)尺寸按零件实际尺寸大小设计，并增加加工余量，高度满足强度要求即可；凸模型面(12)按零件内侧型面设计，型面区域大于零件边缘5～10mm；凸模(15)整体为中硅钼球墨铸铁铸造成型，顶部设置减重开口，侧面设置吊耳(8)；凸模(15)两侧面开有压板槽(7)，用于模具在热成形机上固定；

所述凹模(16)尺寸按凸模(15)设计，凹模型面(14)按零件外侧型面设计；凹模(16)整体为中硅钼球墨铸铁铸造成型，底部设置减重开口，侧面设置吊耳(8)；凹模(16)两侧面开有压板槽(7)，用于模具在热成形机上固定；所述凹模(16)上安装导柱(17)，并在凸模(15)对应位置处开导柱孔，用于凸、凹模合模导向；

热校形时，将过渡坯料放入热校形模中进行热压校形，热校形模合模后，保温保压后将零件取出；

(4)划线制外形

零件按样板或检验模划边缘线，并制出零件外形；

(5)检查零件

加工完成的零件按样板或检验模检查零件外形、轮廓；

(6)表面处理

零件检查合格后，送表面处理车间，去除热成形氧化层，然后喷码交付。

2.根据权利要求1所述的一种凹曲线钛合金角材成形方法，其特征在于，最小毛料尺寸计算方法如下：

L_毛料＝L_零件+2h+2k

W_毛料＝W+2h+2k

L_零件＝零件最大弦长

拉深宽度W＝零件最大间距；

拉深高度h＝零件最大弯边高度+(5～10)mm；

毛料压边宽度k＝零件腹板宽度+(100～150)mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种凹曲线钛合金角材成形方法，其特征在于，所述上模(3)、压边圈(4)和下模(5)的两端均设置吊耳(8)；上模(3)顶部设置减重开孔，下模(5)底部设置减重开孔。

4.根据权利要求1或2所述的一种凹曲线钛合金角材成形方法，其特征在于，所述上模(3)和下模(5)的长宽尺寸均按压边圈(4)的大小确定，高度满足强度要求即可。

5.根据权利要求3所述的一种凹曲线钛合金角材成形方法，其特征在于，所述上模(3)和下模(5)的长宽尺寸均按压边圈(4)的大小确定，高度满足强度要求即可。