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钛合金支撑盖板整体成形工艺方案设计
支撑盖板为某型直升机排气装置焊接组合件,产品原材料为钛合金板材,单件制造采用钛合金热压成形,组件采用氩弧焊接,最大工艺难点是焊接易变形,产品报废率高、质量损失大,为保证产品交付质量、控制加工成本,我公司开展了该产品结构优化工作,并针对优化后的产品开展工艺分析及试制,最终攻克了钛合金多曲面整体成形的技术难题。
本文以整体成形支撑盖板为研究对象,通过对原设计结构的试制进行工艺总结,结合钛合金板材成形特点,对零件结构进行调整,采用eat/DYNAFORM分析软件,进行产品整体结构成形数值模拟验证,为该零件加工提供了一套实用、高效、经济、可靠的成形方法。

常规加工方法简介

支撑盖板材料为钛合金板材(厚度为1.0mm),原设计结构如图1所示,产品分为3个单件通过氩弧焊焊接组成,单个零件采用热成形加工,通过钳工修配后进行焊接,两条焊缝为对接焊,一条焊缝为T形焊,产品设计数模中规定焊缝等级为二级,根据HB 5376-1987《钛及钛合金钨极氩弧焊质量检验》3.4条要求,二级焊缝需100%进行X射线检查,从焊接工艺和焊接接头强度考虑,焊接接头存在以下问题:

对于T形接头,焊缝的熔深要求不小于15%即为合格,不需要100%焊透,X射线探伤时,在接头内部焊缝与母材接合处,底片上会存在一条类似裂纹的黑线显影,但检验人员无法判定该显影是裂纹还是满足标准要求的未焊透。若要消除此条黑线即100%焊透零件,则会很容易在焊缝背面形成烧穿、咬边等表面缺陷,特别是在小于90°的闭角区域,该现象尤为明显,并且气孔指标难以达到HB 5376-1987《钛及钛合金钨极氩弧焊质量检验》二级焊缝的要求,尤其是角度小于90°的闭角度角焊缝,由于电弧反射、气体流动不畅等原因,致使焊接时很容易产生气孔,更加满足不了二级焊缝对气孔的要求。

针对以上问题,我方与产品设计人员沟通协调之后,按设计要求进行组件产品试制。首先对3个单件进行修配,由钳工采用焊接夹具进行定位,对焊接边进行修配和焊前抛光,然后由焊工对产品进行氩弧焊焊接,待产品充分冷却后进行取件,产品取件后产生扭曲变形且钳工无法校正,也无法装入焊接夹具,造成首件产品报废。
第二件产品焊接后,在不取件的情况下,将产品随夹具进行去应力热处理,热处理后进行取件,产品型面满足设计要求,但对焊缝进行X射线检查时,T形角焊缝存在缺陷,无法满足二级焊缝的要求,安排钳工对缺陷处进行打磨排故,以局部补焊的方式对焊缝进行返修,补焊后由钳工进行局部校正,产品最终完成交付。
考虑到该产品焊接的弊端以及繁琐的补焊及校正工艺,决定对产品结构进行优化,初步考虑产品结构后,将产品优化为整体结构,采用整体成形方式进行加工,取消焊接接头,从而可以避免焊缝不合格以及焊后变形造成的质量问题。

结构优化与工艺分析

产品结构优化

在产品结构优化时,应在满足原设计产品的装配和功能要求的前提下,进行整体结构数模设计,首先将上部左侧、上部右侧两个单件产品的曲面对接焊合,调整成整体结构,其次将原T形角焊缝改为采用R2mm的圆角过渡,确保整体结构曲面与原设计一致。

工艺分析

该零件结构为全曲面结构,由于材料为钛合金,采用冷冲压成形回弹大,R2mm转角位置极易出现破裂情况,故选取热成形加工工艺。

充分考虑到产品复杂的曲面结构及材料的成形性能,采用两次成形的工艺方案对产品进行加工,利用热蠕变成形设备的顶杆功能,设计带压边圈的模具对产品进行拉深成形,将成形后的半成品进行翻孔角度的校正,从而实现产品的整体成形,工艺路线如图3所示。

模具结构设计要求

⑴热拉深模设计。

产品曲面结构拔模方向存在约30°的负角度,热拉深成形无法直接成形闭角产品,只能实现产品的预成形,而预成形质量直接决定了产品能否进行后续加工,考虑到产品结构特点,拉深产品工艺数模设计如图4所示,工艺数模法兰曲面与产品最终数模法兰型面保持一致,产品开角处与产品最终型面保持一致,产品闭角处按产品开角型面设计,其翻孔根部形状与最终产品形状保持一致,上述三者的配合间隙十分重要,并需要考虑模具及零件在高温下的缩放尺寸,热拉深模具设计如图5所示。

⑵热成形模设计。

热成形模的主要用途是对产品闭角进行压制,在模具设计时调整压力中心就显得十分重要,经过对产品方向多次调整,找到产品最大闭角处,并建立相交线,确定产品冲压方向,按最终产品数模型面建立凸模和凹模型面。由于产品法兰面为全型面,在高温下取件时容易产生变形,在设计模具时,通过设计加强筋增加零件结构强度,然后通过顶料块将产品顶出,防止取件变形,产品的热成形模如图6所示。在产品实际加工时,以产品法兰曲面作为定位,将翻孔曲面放入凹模型腔,在放置产品时,确保产品法兰曲面与模具凹模型面相贴合,然后对产品进行压制,取件时,使用顶杆将凹模中间的顶料块升起,顶出产品,利用夹持工具夹住零件的余量部位,将产品取出。

零件成形有限元分析

金属板料成形过程是一个非常复杂的弹塑性变形过程,将有限元分析引入工业生产,不仅提高工艺设计人员设计的制造方案水平,而且仿真结果对工业生产同样具有指导意义,在此模具设计过程中,大量使用了分析软件eat/DYNAFORM作为平台,对产品的成形过程进行分析,并根据分析结果对模具及下料尺寸进行优化,节省试模不合格对模具进行返修的时间及成本,并节约试模的人工成本及试模时间,从而提高生产效率。
⑴模具的优化。
模面优化通过模面方案的调整来实现,优化过程中将模具压边圈设置在零件成形区域以外,沿周增加压延筋,然后对型面网格化及重新设置成形参数,随后,根据仿真结果出现的制件破裂及材料减薄情况,对模具局部进行修正。
⑵板料的优化。
坯料的形状和尺寸是板料拉深成形的一个重要影响因素,对于支撑盖板这样的坯料状态,通过eat/DYNAFORM仿真结果,选取最优坯料状态作为后期试模料状态。坯料尺寸为φ500mm,先将坯料滚弯,然后对坯料进行拉深成形,产品成形分析结果如图7所示,产品法兰面存在起皱风险,局部出现严重起皱趋势。
按拉深成形结果对产品坯料进行优化,坯料仍然使用φ500mm的圆形料,在中间开一个φ160mm的圆孔,调整压边力及主缸压力,使法兰曲面的材料不流动,利用拉深模的压边圈及凹模型面保护法兰曲面,使其成为一个翻孔工艺,经过软件分析,结果如图8所示,产品成形极限图无褶皱、裂纹等缺陷;图9所示为产品成形的厚度分析图,产品局部最薄处厚度为0.88mm,能够满足产品后期加工要求。

工艺验证

根据成形分析结果,开展支撑盖板整体成形的工艺试制,试制结果表明,零件符合装配和性能要求,产品的成功试制充分证明了支撑盖板整体成形方案是有效可行的。原设计方案和优化后整体成形方案的对比,如表1所示,通过对比可知,整体成形优于单零件焊接组合方案,节省了生产周期,降低了制造成本,增强了零件结构强度。

结束语

通过对支撑盖板的成形分析与工艺试验,确定支撑盖板整体成形方案是有效可行的,它有效解决了组件焊接质量难以合格的问题,使产品整体结构强度高于焊接强度,加工成本和劳动强度大幅缩减,生产效率及产品合格率也得以提升。

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