一種Ti6Al4V 鈦合金油箱成形工藝的改進

文/楊文龍，郭文平，潘峰·貴州永紅航空機械有限責任公司

曹江·空裝成都局駐貴陽地區第三軍代室

孫桂川，施立軍·蘇州伍玥航空科技有限公司

本文通過有限元分析的方法，針對一種Ti6Al4V 鈦合金油箱的成形工藝進行了改進，通過對零件圓角的修改，實現該零件的一體式拉深成形工藝，提高了零件的精度和整體剛度；并借助有限元分析軟件，確定成形工藝曲面和成形參數，并據此設計成形模具，并通過等溫熱成形的方法，分別在600℃下成形和800℃下整形，最終獲得合格產品，同時也驗證了仿真的正確性。

近年來，隨著我國航空事業的蓬勃發展，鈦合金由于其輕質高強的特性，在減輕發動機及飛機重量、改善產品性能方面發揮著越來越重要的作用，因此鈦合金在航空發動機及飛機上的運用比重也越來越高。而鈦合金板材由于其獨特的性能，傳統的冷成形無法適應鈦合金板材的成形，鈦合金板材在冷沖壓時易開裂、回彈嚴重且需要較大的成形力，因此，一般采用熱成形工藝成形鈦合金。目前，隨著產品的功能要求越來越高，一些鈦合金鈑金產品型面設計上更為復雜，整體性更高，這給主機制造廠提出了更大的挑戰。因此，目前很多主機廠都提出“協同設計”理念，即將零件的設計與主機廠的工藝相結合，使零件能夠實現更加復雜的整體成形，再采用有限元分析驗證其工藝可行性，對其進行試驗驗證，最終獲得合格的實物產品。

零件簡介和研究對象分析

漏油箱零件(圖1)材質為Ti6Al4V，最大外形尺寸約為380mm×160mm×91mm，頂部圓角R2mm，側壁圓角R20mm，底部為圓角R8mm(四周)；由于底部四個圓角R8mm 太小，且與側壁圓角過渡比較集聚，改成整體成形時，此處是風險點，因此，在保證零件和容積使用要求的前提下，底部四個圓角進行平緩化處理，如圖2 所示。對整體設計后的油箱進行有限元的可行性分析，整體的拉深深度約75mm。

圖1 油箱分體三維數模

圖2 油箱整體三維數模

Ti6Al4V 鈦合金介紹及工藝路線選擇

Ti6Al4V 鈦合金是一種中等強度的α-β 型兩相合金，該合金具有優異的綜合性能，在航空和航天工業中獲得了最廣泛的應用。合金長時間工作溫度可達400℃，在航空工業中主要用于制造發動機的風扇和壓氣機盤及葉片，以及飛機結構中的梁、接頭和隔框等重要承力構件。

由于該油箱頂部圓角為R2mm，直接拉深圓角太小，因此制定工藝路線，需要增加兩序拉深預成形；預成形工序1(OP20)將頂部圓角R2mm 增加到R10mm，底部圓角R10mm 增加到R15mm，拉深深度50mm；預成形工序2(OP30)將底部圓角從原來的R15mm 成形到位R10mm，同時拉深25mm，此時，零件拉深到位；最后一序熱整形工序(OP40)，將頂部圓角R10mm 成形到位R2mm。

另外，由于鈦合金材料溫度越高，材料屈服強度越小的特性，上述三道成形工序分別選取不同的成形溫度；兩道拉深預成形工序，較大的屈服強度有利于法蘭向內的料流動，避免局部應力的發生，因此選用600℃進行拉深；整形工序，較小的屈服強度利于材料發生變形，因此選用800℃下進行整形，表1 為Ti6Al4V 鈦合金600℃/800℃時材料性能參數；因此，根據需要制定該零件的工藝路線：下料→600℃等溫熱拉深(深度50mm)→600℃等溫熱拉深(深度25mm)→800℃等溫熱整形→切邊沖孔，路線圖如圖3 所示。

表1 Ti6Al4V 鈦合金600℃/800℃時材料性能參數

圖3 油箱等溫熱成形的工藝路線圖

零件的有限元分析

零件仿真數模的建立

對600℃等溫熱拉深(OP20 深度50mm)、600℃等溫熱拉深(OP30 深度25mm)、800℃等溫熱整形(OP40)三道熱成形工序進行仿真模型建立，其中OP30 的預成形模型是由OP20 仿真后的后處理輸出模型，OP40 的預成形零件模型是由OP30 仿真后的后處理輸出模型，如圖4 所示。

圖4 油箱各序熱成形仿真模型

零件仿真結果分析

將仿真模型導入有限元分析軟件中，逐序進行分析，獲得各序的減薄率云圖，如圖5 所示。由減薄率云圖可知，OP20 最大減薄12.989%，主要出現在底部圓角，最大增厚25.621%，出現在法蘭邊緣。

圖5 各序熱成形減薄率云圖

OP30 初始板料為OP20 的分析結果進行法蘭裁邊后的模型，因此其最大減薄為兩序的累計減薄，累計減薄率為12.954%，依舊出現在底部圓角，但略微比OP20 小；這是由于OP30 法蘭處發生流料，且底部圓角從OP20 的R15mm 變成OP30 的R10mm，底部圓角成形過程中由流料補充。OP30 的累計增厚為19.538%，出現在側壁圓角。

OP40 初始板料為OP30 的分析結果直接導入的模型，因此其最大減薄為三序的累計減薄，累計減薄率為12.848%，依舊出現在底部圓角，但略微比OP30小；這是由于整形時，頂部圓角從OP30 的R10mm變成OP40 的R2mm，凸凹合模時，頂部圓角處的材料自由流動，導致底部圓角處減薄率也略微減少。OP40 的累計增厚為22.210%，出現在側壁圓角和法蘭邊緣。

根據分析結果，最大減薄不超過15%，滿足設計要求，此方案可行。

試驗驗證

在伍玥航科自建300 噸熱成形自動化集成系統(圖6)，進行樣件開發和試驗，最終獲得合格樣件，并采用精度為0.05mm 的帶表內卡規測量該零件圓角處厚度，成形后的零件及測量點如圖7 所示。實測零件厚度與仿真(圖8)對比結果見表2。

表2 成形零件實測厚度與仿真對比

圖6 熱成形自動化集成系統

圖7 成形后的零件及測量點

圖8 仿真局部區的減薄情況

結束語

對于一些深度比較大，且傳統方法只能分體成形的鈦合金產品，在保證產品使用要求的前提下，可以做局部修改，使零件變成整體成形，可以有效地減少甚至消除焊縫，提高生產效率和產品的性能。對于Ti6Al4V 鈦合金的等溫熱成形，拉深工序可以選擇在600℃的工況下進行，有利于材料在熱工況下的法蘭成形；整形工序可以選擇在較高溫度800℃下進行，有利于小特征變形。實際成形零件測得的減薄結果接近仿真的最終結果，表明有限元仿真的準確性，這對實際生產具有有效的指導意義。