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TC1鈦合金整流內(nèi)罩熱成形工藝研究
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-03-27
對(duì)鈦合金TC1整流內(nèi)罩熱成形工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示成形鈦合金TC1整流內(nèi)罩只需一道熱拉延校形工序。
一、前言
鈦合金TC1整流內(nèi)罩是某新型國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的一種鈦合金鈑金零件，薄壁、大高徑比、頂部有一內(nèi)翻邊孔、呈旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)特征，該鈦合金零件基本依照國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)鈦合金鈑金零件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)而成，該鈦合金鈑金結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)首次采用，其成形難度大。本文對(duì)鈦合金TC1整流內(nèi)罩的熱成形工藝進(jìn)行了研究，并研制成功了多個(gè)合格裝機(jī)零件，這里主要介紹相關(guān)的熱成形工藝及其模具結(jié)構(gòu)。
二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
TC1整流內(nèi)罩的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，類似旋轉(zhuǎn)拋物面，端口直徑210mm，頂部?jī)?nèi)翻邊孔直徑50mm，兩者均為配合尺寸，尺寸精度要求高，高徑比為1.0。整流內(nèi)罩零件材料為鈦合金TC1，厚度為0.8mm。
鈦合金鈑材室溫塑性低、變形回彈大、易失穩(wěn)起皺、對(duì)裂紋敏感易開裂，通常采用550～750℃的高溫?zé)?/span>沖壓成形(簡(jiǎn)稱熱成形)。因此，TC1整流內(nèi)罩必須熱成形。
鈦合金TC1整流內(nèi)罩高徑比達(dá)1.0，變形量大，變形力包括凸緣部分的鈑料內(nèi)部徑向壓應(yīng)力和凸模頂部周圍的鈑料內(nèi)部拉應(yīng)力也大，因而，在成形過程中，凸緣部分容易起皺，凸模頂部附近的鈑料存在開裂傾向，進(jìn)入凹模但尚未貼模而處于懸空狀態(tài)的鈑料極易受壓失穩(wěn)起皺；0.8mm的薄壁將加劇上述三處二類成形問題，使TC1整流內(nèi)罩成形更加困難；頂部翻邊孔的存在加大了相關(guān)部分的鈑料開裂趨勢(shì)。
一般，高徑比大于0.5的回轉(zhuǎn)拋物面類鈑金零件需要兩道或兩道以上的拉延工序。在拉延過程中，鈑料破裂傾向或趨勢(shì)可以通過增加中間成形工序?qū)⒖偟拇蟮淖冃位》纸獾礁鞒尚喂ば虻姆椒右越鉀Q，鈑料起皺現(xiàn)象可以在增加中間成形工序的同時(shí)，通過中間過渡結(jié)構(gòu)而消除。然而，增加熱成形工序和采用過渡結(jié)構(gòu)等工藝措施與熱成形的基本工藝原則相矛盾。首先，為了減輕高溫氧化和吸氫等對(duì)鈦合金零件的有害影響，要求對(duì)鈦合金零件的加熱次數(shù)和累積加熱時(shí)間應(yīng)盡可能的少，因此，鈦合金零件的熱成形工序愈少愈好，最理想的情況是只采用一道熱成形工序。其次，熱成形模具內(nèi)部溫度通常按一定的梯度分布，距離加熱源即上、下加熱平臺(tái)愈近的模具部位溫度愈高，反之，相應(yīng)模具部位的溫度愈低，因此，要求熱成形模具的總高度應(yīng)盡可能地低。再次，多工序在增加模具數(shù)量的同時(shí)，也增加了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，而在熱成形時(shí)，由于模具表面氧化及其溫度分布的不均勻等原因，模具滑動(dòng)面之間極容易卡死，因此，熱成形模具結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。
解決上述矛盾的理想途徑應(yīng)該是，采用最少的熱成形工序和最簡(jiǎn)單的熱成形模具結(jié)構(gòu)成形TC1整流內(nèi)罩，也就是說，最好將熱拉延、熱翻邊和熱校形三者合一，只采用一道熱拉延校形工序成形TC1整流內(nèi)罩，實(shí)際上，鈦合金鈑材本身良好的抗拉延變薄特性為此提供了可能。良好的抗拉延變薄特性意味著為了防止凸緣起皺，可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)通過增大壓邊力消除凸緣起皺；意味著為了防止進(jìn)入凹模但尚未貼緊凸模而處于懸空狀態(tài)的鈑料受壓失穩(wěn)起皺，可以在相當(dāng)大的程度上增大壓邊力，以提高這部分鈑料內(nèi)部的拉應(yīng)力，從而等于相應(yīng)地降低了其內(nèi)部的徑向壓應(yīng)力，達(dá)到基本甚至完全消除該部分材料因受壓失穩(wěn)的起皺現(xiàn)象；意味著只要工藝措施得當(dāng)，鈑料的開裂傾向可以得到有效地控制。
綜上所述，應(yīng)以增加壓邊力為主要手段，采用熱拉延、熱翻邊和熱校形三者合一的工藝方案，在一道熱拉延校形工序中，熱成形TC1整流內(nèi)罩。
四、熱成形工藝
經(jīng)過熱成形工藝試驗(yàn)，最后確定：對(duì)鈦合金TC1整流內(nèi)罩采用將熱拉延、熱翻邊和熱校形三種熱成形手段有機(jī)地結(jié)合在一起的成形方法。
熱拉延校形溫度為600～650℃。
熱拉延校形TC1整流內(nèi)罩只采用一道熱成形工序，通過使用耦合模具，將熱拉延、熱翻邊和熱校形三者合一，再輔以增加壓邊力等工藝措施，便可以防止裂紋的產(chǎn)生，消除零件表面的皺紋，提高零件外形和尺寸精度；也可以因只采用一道熱成形工序，降低了TC1整流內(nèi)罩的高溫氧化和氫污染等有害影響，因此也提高了零件的質(zhì)量。
TC1整流內(nèi)罩熱成形工藝流程為：下圓形毛料并打磨毛邊→清洗毛坯并涼干→在毛坯兩面涂抗氧化涂料并涼干→在毛坯上涂潤(rùn)滑劑并涼干→預(yù)熱→熱拉延校形→切邊并打磨→清洗→酸洗→檢驗(yàn)。
五、模具結(jié)構(gòu)
TC1整流內(nèi)罩的熱成形模具為兼有熱拉延、熱翻邊和熱校形功能的耦合熱壓校形模具，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。
在熱拉延校形TC1整流內(nèi)罩時(shí)，首先使凹模1隨上工作臺(tái)抬起至凸模3頂部20mm以上處。然后，用頂料桿頂起壓料板2至稍高于凸模3頂部的位置，將涂有抗高溫氧化和高溫潤(rùn)滑涂料且已預(yù)熱到600～650℃的TC1整流內(nèi)罩的平板毛料放置在頂料板上，并定位。再后，上工作臺(tái)下移，使凹模1與壓料板2在頂料桿的作用下緊壓毛料，并一起向下移動(dòng)，直到壓料板觸到下平臺(tái)，保持不動(dòng)5min左右以達(dá)到保壓校形的目的。最后，凹模1隨上工作臺(tái)抬起，頂料桿頂起壓料板2，取出零件。
鈦合金TC1整流內(nèi)罩是某新型國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的一種鈦合金鈑金零件，薄壁、大高徑比、頂部有一內(nèi)翻邊孔、呈旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)特征，該鈦合金零件基本依照國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)鈦合金鈑金零件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)而成，該鈦合金鈑金結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)首次采用，其成形難度大。本文對(duì)鈦合金TC1整流內(nèi)罩的熱成形工藝進(jìn)行了研究，并研制成功了多個(gè)合格裝機(jī)零件，這里主要介紹相關(guān)的熱成形工藝及其模具結(jié)構(gòu)。
二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
TC1整流內(nèi)罩的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，類似旋轉(zhuǎn)拋物面，端口直徑210mm，頂部?jī)?nèi)翻邊孔直徑50mm，兩者均為配合尺寸，尺寸精度要求高，高徑比為1.0。整流內(nèi)罩零件材料為鈦合金TC1，厚度為0.8mm。
圖1 TC1整流內(nèi)罩結(jié)構(gòu)示意圖
鈦合金鈑材室溫塑性低、變形回彈大、易失穩(wěn)起皺、對(duì)裂紋敏感易開裂，通常采用550～750℃的高溫?zé)?/span>沖壓成形(簡(jiǎn)稱熱成形)。因此，TC1整流內(nèi)罩必須熱成形。
鈦合金TC1整流內(nèi)罩高徑比達(dá)1.0，變形量大，變形力包括凸緣部分的鈑料內(nèi)部徑向壓應(yīng)力和凸模頂部周圍的鈑料內(nèi)部拉應(yīng)力也大，因而，在成形過程中，凸緣部分容易起皺，凸模頂部附近的鈑料存在開裂傾向，進(jìn)入凹模但尚未貼模而處于懸空狀態(tài)的鈑料極易受壓失穩(wěn)起皺；0.8mm的薄壁將加劇上述三處二類成形問題，使TC1整流內(nèi)罩成形更加困難；頂部翻邊孔的存在加大了相關(guān)部分的鈑料開裂趨勢(shì)。
一般，高徑比大于0.5的回轉(zhuǎn)拋物面類鈑金零件需要兩道或兩道以上的拉延工序。在拉延過程中，鈑料破裂傾向或趨勢(shì)可以通過增加中間成形工序?qū)⒖偟拇蟮淖冃位》纸獾礁鞒尚喂ば虻姆椒右越鉀Q，鈑料起皺現(xiàn)象可以在增加中間成形工序的同時(shí)，通過中間過渡結(jié)構(gòu)而消除。然而，增加熱成形工序和采用過渡結(jié)構(gòu)等工藝措施與熱成形的基本工藝原則相矛盾。首先，為了減輕高溫氧化和吸氫等對(duì)鈦合金零件的有害影響，要求對(duì)鈦合金零件的加熱次數(shù)和累積加熱時(shí)間應(yīng)盡可能的少，因此，鈦合金零件的熱成形工序愈少愈好，最理想的情況是只采用一道熱成形工序。其次，熱成形模具內(nèi)部溫度通常按一定的梯度分布，距離加熱源即上、下加熱平臺(tái)愈近的模具部位溫度愈高，反之，相應(yīng)模具部位的溫度愈低，因此，要求熱成形模具的總高度應(yīng)盡可能地低。再次，多工序在增加模具數(shù)量的同時(shí)，也增加了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，而在熱成形時(shí)，由于模具表面氧化及其溫度分布的不均勻等原因，模具滑動(dòng)面之間極容易卡死，因此，熱成形模具結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。
解決上述矛盾的理想途徑應(yīng)該是，采用最少的熱成形工序和最簡(jiǎn)單的熱成形模具結(jié)構(gòu)成形TC1整流內(nèi)罩，也就是說，最好將熱拉延、熱翻邊和熱校形三者合一，只采用一道熱拉延校形工序成形TC1整流內(nèi)罩，實(shí)際上，鈦合金鈑材本身良好的抗拉延變薄特性為此提供了可能。良好的抗拉延變薄特性意味著為了防止凸緣起皺，可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)通過增大壓邊力消除凸緣起皺；意味著為了防止進(jìn)入凹模但尚未貼緊凸模而處于懸空狀態(tài)的鈑料受壓失穩(wěn)起皺，可以在相當(dāng)大的程度上增大壓邊力，以提高這部分鈑料內(nèi)部的拉應(yīng)力，從而等于相應(yīng)地降低了其內(nèi)部的徑向壓應(yīng)力，達(dá)到基本甚至完全消除該部分材料因受壓失穩(wěn)的起皺現(xiàn)象；意味著只要工藝措施得當(dāng)，鈑料的開裂傾向可以得到有效地控制。
綜上所述，應(yīng)以增加壓邊力為主要手段，采用熱拉延、熱翻邊和熱校形三者合一的工藝方案，在一道熱拉延校形工序中，熱成形TC1整流內(nèi)罩。
四、熱成形工藝
經(jīng)過熱成形工藝試驗(yàn)，最后確定：對(duì)鈦合金TC1整流內(nèi)罩采用將熱拉延、熱翻邊和熱校形三種熱成形手段有機(jī)地結(jié)合在一起的成形方法。
熱拉延校形溫度為600～650℃。
熱拉延校形TC1整流內(nèi)罩只采用一道熱成形工序，通過使用耦合模具，將熱拉延、熱翻邊和熱校形三者合一，再輔以增加壓邊力等工藝措施，便可以防止裂紋的產(chǎn)生，消除零件表面的皺紋，提高零件外形和尺寸精度；也可以因只采用一道熱成形工序，降低了TC1整流內(nèi)罩的高溫氧化和氫污染等有害影響，因此也提高了零件的質(zhì)量。
TC1整流內(nèi)罩熱成形工藝流程為：下圓形毛料并打磨毛邊→清洗毛坯并涼干→在毛坯兩面涂抗氧化涂料并涼干→在毛坯上涂潤(rùn)滑劑并涼干→預(yù)熱→熱拉延校形→切邊并打磨→清洗→酸洗→檢驗(yàn)。
五、模具結(jié)構(gòu)
TC1整流內(nèi)罩的熱成形模具為兼有熱拉延、熱翻邊和熱校形功能的耦合熱壓校形模具，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。
在熱拉延校形TC1整流內(nèi)罩時(shí)，首先使凹模1隨上工作臺(tái)抬起至凸模3頂部20mm以上處。然后，用頂料桿頂起壓料板2至稍高于凸模3頂部的位置，將涂有抗高溫氧化和高溫潤(rùn)滑涂料且已預(yù)熱到600～650℃的TC1整流內(nèi)罩的平板毛料放置在頂料板上，并定位。再后，上工作臺(tái)下移，使凹模1與壓料板2在頂料桿的作用下緊壓毛料，并一起向下移動(dòng)，直到壓料板觸到下平臺(tái)，保持不動(dòng)5min左右以達(dá)到保壓校形的目的。最后，凹模1隨上工作臺(tái)抬起，頂料桿頂起壓料板2，取出零件。
圖2TC1整流內(nèi)罩熱成形模具結(jié)構(gòu)示意圖
1.凹模2.壓料板3.凸模
這里需要特別指出的是，熱拉延校形TC1整流內(nèi)罩過程中的操作技巧直接影響零件的成形質(zhì)量和精度。
模具材料為中硅鉬耐熱鑄鐵。
模具工作型面結(jié)構(gòu)尺寸按下列關(guān)系式確定，
Li＝(1+D)Lp
式中Li——模具常溫名義尺寸
Lp——整流內(nèi)罩常溫名義尺寸
D——縮放系數(shù)，它與模具材料、零件材料和熱成形溫度有關(guān)，這里取D＝-0.0031～-0.0033
六、結(jié)論
某新型國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金TC1整流內(nèi)罩適合于熱拉延校形，并且，只需一道熱拉延校形工序。
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