1、 西安航空职业学院 毕业论文 大型钛合金蒙皮整体化热成形工艺研究 姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师 : 摘要： 本研究是将拼焊蒙皮 组合件作为一个大型零件直接进行一次热成形，替代 原有的多次 热成形和焊接流程。 开发了适用于大型模具制造的新型耐热铸钢材料，具有良好的综合力学性能和抗高温氧化性，各项性能指标优于现行技术要求。设计了整体成形工装， 采用工艺过程模拟仿真分析 技术预判成形质量 ，减少实验成本和误差， 形成了钛合金整体化等温热成形方法，实现了超大型钛合金蒙皮的无焊缝整体成形。 关键词： 钛合金，等温热成形，工艺仿真，整体成形 1 引言 如图 1 所示为 机身
2、 6 个（ 3 组对称）钛合金蒙皮组合件，分别由 3、 7、 4 个热成形零 件焊接成形，小零件的成形降低了对于设备规模的要求和技术难度，但带来 成本高、周期长和质量差等问题。本 文 的研究对象是组合件三，零件材料： TC2 钛合金，厚度 1.2mm ，尺寸：2550mmx800mm，弦高 110mm。现由 4 个热成形零件 拼焊 而成， 即每 个零件分别进行成形 制外形 铣切 酸洗 工序， 再经过三道 曲线焊缝 焊接 成形，制造工艺流程如图 2 所示。 图 1 后机身 6 个组合件示意图 配 套零 件检 验零 件装 配 第 1 2 零 件 、 焊 前 处 理（ 装 配 检 验 夹 具 ）检验
3、焊 接（ 焊 接 夹具 1 套 ）检验装 配 第 3 4 零 件 、 焊 前 处 理（ 装 配 检 验 夹 具 ）X 光 检验 焊 缝检 验 尺 寸 及表 面 质 量荧 光检 验检验焊 接（ 焊 接 夹 具 1 套 ）检验终检热 处理装 配 两 组 焊 接 件 、 焊 前 处 理（ 装 配 检 验 夹 具 ）焊 接（ 焊 接 夹 具 1 套 ）检验图 2 焊接 制造工艺流程 图 存在的问题包括： （ 1） 成形工艺问题 ：成本高：需要 4 套热成形工装， 4 套敲检模， 1 套装配检验夹具， 3套焊接工装， 1 套热处理工装，共计 13 套工装，仅工装成本约为 100 万，并且材料利用率低，能
4、源浪费较多，生产成本高昂；周期长：由于工装数量多，设计制造周期长；零件制造工序多，热成形工艺流程就需要走 四 遍，焊接 三 次，每条焊缝需要 X 光检验， 再 进行热处理，传递环节多，效率低，使整个生产周期成倍增长；质量差：零件数量多，制造过程精准度不易控制，累积误差大，曲面焊接工序多，工艺 难度 要求高，焊缝多，产生缺陷概率大，零件质量难以控制。 （ 2） 模具材 料问题：传统热成形模具材料中硅钼球墨铸铁在铸造过程中容易产生缩松、冷隔和气孔等，特别是模具大型化后对韧性的要求较高，难以满足使用要求；现用模具在高温时表面氧化现象，容易导致零件表面压伤；常温下脆性大，不耐搬运和储存；同时可修性差，
5、难以使用焊接等方法修复模具服役后产生的裂纹、压伤等。工装材料在长期实际生产中暴露出的问题亟待解决。 2 解决措施 该项目的总体思路是 针对该现状提出一种整体化热成形方法 1,2，即把原来的组合件作为一个大型零件直接进行一次热成形，替代现在的 四 次热成形和焊接流程。现有的设备 能力 已经可以满足一部分大型化零件的生产， 开发 新型模具材料铸造加工大型模具，采用工艺过程模拟仿真分析 3,4，减少实验成本和误差，并进行实验验证。该整体制造方法可以减少焊缝，极大地简化工序，解决技术难点，改善现有工艺的弊端，实现大型化、整体化零件的研制。 3 技术方案 3.1 模具设计 根据该外蒙结构特点分析其整体热
6、成形工艺方法，将拼焊零件型面合并，设计为一个大型的型面，整体成形的工装结构形式如图 1 所示。 图 1 等温 热成形工装 图 2 有限元模型 3.2 工艺仿真 采用 PAMSTAMP 软件 根据设计的工装型面进行热成形工艺仿真，建立有限元模型如图 2 所示， 模拟计算 使用板料的中性层，划分壳单元网格，模具网格数量为 10057，材料准则使用各向异性 Hill48 屈服准则，强化准则选择 Isotropic 等向强化，材料的基本参数为弹性模量 E为 26000MPa，泊松比 为 0.41，密度 为 4.55E-9ton/mm3，网格细化级数 3 级，质量放大系数 5，参数总体设置如图 3 所示
7、，工步具体参数设置如图 4 所示。 图 3 总体参数设置图 图 4 工步具体参数设置 初步成形的仿真结果如图 5 所示，板料成形过程中的 单元数量 从 3671 变化到 9315，网格逐级细化， 该蒙皮具备整体成形条件，整体料厚均匀，在 1.19-1.2mm 之间，无起皱、破裂等缺陷。 图 5 试验件减薄率分析 通过了初步的仿真结果后进行全型面的仿真计算，结果见图 6，板料初始网格数量为 6681，成形后网格数量达 13761，成形质量较好见图 7，网格 尺寸 充分细化 ， 多个口盖可一次成形，位置形状清晰。 图 6 成形仿真结果 图 7 口盖位置成形后的网格细化情况 试验件内的应力和应变的分
8、布状态如图 8 和图 9 所示，应力应变主要集中在口盖周围变形剧烈的位置，其它部分应力较为均匀，与实际情况吻合。由仿真结果判断，该蒙皮的整体热成形方案具有可行性。 图 8 板料所受主应力分布情况图 图 9 板料成形主应变 3.3 模具制造 传统的钛合金蒙皮等温热成形材料中硅钼球墨铸铁在长期的使用过程中暴露出诸多缺点，如生产过程中容易产生缩松、冷隔和气孔等，限制了模具的规模和使用；模具由于表面氧化现象导致零件表面压伤；常温下耐热铸铁的脆性大，不耐搬运和储存，同时可修性差，很难用焊接等方法修复模具因服役产生的裂纹、压伤等。 本 项目开发了 新 型耐热铸钢 材料铸造加工 热成形模具 。 该材料 是一
9、种奥氏体耐热合金钢，此钢较 中硅钼球墨铸铁 有 更 高的高温强度及良好的抗氧化 性 ，并具有耐磨、耐腐蚀 性能，成产工艺容易掌握，其良好的铸造性能更有利于大型模具的铸造成形，其化学成 分主要为表 1： 表 1 耐热合金钢的化学成分 C Si Mn Cr Ni N S P 0.250.35 1.52.0 2.03.0 18.520.5 3.55.0 0.170.24 0.030 0.035 经实验对比分析 ，同一实验条件下， 该 合金的力学性能、冲击韧性及抗氧化性能都显著优于中硅钼球墨铸铁，同时， 该 合金具有更低的线膨胀系数。同一实验温度下， 该 合金经 750时效 300h 后，与时效前相比
10、，合金的抗拉强度略有降低，但几乎保持与时效前一致，而持久寿命变化不大，甚至略有增加，表明该合金适于在 750 下长期稳定服役。 结合其铸造、焊接和机械加工性能等综合评价， 该 合金 钢较中硅钼球墨铸铁在作为钛合金热成形模具的材料方面具有优势。 4 等温热成形 验证 材料厚度 1.2mm ，毛坯尺寸 2600mmx1000mm，试验温度 650 ，压力 50 吨。如图 10 所示 零件 成形质量 良好 ，验证了该拼焊蒙皮件整体化成形的可行性。 图 10 试验件实物图 本 项目 将原有繁琐的制造流程简化，即把原来的焊接组合件简化为一个大型零件直接进行一次热成形，替代原有的 四 次热成形和三次焊接流
11、程，减少焊缝，简化工序，解决技术难点，改善现有工艺的弊端。 5 结论 本项目开发了适用于大型模具制造的新型耐热铸钢材料具有良好的综合力学性能和抗高温氧化性，各项性能指标优于现行技术要求，达到同类模具材料领先水平。实现了超大型钛合金蒙皮的无焊缝整体化成形， 工装数量减少 70%、 工序减少 60%、 生产周期缩短 50%， 显著提高生产效率 。 参考文献 1李鹏亮 ,张志 .钛合金热成形模具 J.航空制造技术 ,2012(21):94-97. 2崔晶 .航空钛合金零件热成形及应用分析 J.航空科学技术 ,2007(5):38-40. 3郭天文 .TC4 钛合金板材热拉深成形数值模拟与试验研究 D.哈尔滨工业大学硕士学位论文 ,2008. 4薛松 .TA15 钛合金大型航空结构件成形特性与工艺研究 D.重庆大学博士学位论文 ,2011. 致 谢 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正 !
