静子内环成形工艺研究

党文苗 李均红

摘要：本文通过分析静子内环结构特点和加工难点，提出零件拉深成形制造工艺方案，并通过试验对热成形有影响的因素进行了验证，确认方案可行。

关键词：钛合金 热成形 拉深

钛合金具有较高的机械性能、抗氧化能力和抗腐蚀能力，密度比钢件小，在一般使用条件下，不需做表面防护等优点，在航空航天工业中已得到广泛应用。但钛合金同时也具有常温下屈服强度比（σ0.2/σb）大，弹性模量小，成形时塑性变形范围小，回弹大，表现为零件出现裂纹或开裂，零件精度尺寸难于控制。通常需将零件板材毛坯加热到550～700℃的高温下成形（简称热成形）。

某型发动机的静子内环，通过热成形才能加工出满足设计要求的零件。本文根据某TC2钛合金静子内环设计要求，分析影响其成形质量的关键因素，并通过试验予以验证，为解决类似零件的成形起到一定指导作用。

1 技术要求及工艺难点

静子内环的设计外形结构见图1，轮廓尺寸及要求见图2，材料TC2，厚度0.8 mm。要求最小壁厚0.54mm，外形圆滑，无碰划伤、起皱及氧化现象。

从材料和结构特点分析，工艺难点主要在于：翻边处圆角R=2mm，为2.5倍料厚，小于航空材料手册要求，易起皱或产生裂纹;零件整体呈环状，具有翻边负角，不能一次拉深出整周外形。

2 解决措施

2.1 材料

TC2（Ti-4Al-1.5Mn）是一种低合金化（α+β）两相组织钛合金，主要合金元素为α相稳定元素Al和Mn，具有良好的成形性能、焊接性能和工艺性能。试验加工采用退火状态的TC2板料，实测厚度为0.85～0.86mm。

2.2 成形工艺

依据零件结构特点，拉深成形时需将零件按圆周等分为4段，各段分别成形后再焊接成一个整体。

2.2.1 成形模具

采用带压边圈的模具见图3，在HF-500热成形设备中进行拉深，通过调节压边圈与凹模之间的间隙来调节拉深过程的压力，利用油压顶紧凹模与压边圈，通過调节上下缸的油压实现不同速度拉深。

2.2.2成形工艺影响因素分析

（1）模具材料的影响

采用1Cr18Ni9Ti，拉深成形后，零件表面易拉伤，修伤后，壁厚仅0.52～0.54mm，不满足设计要求。改用中硅钼墨球铸铁作为模具材料，成形后的零件经过吹砂等表面处理工艺，在壁厚满足要求的前提下，外观质量合格。

（2）成形温度的影响

热成形时，固定压边间隙和拉深速度等工艺参数，选用了625℃、650℃、675℃、700℃、725℃进行拉深试验，试验后检查零件凸模圆角区过渡到凹模圆角区与壁面连接处，发现在不同温度下，零件的最小壁厚在变化，最终选用675±10℃的成形温度。

（3） 压边间隙的影响

温度675±10℃时，压边间隙依次为0.88mm，0.92mm，0.96mm，1.0mm，1.04mm进行试验，发现当压边间隙为0.88mm和0.92mm时，最小壁厚合格，但表面划伤严重;压边间隙为0.96mm和1mm时，成形零件表面仅有轻微划伤;当压边间隙为1.04mm时，翻边面起皱。对表面划伤处进行处理后，压边间隙为0.88mm和0.92mm时，最小壁厚只有0.5mm，不符合要求;压边间隙为0.96mm和1.0mm时，最小壁厚在0.78～0.82mm，零件外观质量和壁厚均能满足设计要求。

（4）拉深速率的影响`

温度675±10℃和压边间隙0.96mm时，拉深速度依次为0.3mm/s、1mm/s、2mm/s、3mm/s进行试验。发现拉深速度分别为0.3mm/s、1mm/s和2mm/s时，均可获得表面质量和厚度均符合的零件;当拉深速度提高到3mm/s且时长2s-3s时零件发生断裂。综合考虑实际需求，选择拉深速度1～2mm/s。

2.3 焊接工艺

静子内环的焊接属于薄壁钛合金氩弧焊，须将4段拉深件焊接成为一个整体。焊接主要难点在于焊接变形和焊接后零件周长的控制。主要措施：

2.3.1选择合适的电流、焊接速度、气体流量

使用同牌号、同规格试片通过多次试验，确定参数：焊接电流约30A，背面气体保护流量：18～24 L/min。

2.3.2 选用高纯氩气（99.995%）;清理干净焊接接头，并去除毛刺，其附近不应有粘附的磨粒，且表面光滑;采用TA0-1焊丝，直径Φ1.0～Φ1.6，使用前酸洗;零件焊前酸洗，并在规定时间内焊接;零件、焊丝酸洗后烘干; 焊接前，用酒精或丙酮清洗焊丝、夹具、零件待焊处，然后用风枪吹干;焊接时，操作者需戴干净的手套。焊接夹具结构图见图4。

2.3.3 控制静子内环各段焊前弧长尺寸，以得到合适零件周长，确保焊后校型的胀形量。

3 结论

分析静子内环结构特点，设计制造了成形、拉深和焊接工艺装备，结合试验阐述了成形用模具材料、温度、压边间隙和拉深速度等对成形工艺的影响，解决了静子内环制造工艺难点等问题，得出以下结论：

（1）模具材料选用中硅钼墨球铸铁，成形温度675±10℃，压边间隙0.96-1.0mm，拉深速度1-2mm/s，且焊接时采用合适的参数和工艺装备，可实现满意成形效果。

（2）工艺过程，类似零件可参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国航空工业部.钛和钛合金的板材成形[M].北京：中华人民共和国航空工业部，1987

[2]张凌云，鲁强，韩志仁，等.TC1M钛合金钣材拉伸成形过程中的形状畸变（J）.金属学报，2007

[3]郭天文.TC4钛合金板材热拉伸成形数据模拟与实验研究（D）.哈尔滨：哈尔滨工业大学.2008.

[4]张志、李鹏亮、孙宾、李均红.TC1钛合金端盖零件热拉深成形工艺研究.航空制造技术.2017