钛合金超塑成形壁厚分布工艺研究

钛合金超塑成形壁厚分布工艺研究

何晓健，王月林，张晓巍

沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳， 110850

摘要：钛合金超塑成形技术已广泛应用于航空航天领域中，但壁厚分布不均匀仍是超塑成形制件的主要缺陷之一。介绍了钛合金超塑成形的基本原理，分析成形过程中造成壁厚分布不均匀的主要原因，提出正反向成形和预成形等方法。研究表明，上述方法可有效改善超塑成形壁厚分布不均匀的现象，有效提升了产品的成形精度。

关键词：钛合金；超塑成形；壁厚分布；正反向成形；预成形

引言

超塑性是材料在特定条件下发生的一种特殊现象，具有超塑性的材料能伸长几倍、几十倍甚至上百倍，期间不会出现缩颈，也不发生断裂。钛合金具备优良的抗疲劳和抗腐蚀性能，比强度高，其密度为4.5g/cm³，为钢的60%左右，强度却与钢相当。利用钛合金超塑成形技术来成形零件，可减轻制件重量，降低制造成本。

超塑成形工艺制备的零件具有结构复杂、强度刚度高、加工余量小等特点，且不需要机械连接或者焊接，减少了生产工序，降低了加工成本。超塑成形技术不仅可以提高结构的抗疲劳和抗腐蚀特性，而且达到了重量轻、强度高等目的，与传统钣金工艺相比，缩短了制造周期，优势巨大。

一、超塑成形的原理及工艺过程

超塑成形的基本原理是：将板料加热至材料超塑温度并在模具上压紧，在其一侧形成密闭的空间并通入气体，板料在气体压力的作用下产生超塑性变形，直至板料完全贴合于模具内型面，最终形成目标零件。

超塑成形工艺流程如下：下料、划线、铣通气槽、表面清理、喷涂隔离剂、模具和板料升温、充气成形、卸压降温、取件、加工零件外形、检验等。

目前超塑成形技术的应用日益广泛，对其成形精准度也提出了更高的要求。超塑成形的精度主要包含厚度分布精度和尺寸精度。其中，零件厚度的均匀性是该技术的难点，制件厚度不均匀已成为该工艺的主要缺陷之一。

二、超塑成形零件壁厚不均匀原因分析

超塑成形时板料的贴模效果很好，由此可以制备出形状复的零件。但是，其成形过程完全依靠板料的变薄来实现，材料得不到补充，板料各个区域应力应变分布不均匀，造成成形后的厚度不均匀。

壁厚不均匀主要有两方面因素：一方面是板料自由胀形时材料变形不均匀的影响；另一方面是贴模部分材料因模具摩擦作用而导致的变形不均匀。

（1）在自由胀形阶段，影响壁厚的主要因素为应变速率敏感性指数m。在自由胀形过程中，板料压边部分不参与变形，零件面积的增大由板料流动变薄来实现。板料变形区球壳的顶点为双向等拉应力状态，变形区其余各点为非等拉应力状态，不均匀的应力状态导致厚度分布不均匀。对于超塑性材料，其变形的本构关系可用Backofen方程来描述，即：

其中：K为材料系数， 为应变速率，m为应变速率敏感指数，σ为流动应力。

根据方程，材料的m值越大，成形后零件的壁厚越均匀；相反，材料的m值越小，成形后的厚度均匀性越差。但即使材料的m值为1，也仅能使成形的零件达到比较均匀的厚度，仍不能达到等厚度。

（2）在板料刚贴模时，影响壁厚分布的因素是材料的m值和板料与模具之间的摩擦。摩擦越小，壁厚分布越均匀。但即使板料与模具之间的摩擦为0，零件壁厚仍会存在不均匀现象。

（3）在最终贴模阶段，影响壁厚不均匀的因素主要为板料和模具型面之间存在的摩擦作用，因为摩擦会阻碍金属的流动变形。有摩擦的部位金属不流动或缓慢流动，变形主要集中在未与模具接触的区域。摩擦作用使成形零件的厚度更加不均匀，成形零件难以达到均厚。

三、超塑成形零件壁厚不均匀控制方法

改善超塑成形零件厚度分布的工艺方法有如下几种：

（一）正反向成形法

正反向成形分为两个步骤：反向成形和正向成形。首先将初始板料（图1-a）通过反向成形，向预成形模具方向变形（图1-b），将原本厚度较大的部位进行减薄，进而缓解下模圆角处变薄过大而导致的零件壁厚不均匀的现象。然后正向成形（图1-c），使板料向终成形模具方向变形，直至完全贴模，得到最终成形零件（图1-d）。与传统凹模成形的零件厚度分布对比，正反向成形后零件的厚度分布更加均匀，最终成形效果有了显著的改善。

(c) 正向成形

(b) 反向成形

(d) 最终零件

(a) 初始板料

图1 正反向成形法

（二）板料预成形法

先将初始板料通过预变形产生预成形板料，预成形坯料的中心保持原始板料的厚度，侧壁先减薄，可使最终得到的超塑成形零件的壁厚相对均匀。

（三）变厚板料度成形法

将板料通过预加工形成不同的厚度，变形大的部分对应的板料厚度大一些，以补偿超塑成形过程中材料的减薄，随后再将该板料胀形成壳体，达到最终成形零件壁厚相对均匀的目的。板料的机加形状可有有限元模拟得出，即用等厚的板料通过有限元模拟计算，进而得到成形零件的壁厚分布与目标值的差值，然后对板料的初始尺寸进行修改。但在此方法中，但板料的预先机械加工是难点，尤其是对薄板的机加，很难控制加工后厚度的尺寸精度。同时，不等厚的板料在装卡时的定位也是难点，稍有偏差，仍会造成最终成形壁厚不均匀。

四、结论

（1）钛合金超塑成形工艺制件壁厚分布不均匀是必然的，对壁厚精度有严格要求的产品应采取必要的壁厚控制措施。

（2）正反向超塑成形可获得尺寸精度较高的零件，有效提高零件壁厚的均匀性。

（3）预成形超塑成形可有效降低板料的减薄率，改善零件厚度分布的均匀性。

（4）变厚度板料成形也可有效改善零件壁厚不均匀的现象，但要解决薄板加工的尺寸精度和板料机加后装卡定位的问题。

参考文献

[1] 张凯锋,王国峰. 先进材料超塑成形技术[M]. 北京：科学出版社，2012：1-51.

[2] 曾元松. 航空钣金成形技术[M]. 北京：航空工业出版社，2014：22-55.