鈦合金對接帶板成形工藝研究

謝洪志 劉金玲

摘 要：鈦合金材料因其優良的性能，在飛機設計中被廣泛應用，本文針對某型飛機結構中典型的鈦合金帶板，對零件的成形難點進行分析，開展精準成形工藝研究與工藝方案設計，采用了數控銑切與熱成形相結合的工藝方法，并通過制造數據集協調定位基準一致，保證了零件定位準確度，最終通過調整熱成形工藝參數，減少零件成形回彈，實現了鈦合金變厚度零件的精確成形。

關鍵詞：鈦合金；對接帶板；變厚度截面；熱成形

大量采用先進鈦合金材料及其應用技術，提高鈦合金用量，是新一代飛機的顯著標志之一，可大幅度提高結構減重效果和安全可靠性。鈦合金材料被廣泛需求的同時，鈦合金的難切削性和常溫時的低塑性又極大的限制了零件的結構，尤其是具有復雜曲面變厚度鈦合金零件加工起來十分困難，加工成本高、周期長，質量不穩定。

本文通過選取典型的鈦合金變厚度帶板零件，將鈦合金的數控銑切與鈑金成形進行有效的結合，摸索出鈦合金變厚度零件制造的新工藝，降低了加工成本，縮短了生產周期，且產品質量更為穩定，具有極大的推廣應用意義。

1 工藝分析

該零件是典型的鈦合金變厚度零件，最大厚度7.0mm，最小厚度3.5mm，零件外形為雙曲度弧面，具有機加成形與鈑金成形的雙重特征，就成形方法而言，可以采用數控銑切成形法、鈑金彎曲—數控銑切成形法及數控銑切—鈑金成形法。

1.1 數控銑切成形法

選取能夠包絡零件最大外廓尺寸鈦合金厚板，采用五坐標數控機床對零件上下曲面采用行切加工，該成形法需要機加切削的去除量大，加工時間長，而且零件為鈦合金TC4材料，該材料導熱性差、化學活性高，切削加工時刀尖處溫度升高較快，容易造成刀具磨損而影響切割質量。同時，由于該零件為蒙皮結構，剛性較弱，加工時零件易變形，壁厚不容易保證，加工后需要通過專用的穩定熱處理夾具對零件外形進行校正，增加了制造成本及周期。

1.2 鈑金彎曲—數控（化學）銑切成形

選取厚板毛坯，通過鈑金工藝將毛坯進行預成形，而后進行數控銑切成形，該成形方法可以減少數控銑切時材料的去除量，降低數控加工時間，但由于零件結構限制，零件數控加工后同樣存在變形問題，而且鈑金成形毛料后加工基準發生變化，數控加工時存在定位基準無法準確的確定，影響加工精度。

1.3 數控銑切—鈑金成形

該成形方法是通過數控銑切的方法加工出零件的展開外形及下陷臺階，而后通過鈑金工藝進行彎曲成形，零件最終外形通過模具保證，可以減少零件成形后的變形，提高零件型面精度，但由于零件在展開狀態下成形，外形及下陷臺階在鈑金成形時容易定位不準確而產生偏差，影響零件成形精度。

根據零件結構特點，為減少數控銑切的變形量，縮短零件制造周期及降低制造費用，綜合三種成形工藝的利弊，初步確定采用數控銑切—鈑金成形的工藝方法成形零件。

2 工藝方案

鈦合金對接帶板設計選用 TC4材料，屬于高強度鈦合金，該材料常溫下塑性較差，成形極為困難，而TC4在650℃～800℃范圍時具有很好的塑性，因此在數控銑切展開外形后，通過等溫加熱工藝實現零件的最終成形。等溫加熱成形是將模具放在熱成形機中加熱，待模具溫度達到工藝要求時，將零件按毛料放入模具中保溫，待溫度均勻后合模，保溫保壓，等溫加熱成形具有以下優點：

1）模具溫度均勻，零件加熱溫度均勻，材料均勻流動，不易產生開裂及皺折；

2）加熱后材料塑性提高，變形抗力降低，對設備及模具損傷?。?/p>

3）保溫的溫度、時間與退火的溫度、時間接近，所以成形后零件無殘余應力，貼胎度好；

4）成形溫度受控均勻，沒有晶粒長大等材質變化的可能性，同時表面產生均勻的低溫氧化，后續表面處理容易去除氧化皮；

5）無需進行真空退火消除應力，大大降低成本，提高效率。

3 技術難點

采用數控銑切—鈑金彎曲成形工藝進行對接帶板成形，極大的降低了數控銑切難度和切削量，零件外形通過等溫加熱成形在模具上進行保證，由于對接帶板零件為變厚度截面，且是在展開狀態下進行成形，對于等溫加熱成形具有如下技術難點：

3.1 缺少工藝參數

等溫加熱成形通常僅成形鈦合金薄板零件，厚度在3.5mm以下，對接帶板零件最大厚度達到7.0mm，超出常規的等溫加熱成形范圍，生產中無成熟的工藝參數，等溫加熱成形所需的壓力、時間等工藝參數不確定，需要重新摸索參數。

3.2 零件定位困難

等溫加熱成形由于是在高溫下成形，工人操作不方便，無法準確定位，一般在零件邊緣增加余量，通過擋銷控制毛料的大概位置即可，成形后再進行余量的去除，而對接帶板零件由于是在數控銑切展開外形的凈尺寸狀態下進行等溫加熱成形時，如何保證零件定位準確，決定了零件的最終成形精度。

3.3 模具合模間隙要求高

對接帶板零件厚度有7.0mm、5.0mm、3.5mm多種規格，整個帶板上存在多處的階差，對模具制造間隙的均勻提出更高要求，間隙不均勻容易造成帶板所受壓力不均勻，影響零件最終成形質量。

4 解決措施

針對采用數控銑切—鈑金彎曲成形工藝方法進行對接帶板成形的技術難點，進行工藝分析，制定如下措施：

4.1摸索工藝參數

選取TC4-7.0的鈦板作為試驗件摸索零件熱成形參數，選取幾組工藝參數，見表1。

對成形后的試驗件進行貼胎度、表面質量進行比較，選用參數1、2、3成形的試驗件貼胎度分別為1.2mm、0.8mm、0.15mm，可以明顯的看出選用工藝參數3的試驗件具有很好的貼胎度，能夠滿足零件成形需求，最后選定工藝參數3作為零件的成形參數。

4.2 保證零件高溫下定位精度

帶板的定位困難主要是由于高溫下工人可操作時間段和操作不方便，為保證高溫下工人操作的方便性，將零件的定位方式設計為長圓孔形，這種方式結合了擋銷的操作方便與套銷定位精準的特點，即在方便操作的前提下又保證了定位精度。

具體方法是在帶板弧度小的方向增加2-φ8的長圓孔，長圓孔通過制造數據集與展開數據集協調一致，零件數控銑切展開外形時按展開數據集在零件耳片上加工出長圓孔，熱成形模具上按制造數據集在長圓孔位置設計有相同大小的錐形定位銷，通過錐形定位銷與長圓孔保證零件定位精度，定位長圓孔如圖2。

4.3 模具結構設計

由于零件厚度不一致，存在階梯式的變厚度，對模具的合模間隙提出很高要求，考慮到模具制造及帶板零件銑切時的公差，為有效保證模具間隙的均勻性，在模具進行結構設計時，對應零件上的階梯位置處在模具上開躲避，如圖3，模具與零件的階梯位置開2mm大小的躲避槽，有效的避免了零件與模具、上模與下模的干涉，提高了合模精度，有利于零件的成形。

5 結論

通過選擇合理的熱成形工藝參數，控制零件高溫定位精度及優化模具結構設計，通過等溫加熱成形工藝實現了鈦合金對接帶板零件的加工制造，零件成形后的精度能夠保證貼胎度小于0.3mm，完全滿足設計要求。

對接帶板零件的制造，是數控銑切—鈑金成形工藝方法的成功應用，該方法充分利用了鈦合金高溫下具有良好的塑性這一特點，減少了對接帶板的數控銑切切削量，極大的降低了制造成本，縮短了制造周期，為鈦合金變厚蒙皮零件的制造提供了一種全新工藝方法，提高了公司在鈦合金材料制造方面的技術水平，具有極大的推廣意義。

參考文獻：

[1] 航空制造工程手冊（飛機鈑金工藝）.航空工業出版社，1992.

[2] 先進航空鈦合金材料與應用.國防工業出版社，2012.