稀有金屬材料與工程：TC4半環(huán)超塑正反脹形工藝研究
2022-03-31【作 者】微石;陰中煒;高鵬;張緒虎
【引 言】隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，鈦、鈦合金及其金屬間化合物等材料，由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐溫的特點(diǎn)，越來越多的在一些彈體、箭體的重要承載結(jié)構(gòu)上得到了實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)成形工藝由于其加工手段落后，成形精度差，效率低下，已經(jīng)難以完全滿足鈦合金材料的制造工藝需求。而超塑成形技術(shù)作為一種先進(jìn)塑性加工手段，其優(yōu)勢巨大，特別適合于加工具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)件，迎合了未來航空航天產(chǎn)品的制造需求。采用該工藝制造的鈦合金翼舵面、艙段、貯箱、氣瓶等在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到初步應(yīng)用[1-3]。
鈦合金板材在超塑成形時(shí)，為了保證密封性，一般板材的壓邊區(qū)域是固定不動(dòng)的，因此板材在脹形過程中不同于傳統(tǒng)沖壓工藝，其壓邊區(qū)域一般不存在流動(dòng)，板材在變形時(shí)面積的增大會(huì)對其厚度造成明顯的減薄，由于脹形過程板材自身各處應(yīng)力狀態(tài)不一致，與模具接觸的狀態(tài)也不一致，因此其壁厚減薄率差異也較大，局部可能會(huì)存在厚度偏低的情況，無法滿足后續(xù)工藝要求。為了控制板材超塑脹形后的壁厚分布狀態(tài)，可以采用很多方法，例如預(yù)加工法、動(dòng)凸模法、正反脹法等[4]。其中正反脹工藝應(yīng)用最為廣泛。
鈦合金環(huán)形氣瓶是彈體上常用的壓力容器，它一般由上下半環(huán)以及管嘴組焊而成，其中上下半環(huán)屬于雙曲面結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)工藝成形困難且精度低。國內(nèi)有單位對 TC4 半環(huán)的超塑成形技術(shù)進(jìn)行過研究，但采取的是單向脹形方法，沒有對壁厚采取有效的控制措施[5]。會(huì)造成材料利用率及生產(chǎn)效率的降低，增加制造成本。
【結(jié) 論】
1、對 TC4 鈦合金半環(huán)單向脹形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了成形后的壁厚分布。單向脹形壁厚差異較大，且內(nèi)環(huán)壁厚過薄，不適宜采用該工藝直接制造鈦合金半環(huán)毛坯；
2、對 TC4 鈦合金半環(huán)正反脹形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對反脹模具型面、氣壓參數(shù)曲線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。正反脹形得到的壁厚分布明顯優(yōu)于單向脹形；
3、以模擬為基礎(chǔ)進(jìn)行了半環(huán)產(chǎn)品的正反脹形成形試驗(yàn)，所成形的半環(huán)毛坯滿足工藝要求，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性和工藝參數(shù)的可行性，并采用該工藝，進(jìn)行了某型號(hào)環(huán)形氣瓶產(chǎn)品的研制，進(jìn)一步驗(yàn)證了工藝可靠性，并推廣到了某型號(hào)大尺寸半球的制造。
以下是正文：
