文/楊文龍，郭文平，潘峰·貴州永紅航空機(jī)械有限責(zé)任公司

曹江·空裝成都局駐貴陽(yáng)地區(qū)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(guò)有限元分析的方法，針對(duì)一種Ti6Al4V 鈦合金油箱的成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)對(duì)零件圓角的修改，實(shí)現(xiàn)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(shù)，并據(jù)此設(shè)計(jì)成形模具，并通過(guò)等溫?zé)岢尚蔚姆椒ǎ謩e在600℃下成形和800℃下整形，最終獲得合格產(chǎn)品，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真的正確性。

近年來(lái)，隨著我國(guó)航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展，鈦合金由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，在減輕發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)重量、改善產(chǎn)品性能方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)上的運(yùn)用比重也越來(lái)越高。而鈦合金板材由于其獨(dú)特的性能，傳統(tǒng)的冷成形無(wú)法適應(yīng)鈦合金板材的成形，鈦合金板材在冷沖壓時(shí)易開(kāi)裂、回彈嚴(yán)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(chǎn)品的功能要求越來(lái)越高，一些鈦合金鈑金產(chǎn)品型面設(shè)計(jì)上更為復(fù)雜，整體性更高，這給主機(jī)制造廠提出了更大的挑戰(zhàn)。因此，目前很多主機(jī)廠都提出“協(xié)同設(shè)計(jì)”理念，即將零件的設(shè)計(jì)與主機(jī)廠的工藝相結(jié)合，使零件能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的整體成形，再采用有限元分析驗(yàn)證其工藝可行性，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終獲得合格的實(shí)物產(chǎn)品。

零件簡(jiǎn)介和研究對(duì)象分析

漏油箱零件(圖1)材質(zhì)為T(mén)i6Al4V，最大外形尺寸約為380mm×160mm×91mm，頂部圓角R2mm，側(cè)壁圓角R20mm，底部為圓角R8mm(四周)；由于底部四個(gè)圓角R8mm 太小，且與側(cè)壁圓角過(guò)渡比較集聚，改成整體成形時(shí)，此處是風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因此，在保證零件和容積使用要求的前提下，底部四個(gè)圓角進(jìn)行平緩化處理，如圖2 所示。對(duì)整體設(shè)計(jì)后的油箱進(jìn)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(shù)模

圖2 油箱整體三維數(shù)模

Ti6Al4V 鈦合金介紹及工藝路線(xiàn)選擇

Ti6Al4V 鈦合金是一種中等強(qiáng)度的α-β 型兩相合金，該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用。合金長(zhǎng)時(shí)間工作溫度可達(dá)400℃，在航空工業(yè)中主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤(pán)及葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭和隔框等重要承力構(gòu)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(xiàn)，需要增加兩序拉深預(yù)成形；預(yù)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(yù)成形工序2(OP30)將底部圓角從原來(lái)的R15mm 成形到位R10mm，同時(shí)拉深25mm，此時(shí)，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(qiáng)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(yù)成形工序，較大的屈服強(qiáng)度有利于法蘭向內(nèi)的料流動(dòng)，避免局部應(yīng)力的發(fā)生，因此選用600℃進(jìn)行拉深；整形工序，較小的屈服強(qiáng)度利于材料發(fā)生變形，因此選用800℃下進(jìn)行整形，表1 為T(mén)i6Al4V 鈦合金600℃/800℃時(shí)材料性能參數(shù)；因此，根據(jù)需要制定該零件的工藝路線(xiàn)：下料→600℃等溫?zé)崂?深度50mm)→600℃等溫?zé)崂?深度25mm)→800℃等溫?zé)嵴巍羞厸_孔，路線(xiàn)圖如圖3 所示。

表1 Ti6Al4V 鈦合金600℃/800℃時(shí)材料性能參數(shù)

圖3 油箱等溫?zé)岢尚蔚墓に嚶肪€(xiàn)圖

零件的有限元分析

零件仿真數(shù)模的建立

對(duì)600℃等溫?zé)崂?OP20 深度50mm)、600℃等溫?zé)崂?OP30 深度25mm)、800℃等溫?zé)嵴?OP40)三道熱成形工序進(jìn)行仿真模型建立，其中OP30 的預(yù)成形模型是由OP20 仿真后的后處理輸出模型，OP40 的預(yù)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(jié)果分析

將仿真模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，逐序進(jìn)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(xiàn)在底部圓角，最大增厚25.621%，出現(xiàn)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(jié)果進(jìn)行法蘭裁邊后的模型，因此其最大減薄為兩序的累計(jì)減薄，累計(jì)減薄率為12.954%，依舊出現(xiàn)在底部圓角，但略微比OP20 ??；這是由于OP30 法蘭處發(fā)生流料，且底部圓角從OP20 的R15mm 變成OP30 的R10mm，底部圓角成形過(guò)程中由流料補(bǔ)充。OP30 的累計(jì)增厚為19.538%，出現(xiàn)在側(cè)壁圓角。

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

根據(jù)分析結(jié)果，最大減薄不超過(guò)15%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，此方案可行。

試驗(yàn)驗(yàn)證

在伍玥航科自建300 噸熱成形自動(dòng)化集成系統(tǒng)(圖6)，進(jìn)行樣件開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)，最終獲得合格樣件，并采用精度為0.05mm 的帶表內(nèi)卡規(guī)測(cè)量該零件圓角處厚度，成形后的零件及測(cè)量點(diǎn)如圖7 所示。實(shí)測(cè)零件厚度與仿真(圖8)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 成形零件實(shí)測(cè)厚度與仿真對(duì)比

圖6 熱成形自動(dòng)化集成系統(tǒng)

圖7 成形后的零件及測(cè)量點(diǎn)

圖8 仿真局部區(qū)的減薄情況

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于一些深度比較大，且傳統(tǒng)方法只能分體成形的鈦合金產(chǎn)品，在保證產(chǎn)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(chǎn)效率和產(chǎn)品的性能。對(duì)于Ti6Al4V 鈦合金的等溫?zé)岢尚危罟ば蚩梢赃x擇在600℃的工況下進(jìn)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(jìn)行，有利于小特征變形。實(shí)際成形零件測(cè)得的減薄結(jié)果接近仿真的最終結(jié)果，表明有限元仿真的準(zhǔn)確性，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有有效的指導(dǎo)意義。