靜子內環成形工藝研究

黨文苗 李均紅

摘要：本文通過分析靜子內環結構特點和加工難點，提出零件拉深成形制造工藝方案，并通過試驗對熱成形有影響的因素進行了驗證，確認方案可行。

關鍵詞：鈦合金 熱成形 拉深

鈦合金具有較高的機械性能、抗氧化能力和抗腐蝕能力，密度比鋼件小，在一般使用條件下，不需做表面防護等優點，在航空航天工業中已得到廣泛應用。但鈦合金同時也具有常溫下屈服強度比（σ0.2/σb）大，彈性模量小，成形時塑性變形范圍小，回彈大，表現為零件出現裂紋或開裂，零件精度尺寸難于控制。通常需將零件板材毛坯加熱到550～700℃的高溫下成形（簡稱熱成形）。

某型發動機的靜子內環，通過熱成形才能加工出滿足設計要求的零件。本文根據某TC2鈦合金靜子內環設計要求，分析影響其成形質量的關鍵因素，并通過試驗予以驗證，為解決類似零件的成形起到一定指導作用。

1 技術要求及工藝難點

靜子內環的設計外形結構見圖1，輪廓尺寸及要求見圖2，材料TC2，厚度0.8 mm。要求最小壁厚0.54mm，外形圓滑，無碰劃傷、起皺及氧化現象。

從材料和結構特點分析，工藝難點主要在于：翻邊處圓角R=2mm，為2.5倍料厚，小于航空材料手冊要求，易起皺或產生裂紋;零件整體呈環狀，具有翻邊負角，不能一次拉深出整周外形。

2 解決措施

2.1 材料

TC2（Ti-4Al-1.5Mn）是一種低合金化（α+β）兩相組織鈦合金，主要合金元素為α相穩定元素Al和Mn，具有良好的成形性能、焊接性能和工藝性能。試驗加工采用退火狀態的TC2板料，實測厚度為0.85～0.86mm。

2.2 成形工藝

依據零件結構特點，拉深成形時需將零件按圓周等分為4段，各段分別成形后再焊接成一個整體。

2.2.1 成形模具

采用帶壓邊圈的模具見圖3，在HF-500熱成形設備中進行拉深，通過調節壓邊圈與凹模之間的間隙來調節拉深過程的壓力，利用油壓頂緊凹模與壓邊圈，通過調節上下缸的油壓實現不同速度拉深。

2.2.2成形工藝影響因素分析

（1）模具材料的影響

采用1Cr18Ni9Ti，拉深成形后，零件表面易拉傷，修傷后，壁厚僅0.52～0.54mm，不滿足設計要求。改用中硅鉬墨球鑄鐵作為模具材料，成形后的零件經過吹砂等表面處理工藝，在壁厚滿足要求的前提下，外觀質量合格。

（2）成形溫度的影響

熱成形時，固定壓邊間隙和拉深速度等工藝參數，選用了625℃、650℃、675℃、700℃、725℃進行拉深試驗，試驗后檢查零件凸模圓角區過渡到凹模圓角區與壁面連接處，發現在不同溫度下，零件的最小壁厚在變化，最終選用675±10℃的成形溫度。

（3） 壓邊間隙的影響

溫度675±10℃時，壓邊間隙依次為0.88mm，0.92mm，0.96mm，1.0mm，1.04mm進行試驗，發現當壓邊間隙為0.88mm和0.92mm時，最小壁厚合格，但表面劃傷嚴重;壓邊間隙為0.96mm和1mm時，成形零件表面僅有輕微劃傷;當壓邊間隙為1.04mm時，翻邊面起皺。對表面劃傷處進行處理后，壓邊間隙為0.88mm和0.92mm時，最小壁厚只有0.5mm，不符合要求;壓邊間隙為0.96mm和1.0mm時，最小壁厚在0.78～0.82mm，零件外觀質量和壁厚均能滿足設計要求。

（4）拉深速率的影響`

溫度675±10℃和壓邊間隙0.96mm時，拉深速度依次為0.3mm/s、1mm/s、2mm/s、3mm/s進行試驗。發現拉深速度分別為0.3mm/s、1mm/s和2mm/s時，均可獲得表面質量和厚度均符合的零件;當拉深速度提高到3mm/s且時長2s-3s時零件發生斷裂。綜合考慮實際需求，選擇拉深速度1～2mm/s。

2.3 焊接工藝

靜子內環的焊接屬于薄壁鈦合金氬弧焊，須將4段拉深件焊接成為一個整體。焊接主要難點在于焊接變形和焊接后零件周長的控制。主要措施：

2.3.1選擇合適的電流、焊接速度、氣體流量

使用同牌號、同規格試片通過多次試驗，確定參數：焊接電流約30A，背面氣體保護流量：18～24 L/min。

2.3.2 選用高純氬氣（99.995%）;清理干凈焊接接頭，并去除毛刺，其附近不應有粘附的磨粒，且表面光滑;采用TA0-1焊絲，直徑Φ1.0～Φ1.6，使用前酸洗;零件焊前酸洗，并在規定時間內焊接;零件、焊絲酸洗后烘干; 焊接前，用酒精或丙酮清洗焊絲、夾具、零件待焊處，然后用風槍吹干;焊接時，操作者需戴干凈的手套。焊接夾具結構圖見圖4。

2.3.3 控制靜子內環各段焊前弧長尺寸，以得到合適零件周長，確保焊后校型的脹形量。

3 結論

分析靜子內環結構特點，設計制造了成形、拉深和焊接工藝裝備，結合試驗闡述了成形用模具材料、溫度、壓邊間隙和拉深速度等對成形工藝的影響，解決了靜子內環制造工藝難點等問題，得出以下結論：

（1）模具材料選用中硅鉬墨球鑄鐵，成形溫度675±10℃，壓邊間隙0.96-1.0mm，拉深速度1-2mm/s，且焊接時采用合適的參數和工藝裝備，可實現滿意成形效果。

（2）工藝過程，類似零件可參考。

參考文獻：

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