一種新型高強(qiáng)度鈦合金雙曲率薄壁寬板模壓成形工藝研究

徐曦榮，劉鴻彥，蔡 娜，周 果

（南京寶色股份公司，江蘇 南京 211178）

1 概述

某鈦合金結(jié)構(gòu)體外板成形一般多采用成形模具壓制或無(wú)模多點(diǎn)成形方法進(jìn)行制造，且成形后的單張外板寬度凈尺寸僅有450mm，從而使得整個(gè)鈦合金結(jié)構(gòu)體外板拼接焊縫較多，大大增加焊接工作量和潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。我公司擬對(duì)某鈦合金結(jié)構(gòu)體用高強(qiáng)度鈦合金外板采用寬板模壓成形的新型方法進(jìn)行制造，且成形后的鈦合金單張外板寬度凈尺寸約為1000mm，可大大減少鈦合金結(jié)構(gòu)體的外板拼接焊縫數(shù)量，從而有效減少產(chǎn)品的焊接工作量，同時(shí)也可降低產(chǎn)品的潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2 寬板成形研究方案設(shè)計(jì)

某鈦合金結(jié)構(gòu)體外板成形有效寬度僅有450mm，且單張外板只能同時(shí)覆蓋一跨兩根徑向筋，故外板對(duì)接焊縫數(shù)量與鈦合金結(jié)構(gòu)體徑向筋數(shù)量相等，外板焊接工作量較大，使得整個(gè)產(chǎn)品的制作周期較長(zhǎng)。

若能夠?qū)崿F(xiàn)足夠大的寬板同時(shí)覆蓋兩跨三根徑向筋或是三跨四根徑向筋，則整個(gè)鈦合金結(jié)構(gòu)體外板對(duì)接焊縫將大大減少；同時(shí)，可進(jìn)一步提高鈦合金結(jié)構(gòu)體質(zhì)量穩(wěn)定性與可靠性，故在寬板成形工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮研究模塊選取整個(gè)鈦合金結(jié)構(gòu)體中曲率最大、深度最深的區(qū)域，研究區(qū)域尺寸為長(zhǎng)2000mm×寬1400mm（具體研究模塊結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖1所示），且在工藝試驗(yàn)時(shí)優(yōu)先開(kāi)展1400mm寬板模壓成形試驗(yàn)。若模壓試驗(yàn)成功，將不再開(kāi)展1100mm寬板模壓成形試驗(yàn)。若1400mm寬板模壓試驗(yàn)不成功，則再開(kāi)展1100mm的寬板模壓成形試驗(yàn)。

圖1 寬板成形研究模塊示意圖

3 寬板成形工藝方案研究

3.1 寬板成形加工流程

材料檢驗(yàn)→材料復(fù)驗(yàn)（化分、力學(xué)、金相等）→下料→預(yù)彎→模壓成形→消應(yīng)力熱處理定型→外觀及性能檢測(cè)（化分、力學(xué)、金相等）→表面滲透檢查→表面噴砂處理→表面酸洗處理→成形檢測(cè)→標(biāo)識(shí)。

3.2 寬板成形工藝研究

因鈦合金結(jié)構(gòu)體外板為薄壁雙曲面弧形板，通過(guò)常規(guī)卷制或折彎工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)，須制作仿形壓模進(jìn)行整體壓制方可成形。首先，需根據(jù)鈦合金結(jié)構(gòu)體幾何模型曲線圖紙建模，確認(rèn)寬板成形壓模結(jié)構(gòu)。依據(jù)壓模結(jié)構(gòu)制作上、下壓模，并打磨拋光至金屬光澤以避免污染鈦合金寬板。利用檢測(cè)樣板檢查壓模曲面至合格，然后進(jìn)行鈦合金寬板試壓工作，試壓寬板與壓模需同爐消應(yīng)力熱處理定型。消應(yīng)力熱處理定型后對(duì)試壓寬板進(jìn)行全面外觀、成形尺寸檢驗(yàn)直至合格。具體的寬板成形加工工藝如下：

3.2.1 材料驗(yàn)收

1）鈦合金板入庫(kù)前，驗(yàn)收材料規(guī)格尺寸、表面質(zhì)量、數(shù)量并記錄備案；

2）在鈦合金寬板表面指定區(qū)域使用不含油性的記號(hào)筆記錄原材料牌號(hào)、規(guī)格尺寸（長(zhǎng)*寬*厚度）、材料移植號(hào)及任務(wù)號(hào)等；

3）以上項(xiàng)目驗(yàn)收合格后，辦理正式原材料驗(yàn)收入庫(kù)手續(xù)，作入庫(kù)標(biāo)識(shí)并放置于專(zhuān)用場(chǎng)地存放保管。

3.2.2 壓模制作

1）壓模制作

制作寬板成形壓模，采用上、下壓模設(shè)計(jì)。上、下壓模鋼板立筋表面需使用8mm鋼板進(jìn)行覆蓋，且鋼板表面打磨、拋光處理至金屬光澤，表面不允許有毛刺、棱角及突變；具體壓模結(jié)構(gòu)形式參見(jiàn)下圖2所示。

圖2 寬板成形壓模結(jié)構(gòu)示意圖

2）壓模驗(yàn)收

上、下壓模制作完成后，應(yīng)使用檢測(cè)樣板檢查壓模曲面至合格。

3.2.3 寬板下料

鈦合金薄壁寬板采用水射流切割下料，并在下料后機(jī)械去除邊緣毛刺。

表2 板厚4mm鈦合金薄壁寬板成形前、后化學(xué)成分對(duì)照表

3.2.4 寬板壓制

1）壓制設(shè)備：3200T油壓機(jī)；

2）壓制工裝：對(duì)上、下壓模表面清理去除浮銹、灰塵及其它異物；

3）寬板壓制：試壓的鈦合金薄壁寬板需先使用卷板機(jī)進(jìn)行預(yù)卷，然后模壓成形；

4）寬板熱處理定型：鈦合金薄壁寬板模壓成形后，應(yīng)焊接固定上、下壓模，并對(duì)鈦合金寬板與壓模進(jìn)行同爐消應(yīng)力熱處理定型（需帶熱成形見(jiàn)證試板）；

5）寬板成形檢測(cè)：鈦合金薄壁寬板消應(yīng)力熱處理定型并與壓模分開(kāi)后，使用檢驗(yàn)樣板進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)模壓成形后側(cè)板材表面進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，按NB/T47013.5-2015Ⅰ級(jí)合格；同時(shí)，需對(duì)鈦合金寬板熱定型見(jiàn)證試板進(jìn)行檢測(cè)。具體檢測(cè)要求如下：

表1 鈦合金薄壁寬板熱處理見(jiàn)證試板力學(xué)性能要求

4 寬板成形試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

通過(guò)對(duì)板厚4mm、板寬1400mm和1100mm鈦合金薄壁板分別進(jìn)行模壓成形試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)板寬1400mm鈦合金薄壁板無(wú)法成形合格，且成形后的板邊緣皺褶嚴(yán)重且有較大裂紋；而板寬1100mm鈦合金薄壁板，在模壓成形并熱定型后，其邊緣也出現(xiàn)一定皺褶（參見(jiàn)下圖3所示）。板寬1100mm的鈦合金薄壁板邊緣皺褶深度約2mm，并向板寬內(nèi)側(cè)方向延伸約20～40mm。因鈦合金薄壁板在壓制時(shí)四邊均留有約50mm切割余量，故此部分皺褶在后續(xù)裁切定尺時(shí)可去除，滿足使用要求。

圖3 板寬1400mm/1100mm鈦合金薄壁寬板成形后示意圖

同時(shí)，通過(guò)對(duì)成形前、后的板寬1100mm鈦合金薄壁寬板化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，成形后鈦合金薄壁板的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織較原材料均未發(fā)生大的變化。鈦合金薄壁寬板成形前、后的化學(xué)成分及力學(xué)性能數(shù)據(jù)對(duì)比參見(jiàn)下表2和3所示。

表3 板厚4mm鈦合金薄壁寬板成形前、后力學(xué)性能對(duì)照表

4mm鈦合金薄壁寬板成形前、后金相組織變化參見(jiàn)下圖4所示。

圖4 鈦合金薄壁寬板成形前、后金相組織示意圖

5 結(jié)論

綜上所述，板厚4mm、板寬1400mm高強(qiáng)度鈦合金雙曲率薄壁寬板采用新型模壓成形工藝方法制造非常困難，且容易產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋；而板厚4mm、板寬1100mm高強(qiáng)度鈦合金雙曲率薄壁寬板采用新型模壓成形工藝方法制造相對(duì)容易，成型效果較好。同時(shí)，熱定型后鈦合金薄壁板材的化學(xué)成分特別是氫、氧含量未發(fā)生明顯變化，力學(xué)性能較原材料性能雖略有下降但不明顯，而熱定型后鈦合金薄壁板材的金相組織則較原材料更為細(xì)膩、均勻。成形后的鈦合金薄壁板的化學(xué)成份、力學(xué)性能及金相組織均滿足原材料標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求。

故從鈦合金薄壁寬板生產(chǎn)加工難度及其成形工藝及質(zhì)量可靠性角度出發(fā)，1100mm鈦合金薄壁寬板即可滿足鈦合金結(jié)構(gòu)體產(chǎn)品外板工藝需要，且可有效減少產(chǎn)品外板對(duì)接焊縫數(shù)量及外板焊接工作量，大大降低鈦合金結(jié)構(gòu)體的潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，從而使得鈦合金結(jié)構(gòu)體產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定、可靠。