CN116689595A - 一种薄钛tc1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，包括在CAD环境下构造一个盆形对称件理论模型；在有限元仿真软件下建立一个盆形对称件展开毛坯；在CAD环境下确定拉深模结构，该拉深模结构含凸模、凹模和压边圈；拉深成形；退火校形。该方法减少了大量的试错成本，解决了受限于钛合金热成形的制造方法，降低了热成形模具和钛合金热成形的加工周期、节约了制造成本，具有较高的推广价值。该拉深成形方法通用性强，可借鉴薄壁TC1钛合金凸曲率零件的成形，产品质量稳定、对操作者技术水平依赖低。
Description
技术领域
本发明涉及飞机制造领域的一种钣金零件成形技术，具体是一种用于薄壁钛合金、凸曲率翻边隔板类零件的室温成形方法，尤其适用于材料为TC1薄壁零件的冷拉深成形。
背景技术
在新型飞机研制中，受轻量化、耐腐蚀、耐高温的产品功能需求，薄钛合金在飞机上应用越来越广泛。钛合金冷成形变形抗力大，成形极限小，回弹翘曲严重，较高的屈强比，限制了它的冷成形工艺只适用于形状简单的角片类、小曲率平缓蒙皮类零件，复杂型面零件的成形工艺研究对降低钛合金结构件的制造成本意义重大。
TC1钛合金是一种低合金化的(α+β)两相组织钛合金，该合金具有良好的工艺塑性、焊接性能和热稳定性。薄板TC1-M态材料抗拉强度σb为600～750MPa，材料变形抗力约为2A12-O态铝合金的8～10倍，室温下较难成形，故钛合金钣金件90％以上采用热成形工艺制造。热成形是利用金属材料加热软化，以降低板料的变形抗力，提高板料的成形过程中所能达到的变形程度，减少弹性回弹。
飞机吊挂部位安装着系列薄壁TC1防火隔板，典型凸曲率翻边结构，材料为TC1-M态，厚度在0.4～0.8mm范围内，凸曲率半径接近R100mm，翻边高度≤30mm。以往TC1防火隔板成形方法为热成形，成形次数多达7次，弯边褶皱明显，腹板面不平整，成形效果不理想、生产效率低。钛合金热成形模具升温降温周期长，温度控制流程复杂，且相应的保护措施繁琐，制造成本高，对材料成形过程中的限制行为难以实施。
TC1凸曲率防火隔板若直接冷压成形，在成形过程中弯边区毛料会因收缩变形过大而起皱，曲率越大皱峰越高，并且无法修复。TC1-M态材料延伸率为25％，大约为国产硬铝合金的2倍。利用TC1较好的延展性，改变翻边变形方式，将收边成形优化为放边成形，避开钛板起皱无法修复的敏感缺陷，同时有效的穿插退火工序，消除成形内应力，实现薄钛TC1防火隔板室温拉深成形。
发明内容
为了解决薄钛TC1凸曲率防火隔板热成形质量不易控制、制造周期长、成本高，而冷成形翻边失稳起皱无法修复等难题，本发明的目的在于提供一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，具体包括如下步骤：
步骤1:在CAD环境下构造一个盆形对称件理论模型；
1:将左隔板、右隔板对称放置，左隔板与右隔板之间光滑过渡，围成封闭盒型结构，得到盒型结构底面和盒型结构侧壁，左、右隔板弯边轮廓线组合形成盒型结构开口线，左隔板与右隔板之间距离d使其创建的盒型结构外轮廓长宽比例m符合(4:3)≤m≤1，左隔板与右隔板的材料厚度为t；
2:以盒型结构开口线沿着盒型结构侧壁进行延伸，得到高度增加的加长盒型件，以盒型结构开口线沿着加长盒型件侧壁向下平移2～3mm得到盆形件侧壁内形线，以盆形件侧壁内形线沿着加长盒型件侧壁向下再次平移，平移距离b满足公式b＝11×t-(0.8-t)×5×t，得到盆形件法兰内缘线；
3:过盆形件法兰内缘线作盆形件法兰延伸面，使其曲率与盒型结构底面曲率相一致，盆形件法兰延伸面将加长盒型件分割为两部分，将带有盒型结构底面一侧作为有效盒型件，去除盆形件法兰延伸面内盆形件法兰内缘线所包围区域，得到环状盆形件法兰加宽面，将盆形件法兰加宽面和有效盒型件通过过渡圆角面连接为过渡盆形件，得到过渡圆角终止线，过渡圆角面圆角半径rf≥b；
4:过渡圆角终止线沿着盆形件法兰加宽面向外等距偏移，偏移距离为n，n＝5～10mm，得到盆形件法兰外缘线，盆形件法兰外缘线将过渡盆形件分割为两部分，将带有盒型结构底面一侧作为盆形对称件，盆形对称件是一个包含左隔板和右隔板成形型面的过渡工艺件。
步骤2:在有限元仿真软件下建立一个盆形对称件展开毛坯；
1:利用有限元仿真软件坯料反算功能计算出盆形对称件理论展开毛坯形状，得到展开毛坯外缘线；
2:将盆形对称件展开毛坯外缘线曲率最大处半径记作Rw，将盆形对称件展开毛坯外缘线曲率最大处相对应的盆形件法兰内缘线曲率半径记作Rn，盆形对称件极限拉深比通过协调Rw和Rn，最终使K≤1.6。
步骤3:在CAD环境下确定拉深模结构，该拉深模结构含凸模、凹模和压边圈；
1:拉深模的凸模工作型面呈柱状与盆形对称件的有效盒型件外形一致，凸模顶部中心设置1个直径D≤10mm的排气孔，用于成形时排出封闭腔体空气，使展开毛坯更好的贴合凹模工作型面；
2:拉深摸的凹模工作型面依据盆形对称件外形一致，凹模工作型面包含盒型底面、柱状侧壁面、凹模转角面和凹模法兰面四部分，其中盒型底面与盆形对称件的盒型结构底面之间的间隙fd＝(1.0～1.05)×t，柱状侧壁面与盆形对称件的盒型结构侧壁之间的间隙fc＝(1.25～1.35)×t，凹模转角面与盆形对称件的过渡圆角面之间的间隙fy＝(1.0～1.1)×t，凹模法兰面与盆形对称件的环状法兰面之间的间隙fm＝(1.0～1.05)×t，凹模工作型面的四大组成部分圆滑过渡；
3:压边圈的工作型面与盆形对称件的环状法兰面外形一致，压边圈的外形尺寸与凹模法兰面相匹配，压边圈上划有展开毛坯外缘线，用于拉深成形前的目视定位。
步骤4:拉深成形；
1:成形前，将凸模和压边圈装配好后安装于机床下床面，将凹模安装于机床上床面相应位置，将展开毛坯与凹模接触面一侧、以及凹模转角面进行润滑，将展开毛坯与压边圈接触区域进行润滑，依据压边圈上的展开毛坯外缘线将展开毛坯放置于压边圈工作型面之上，凸模、凹模、压边圈通过两侧的导向槽和导向板来控制拉深方向；
2:成形开始，凹模向下运行，触及压边圈后，凹模和压边圈夹持展开毛坯继续下行，在压边力和拉深力的共同作用下，展开毛坯外缘收缩，按照凸模和凹模工作型面逐渐成形出盆形对称件的盒型结构侧壁和凹模圆角面，所实施的单位压边力为铝合金的两倍以上。
步骤5:退火校形。
1:将拉深成形后的盆形对称件按照图纸初步切割为左隔板和右隔板，将左隔板和右隔板进行消应力退火，退火温度520～580°；
2:修整左隔板和右隔板外形，并完成余量切割，得到外形公差符合要求的钛合金隔板零件。
本发明的有益效果在于：1)该方法提供了一种薄钛凸曲率隔板冷成形过渡结构设计方法，利用TC1较好的延展性设计了具有型腔结构的对称拉深体，实现了TC1凸曲率隔板一模两件拉深成形，具有重要的实用价值。2)规定了该新型模具的设计间隙，便于钛合金材料流动，新型模具安装及操作与传统模具相同，容易推广实现。3)该方法减少了大量的试错成本，解决了受限于钛合金热成形的制造方法，降低了热成形模具和钛合金热成形的加工周期、节约了昂贵的制造成本，具有较高的推广价值。4)该拉深成形方法通用性强，可借鉴薄壁TC1钛合金凸曲率零件的成形，产品质量稳定、对操作者技术水平依赖低。
以下结合实施例附图对本申请作进一步详细描述。
附图说明
图1是钛合金左隔板及右隔板结构示意
图2是加长盒型件结构示意
图3是过渡盆形件结构示意
图4是盆形对称件与展开毛坯结构示意
图5是凸模、压边圈及盆形对称件截面结构装配关系示意
图6是凹模及盆形对称件装配关系示意
图中编号说明：1左隔板、2右隔板、3弯边轮廓线、4盒型结构、5盒型结构开口线、6盒型结构底面、7盒型结构侧壁、8加长盒型件、9盆形件侧壁内形线、10盆形件法兰内缘线、11盆形件法兰延伸面、12盆形件法兰加宽面、13有效盒型件、14过渡圆角面、15过渡盆形件、16过渡圆角终止线、17盆形件法兰外缘线、18盆形对称件、19环状法兰面、20展开毛坯、21展开毛坯外缘线、22凸模、23排气孔、24压边圈、25凹模、26盒型底面、27柱状侧壁面、28凹模转角面、29凹模法兰面
具体实施方式
参见附图，实施例提供的飞机零件如图1所示，该零件是一种薄钛TC1凸曲率防火隔板1和2，利用现有技术——钛合金热成形最大的问题是制造周期长、生产成本高、热成形过程缺陷一旦发生人为无法干预。
如图2-6所示，一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，包括以下步骤：
步骤1:在CAD环境下构造一个盆形对称件理论模型
步骤1-1:将左隔板1、右隔板2对称放置，左隔板1与右隔板2之间光滑过渡，围成封闭盒型结构4，得到盒型结构底面6和盒型结构侧壁7，左、右隔板1和2弯边轮廓线3组合形成盒型结构开口线5，左隔板1与右隔板2之间距离d的设计原则，应满足新创建的盒型结构4外轮廓长宽比例m符合(4:3)≤m≤1，左隔板1与右隔板2的材料厚度为t；
步骤1-2:以盒型结构开口线5沿着盒型结构侧壁7进行延伸，得到高度增加的加长盒型件8，以盒型结构开口线5沿着加长盒型件8侧壁向下平移2～3mm得到盆形件侧壁内形线9，以盆形件侧壁内形线沿着加长盒型件侧壁向下再次平移，平移距离b满足公式b＝11×t-(0.8-t)×5×t，得到盆形件法兰内缘线10；
步骤1-3:过盆形件法兰内缘线10作盆形件法兰延伸面11，使其曲率与盒型结构底面6曲率相一致，盆形件法兰延伸面11将加长盒型件8分割为两部分，将带有盒型结构底面6一侧作为有效盒型件13，去除盆形件法兰延伸面11内盆形件法兰内缘线10所包围区域，得到环状盆形件法兰加宽面12，将盆形件法兰加宽面12和有效盒型件13通过过渡圆角面14连接为过渡盆形件15，得到过渡圆角终止线16，过渡圆角面圆角半径rf≥b；
步骤1-4:过渡圆角终止线16沿着盆形件法兰加宽面12向外等距偏移，偏移距离为n，n＝5～10mm，得到盆形件法兰外缘线17，盆形件法兰外缘线将过渡盆形15件分割为两部分，将带有盒型结构底面6一侧作为盆形对称件18，盆形对称件18是一个包含左隔板1和右隔板2成形型面的过渡工艺件；
步骤2:在有限元仿真软件下建立一个盆形对称件展开毛坯20
步骤2-1:利用有限元仿真软件坯料反算功能计算出盆形对称件18理论展开毛坯形状，得到展开毛坯外缘线21；
步骤2-2:将盆形对称件18展开毛坯外缘线21曲率最大处半径记作Rw，将盆形对称件18展开毛坯外缘线21曲率最大处相对应的盆形件法兰内缘线10曲率半径记作Rn，盆形对称件18拉深比通过协调Rw和Rn，最终使K≤1.6；
步骤3:在CAD环境下确定拉深模结构，该拉深模结构含凸模22、凹模25和压边圈24
步骤3-1:拉深模的凸模22工作型面按照盆形对称件18的有效盒型件13设计，拉深模的凸模22工作型面与有效盒型件13相一致，呈柱状，凸模22顶部中心设置1个直径D≤10mm的排气孔23，用于成形时排出封闭腔体空气，便于展开毛坯20更好的贴合凹模25工作型面；
步骤3-2:拉深摸的凹模25工作型面依据盆形对称件18结构设计，凹模工作型面包含盒型底面26、柱状侧壁面27、凹模转角面28和凹模法兰面29四部分，其中盒型底面26与盆形对称件18的盒型结构底面6之间的间隙fd按照公式fd＝(1.0～1.05)×t设计，柱状侧壁面27与盆形对称件18的盒型结构侧壁7之间的间隙fc按照公式fc＝(1.25～1.35)×t设计，凹模转角面28与盆形对称件18的过渡圆角面14之间的间隙fy按照公式fy＝(1.0～1.1)×t设计，凹模法兰面29与盆形对称件18的环状法兰面19之间的间隙fm按照公式fm＝(1.0～1.05)×t设计，凹模25工作型面的四大组成部分圆滑过渡；
步骤3-3:压边圈24的工作型面依据盆形对称件18的环状法兰面19设计，压边圈24的外形尺寸与凹模法兰面29相匹配，压边圈24的工作型面上划有展开毛坯外缘线21，用于拉深成形前的目视定位；
步骤4:拉深成形
步骤4-1:成形前，将凸模22和压边圈24装配好后安装于机床下床面，将凹模25安装于机床上床面相应位置，将展开毛坯20与凹模25接触面一侧、以及凹模转角面28进行润滑，将展开毛坯20与压边圈24接触区域进行润滑，依据压边圈24上的展开毛坯外缘线21将展开毛坯20放置于压边圈24工作型面之上，凸模22、凹模25、压边圈24通过两侧的导向槽和导向板来控制拉深方向；
步骤4-2:成形开始，凹模25向下运行，触及压边圈24后，凹模25和压边圈24夹持展开毛坯20继续下行，在压边力和拉深力的共同作用下，展开毛坯20外缘收缩，按照凸模22和凹模25工作型面逐渐成形出盆形对称件18的盒型结构侧壁7和凹模圆角面28，由于钛合金具有较高的屈服强度，所实施的单位压边力较大，通常为铝合金的两倍以上；
步骤5:退火校形
步骤5-1:将拉深成形后的盆形对称件18按照图纸初步切割为左隔板1和右隔板2，将左隔板1和右隔板2进行消应力退火，退火温度520～580°，目的是消除盆形对称件18拉深过程中的内应力；
步骤5-2:按照图纸要求修整左隔板1和右隔板2外形，并完成余量切割，得到外形公差符合文件要求的钛合金隔板零件。
需要说明的三点：该项钛合金隔板拉深成形方法同样适用于材料厚度在0.4mm～0.8mm之间的TB5材料成形；在拉深成形过程中若材料流动不畅，可以视情况在压边圈上非展开毛坯区域垫薄铝板增大钛合金进料量。
Claims (6)
1.一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1:在CAD环境下构造一个盆形对称件理论模型；
步骤2:在有限元仿真软件下建立一个盆形对称件展开毛坯；
步骤3:在CAD环境下确定拉深模结构，该拉深模结构含凸模、凹模和压边圈；
步骤4:拉深成形；
步骤5:退火校形。
2.根据权利要求1所述的一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，其特征在于所述的步骤1:在CAD环境下构造一个盆形对称件理论模型，具体过程如下
2-1:将左隔板、右隔板对称放置，左隔板与右隔板之间光滑过渡，围成封闭盒型结构，得到盒型结构底面和盒型结构侧壁，左、右隔板弯边轮廓线组合形成盒型结构开口线，左隔板与右隔板之间距离d使其创建的盒型结构外轮廓长宽比例m符合(4:3)≤m≤1，左隔板与右隔板的材料厚度为t；
2-2:以盒型结构开口线沿着盒型结构侧壁进行延伸，得到高度增加的加长盒型件，以盒型结构开口线沿着加长盒型件侧壁向下平移2～3mm得到盆形件侧壁内形线，以盆形件侧壁内形线沿着加长盒型件侧壁向下再次平移，平移距离b满足公式b＝11×t-(0.8-t)×5×t，得到盆形件法兰内缘线；
2-3:过盆形件法兰内缘线作盆形件法兰延伸面，使其曲率与盒型结构底面曲率相一致，盆形件法兰延伸面将加长盒型件分割为两部分，将带有盒型结构底面一侧作为有效盒型件，去除盆形件法兰延伸面内盆形件法兰内缘线所包围区域，得到环状盆形件法兰加宽面，将盆形件法兰加宽面和有效盒型件通过过渡圆角面连接为过渡盆形件，得到过渡圆角终止线，过渡圆角面圆角半径rf≥b；
2-4:过渡圆角终止线沿着盆形件法兰加宽面向外等距偏移，偏移距离为n，n＝5～10mm，得到盆形件法兰外缘线，盆形件法兰外缘线将过渡盆形件分割为两部分，将带有盒型结构底面一侧作为盆形对称件，盆形对称件是一个包含左隔板和右隔板成形型面的过渡工艺件。
3.根据权利要求1所述的一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，其特征在于所述的步骤2:在有限元仿真软件下建立一个盆形对称件展开毛坯，具体过程如下：
3-1:利用有限元仿真软件坯料反算功能计算出盆形对称件理论展开毛坯形状，得到展开毛坯外缘线；
3-2:将盆形对称件展开毛坯外缘线曲率最大处半径记作Rw，将盆形对称件展开毛坯外缘线曲率最大处相对应的盆形件法兰内缘线曲率半径记作Rn，盆形对称件极限拉深比通过协调Rw和Rn，最终使K≤1.6。
4.根据权利要求1所述的一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，其特征在于所述的步骤3:在CAD环境下确定拉深模结构，该拉深模结构含凸模、凹模和压边圈，具体过程如下：
4-1:拉深模的凸模工作型面呈柱状与盆形对称件的有效盒型件外形一致，凸模顶部中心设置1个直径D≤10mm的排气孔，用于成形时排出封闭腔体空气，使展开毛坯更好的贴合凹模工作型面；
4-2:拉深摸的凹模工作型面依据盆形对称件外形一致，凹模工作型面包含盒型底面、柱状侧壁面、凹模转角面和凹模法兰面四部分，其中盒型底面与盆形对称件的盒型结构底面之间的间隙fd＝(1.0～1.05)×t，柱状侧壁面与盆形对称件的盒型结构侧壁之间的间隙fc＝(1.25～1.35)×t，凹模转角面与盆形对称件的过渡圆角面之间的间隙fy＝(1.0～1.1)×t，凹模法兰面与盆形对称件的环状法兰面之间的间隙fm＝(1.0～1.05)×t，凹模工作型面的四大组成部分圆滑过渡；
4-3:压边圈的工作型面与盆形对称件的环状法兰面外形一致，压边圈的外形尺寸与凹模法兰面相匹配，压边圈上划有展开毛坯外缘线，用于拉深成形前的目视定位。
5.根据权利要求1所述的一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，其特征在于所述的步骤4:拉深成形，具体过程如下：
5-1:成形前，将凸模和压边圈装配好后安装于机床下床面，将凹模安装于机床上床面相应位置，将展开毛坯与凹模接触面一侧、以及凹模转角面进行润滑，将展开毛坯与压边圈接触区域进行润滑，依据压边圈上的展开毛坯外缘线将展开毛坯放置于压边圈工作型面之上，凸模、凹模、压边圈通过两侧的导向槽和导向板来控制拉深方向；
5-2:成形开始，凹模向下运行，触及压边圈后，凹模和压边圈夹持展开毛坯继续下行，在压边力和拉深力的共同作用下，展开毛坯外缘收缩，按照凸模和凹模工作型面逐渐成形出盆形对称件的盒型结构侧壁和凹模圆角面，所实施的单位压边力为铝合金的两倍以上。
6.根据权利要求1所述的一种薄钛TC1合金凸曲率隔板室温拉深成形方法，其特征在于所述的步骤5:退火校形，具体过程如下：
步骤5-1:将拉深成形后的盆形对称件按照图纸初步切割为左隔板和右隔板，将左隔板和右隔板进行消应力退火，退火温度520～580°；
步骤5-2:修整左隔板和右隔板外形，并完成余量切割，得到外形公差符合要求的钛合金隔板零件。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117620007A (zh) * | 2024-01-25 | 2024-03-01 | 成都长之琳航空制造有限公司 | 一种ta32马鞍形零件加工模具及工艺 |
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- 2023-06-09 CN CN202310685444.2A patent/CN116689595A/zh active Pending
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