钛合金热成形模具.pdf

学术论文。叫 一 r 一 钛合金热成形模具 T h e r m o f o r m i n gM o l df o rT i t a n i u mA l l o y 巾航丁业北京航空制造工程研究所 李鹏亮张志 【摘要】由于钛合金在力学性能上具有屈强比高、 弹性模量小等特点，成形上表现为变形范围窄、易开裂、 回弹大和尺寸精度难于保证为克服上述钛合金成形 难点，一般需将其加热到较高的温度进行成形。本文重 点讨论了钛合金热成形模具的材料选择及设计，并提出 了热成形模具标：住化是未来的重点发展方向 关键词：钛合金热成形模具 I A B S T R A C TJ S i n c et h et i t a n i u ma l l o yh a v i n ga h i g hy i e l dr a t i o ，al o we l a s t i cm o d u l u sa n do t h e rc h a r a c - t e r i s t i c so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i tc a u s e sn a r r o w d e f o r m a t i o nr a n g e ，e a s i l yc r a c k i n g ，l a r g es p r i n g b a c ka n d d i f f i c u l t yt oe n s u r ed i m e n s i o na c c u r a c yT oo v e r c o m et h e a b o v ed i f f i c u l t i e s ，i ti sg e n e r a l l yn e c e s s a r yf o rt i t a n i u m a l l o yf o r m i n gt ob eh e a t e dt oah i g ht e m p e r a t u r e t h et i t a n i u ma l l o yt h e r m o f o r m i n gm o l dm a t e r i a ls e l e c t i o na n d d e s i g na r ef o c u s e do n I ti sa l s op r o p o s e dt h a tt h es t a n d a r d i z a t i o no ft h e r m o f o r m i n gm o l di st h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t e n d e n c y K e y w o r d s ：T i t a n i u ma h o yT h e r m o f o r m i n gm o l d 热成形一般是指将金属材料加热至再结品温度以 f ：，利用金属材料在高温下甥性提高、变形抗力降低的 特点制造零件的一种压力J n 工技术。本文仅就关于钛 合金钣金零件成形所用模具进行简要探时。 由于钛合金具有比强度高、耐腐蚀等特点，广泛庇 j 丁：航空、航天、化工、船舶和医疗等领域。特别是近年 来航空、航天领域对钛合金钣金零件的需求显著增加， 因此对成形模具的需求也警明显的上升趋势。钛合金 在力学性能上具有屈强比高、弹忡模量小等特点，反映 仵成形上为变形范围窄、易丌裂、回弹大和尺寸精度难 丁保证。为克服r 述钛合金成形难点，一般需将其加热 到较高的温度进行成彤。由于这种在高温下工作的特 点，所使用的成形模具比常温状态下使用的模具县有其 特殊性( 图1 ) 。 1 热成形模具材料的选择 对于钛合金而言，热成彤模具绝大部分使用温度介 于6 0 0 7 5 0 1 ：之间少部分丁作温度接近8 0 0 0 c 。因此 要保证成形模具在如此高的温度长期T 作，选择适合的 9 4 航空制造技术2 0 1 2 年第2 1 期 图1 热成形模具工作示意围 F i g1W o r k i n gd i a g r a mo ft h e r m o f o r m i n gm o l d 模具材料至关重要，应着重考虑如下5 点因素。 1 1模具材料须具备良好的抗高温氧化性能 制造模具的金属材料在高温条件下暴露于大气环 境中，其表面会很快与空气中的氧产生反应而形成氧化 膜。为稳定地进行钛板成形要求模具表面形成的氧化 膜致密坚固以阻止模具材料的进一步氧化。如形成的 氧化膜疏松，随时间延长氧化膜会逐渐增厚；嘿色金属 在高温状态下氧化现象更为明显。当氧化膜达到一定 厚度时将从基体上脱落。通常状态下氧化物的硬度高 于余属本身和钛材的硬度因此氧化膜脱落后形成的片 状或粒状残渣对成形的零件及成形模具表面会造成损 伤，同时改变模具型而R 寸影响成形零件的尺寸和形 状。闲此选择具有良好抗高温氧化能力的材料是制作 热成形模具的先决条件。 12 模具材料应具备较高的相变温度 一般而言，金属材料均具有热胀冷缩的物理特征。 在加热状态下其实际几何尺寸要大于常温状态下的K 寸。因此热成形模具存高温条件下I ：作时，处于一种 膨胀状态，理论上冷却后会恢复到原来加工时的几寸 但实际情况并非如此。由丁受热膨胀产生的热应力作 用金属材料会产生一定变形，经有限次热循环后这种 由于热应力产生的变形会有部分残存下来，造成模具宏 观几何尺寸增大，这种现象称为金属的生长性。当金属 在相变点以上温度反复加热时这种现象更加明显，其 结果将对成形零件的尺寸精度产生不良影响。因此选 择具有较高相变温度的材料制作模具，有利于提高模具 的尺寸稳定惟，保证成形零件的尺寸精度。依据钛合金 热成形模具的I ：作温度，通常模具材料的相变点应大丁 万方数据 万方数据 学术论文 床上平台上下运动实现开合动作。模具偶合型面具有 自导向作用，所以模具一般不需设置导向装置。对于部 分零件由于其本身的不对称性，成形时会产生一定的侧 向力，还需要设置必要的导向装置。但实践表明在高温 下导向装置并不十分可靠，特别是用螺钉与模具联结的 导向板结构很容易损坏，因此对于成形时会产生较大侧 向力的异形零件，建议从设计模具型面人手，合理预留 T 艺边，尽量使模具偶合型面能尽量消除合模时产生的 侧向力。 ( 3 ) 模具型面的确定。 模具结构确定之后应进行模具型面的确定模具 型面的确定包括型面在模具中的位置、为获得全尺寸零 件而预设的工艺余量和尺寸精度等。模具型面在模具 上的位置应尽量以模具中心对称和有利于成形时由于 毛料受力不平衡而产生的力矩和尽量小，即使成形时 产生的侧向力最小以保持成形过程中零件维持在平稳 状态。如此对模具本身、成形机床均具有保护作用，亦 时零件的成形质量有益。 ( 4 ) 毛料在模具上的定位。 零件成形时涉及到毛料在模具上的安放问题，要求 毛料放到模具上后应能平稳地保持在 所需位置，不能自由移动。此问题的解 决与常规成形类似，大多采用模具上设 置定位销毛料预设定位孔或模具上 设置挡料销、块的办法。具有挡料销、 卸料块的模具如图3 所示。 成形时零件的投影面积一般会缩 小，因此预留T 艺余量是必须的。一般 常规成形工艺余量愈小愈好，一方面可 提高材料的利用率，另一方面亦可减少 后续的加工量。如能做到无余量成形， 将对提高生产效率，降低成本具有显著 效果。对热成形零件而言预留的T 艺 余量大小并非愈小愈好。由于在高温 状态下有诸多影响因素，即使模具上有 相应的定位装置，成形时毛料窜动亦在 所难免。因毛料偏移而报废零件的事 情常有发生。由于钛材价格昂贵，生产 中应尽量避免这种由于毛料窜动而报 废零件的事故。解决措施除设置可靠 的毛料定位装置外即是适当加大T 艺 余量。当然工艺余量也不是愈大愈好 根据经验余量以1 0 2 0 m m 为宜。 ( 5 ) 诸如模具的起吊装置等基本 町沿用常规成彤模具设置吊装扎等方 9 6 航空制造技术2 0 1 2 年第2 1 期 式。上、下模均应设置电偶孔，电偶孔的位置原则上愈 接近型面愈好，愈能正确反映零件的实际成形温度。其 大小没有严格限制直径6 r a m 深5 0 m m 左右基本能满 足要求。由于在高温状态零件成形后很软，很容易在卸 取时变形。因此热成形件的卸取至关重要，需要在模具 上设置取件槽。并通过取件槽起翘零件的余量处。带 有顶料装置的设备也可通过顶料装置卸出零件。 ( 6 ) 为模具加工方便或节省模具材料合理安排模 具结构是很重要的一项工作。如，有一些零件深宽比可 能较大，加工刀具可能无法达到要求加工位置，被迫选 择诸如电解等高成本的加工方式。遇到如此问题大部 分可通过更改模具设计结构加以解决。可将模具设计 成分体式，使每一个组成部分便于加工，然后再拼装到 一起。如图4 所示为一机翼蒙皮的成形模凹模。由于 型腔深宽比较大刀具不能达到型腔底部将模具分成 1 、2 两部分分别加工的实例。该模具也可沿中心线分 成左右两部分加1 二。有时为节省模具材料也可将模具 结构分成多部分加工。如对于一些拉深件，凸模部分 尺寸较小要求的与加热平台连接部分尺寸较大就 采用分体式结构设计，如图5 所示。 打 随H f + 垃开料铺 h 1 模其I 没讹卸刳块 图3 具有挡料销，卸料蛲的模具示意图 F i g3M o l dw i t hs t e pp i na n dt r i p p e r 万方数据 总之，热成形模具必须依据零件的特点和必要的通 用性要求进行结构设计，以满足零件生产需要、同时必 须以降低成本，便于加工为目标。 2 2 模具型面尺寸精度 模具型面尺寸精度是由具体零件的设计精度要求 决定的，由模具制造加工工艺保证的。就现代加工技术 水平而言，保证设计人员要求的加工精度能力绰绰有 余。而设计要求精度则需设计人员依据零件的设计精 度要求和选定的模具材料、零件材料以及成形温度计算 而定。模具型面尺寸计算一般依据如下公式1 2o 计算： 。= L ，( 1 D ) 式中，。为常温下模具型面尺寸；L ，为常温下零件要 求尺寸；J 9 为放缩系数。常用模具材料放缩系数见表2 。 但由于工程计算的近似性，由理论公式计算的结果 仍需依据工程经验进行一定调整。由于热成形模具经 常在6 0 0 。C 以上温度工作，因此给出的尺寸精度不宜过 严。在如此高的温度由于材料的热变形足以破坏模具 制造的高精度，使要求的高精度成为一种成本浪费。故 建议设计给出的加工精度公差带可大于0 I m m 。高于 此精度的加工要求对于热成形模具基本没任何实际意 义。需要指出的是，在模具上设置的销、孔等具有对台、 定位、导向作用的结构配合精度更不宜过高，应适当加 大配合间隙。在实践中由于上述结构配合精度要求过 高。在加热状态下，上下模具卡死的现象时有发生，严重 时甚至可能造成整套模具报废。 3 结束语 总之，未来热成形模具用量会越来越大，如何设计 制造相关的热成形模具应是业界着重研究探讨的工程 技术问题。随着技术的不断进步，专用热成形机床的不 断改进，对模具的要求亦会不断变化。为提高工作效率 降低生产成本，热成形模具标准化应作为今后探讨的重 要课题。 参考文献 1理有亲林兆荣陈春奎，等钛板冲压成形技术北京：国 防工业出版杜，1 9 8 6 【2 J 2中国机械工程学会锻压学会锻压手册北京：机械工业出 版社，2 0 0 2 ( 责犏三丰) ( 上接第9 3 页) 【3J 张东初裴旭明加工工艺对表面粗糙度及疲劳寿命的影 响中国机械工程2 0 0 3 1 4 ( 16 ) ：1 3 7 4 - 1 3 7 7 4 1J a w a h irIS ，Br i n k s m e i e rE M S a o u b iR ，e Ia lS u r f a c e i n t e g “t yi nm a t e r i a lm m o v a p r o c e s s e s ：r e c e n ta