钛合金薄壁导管数控加热弯曲技术

张冶 中航飞机股份有限公司

钛合金薄壁导管数控加热弯曲技术

张冶 中航飞机股份有限公司

钛合金薄壁导管数控加热弯曲技术是在数控弯曲的基础上，考虑被弯曲导管材料在室温条件下延伸率不够、应变敏感，故通过对压力模和柔性芯棒加热并控制温度达到提高导管材料延伸率并降低应变敏感来完成弯曲的一门技术。

大直径钛合金导管 加热数控弯曲 延伸率 应变敏感 热量输入 温度控制

现代民航客机的环境控制系统用到很多大直径钛合金薄壁导管，由于客机空间的限制，设计师不得不设计出两倍或者小于两倍导管直径的中心线弯曲半径的钛合金薄壁导管零件。这样就要求材料的延伸率至少达到30%或者50%，而常用的A40（美国牌号）钛合金材料室温延伸率为20%，而且应变敏感；然而，通过查阅资料，该材料在200℃-260℃的温度时延伸率能够达到40%以上而且应变敏感降低。我们在生产MD90客机的环境控制导管时，有一个导管零件其外径127毫米、壁厚0.5毫米、中心线弯曲半径190.5毫米、弯曲角度90°，要成功制造这个导管零件，必须从以下几个方面认真考虑并严格执行。

1 弯管机

工厂通过技术改造引进了VB600HP（美国制造最大弯曲导管外径152.4毫米高性能矢量弯管机），该机器带加热温度控制单元（控制精度±5℃），并且C主轴带循环水冷却系统，防止加热弯曲时C主轴变形。弯管机必须具有足够的强度、刚度来保证加热弯曲过程中模具各个元件及导管的正确位置度要求。在需求的压力下，弯曲臂对于弯曲模的限制在0.04毫米以内；在模具打开时，全部偏移不超过0.127毫米。该数控弯管机具有多级分段弯曲速度控制功能、压力模压力控制功能、压力模助推压力控制功能、压力模助推分段压力控制功能、自动切点控制功能、Y轴正面助推压力控制功能、Y轴正面助推分段压力控制功能、这些功能对于弯曲钛合金薄壁导管至关重要。

2 弯管模具

因为该零件壁厚因子大（127/0.5=254），弯曲半径小（190.5/127=1.5D）；需要弯曲模（材料选择Cr5Mo1V，HRC50-55，半圆柱型面不考虑热膨胀）的夹紧镶块长度不小于直径的3倍即最小381毫米；需要夹紧模（材料选择Cr5Mo1V，HRC50-55，半圆柱型面不考虑热膨胀）长度也是不小于直径的3倍即最小381毫米；需要压力模（材料选择Cr5Mo1V，HRC50-55，并且要在靠近弯曲模切点的位置布置电加热元件和测量温度的热电偶）长度也是不小于弯曲模的周长即最小190.5×2×3.14=1196毫米；需要防皱模（材料选择与导管材料亲和性小的铝青铜）；需要柔性芯棒（依据导管壁厚失稳起皱最小节距要求至少需要11个活动芯棒，并且芯棒材料选择与导管材料亲和性小的铝青铜，并且要在靠近弯曲模切点的位置布置电加热元件和测量温度的热电偶）；模具精度要求高(弯曲模、夹紧模、压力模三者之间精密互锁，互锁间隙在0.076与0.101毫米之间；三者的半圆柱型面的对称度不大于0.01毫米，并且在弯曲相对运动过程中还要必须保存这个水平)。因为加热弯曲，所以设计、制造模具时必须精确计算需要的电功率和加热时间。通常，这个加热时间选定0.5小时。那么，我们就考虑在0.5小时内加热到260℃而被弯曲模、夹紧模、压力模、防皱模、柔性芯棒吸收的热量，以及弯曲模、夹紧模、压力模、防皱模、柔性芯棒与弯管机的热传导管损失的热量，以及弯曲模、夹紧模、压力模、防皱模、柔性芯棒与空气对流损失的热量，以及弯曲模、夹紧模、压力模、防皱模、柔性芯棒热幅射损失的热量；将这三个部分求和，再将这个和乘以1.25后除以0.5小时就得到需要输入的电功率。虽然加热弯曲降低了钛合金的应变敏感性，但是，一个导管端头塞插在管口内与夹紧模及弯曲模夹紧镶块共同作用会减少导管打滑和缩颈（夹持区域打滑和缩颈）的发生。打滑和缩颈的发生时，则导管弯曲彻底失败。图1为典型的钛合金薄壁导管加热弯曲模具。

图1 典型的钛合金薄壁导管加热弯曲模具

3 润滑材料

因为加热弯曲，所以选择高温性能好的石墨与二硫化钼的混合物。该物质在钛合金导管加热弯曲时润滑效果良好，不会发生导管材料或者模具材料的粘连和檫伤，清洗会麻烦一些。

4 操作要求

4.1 模具安装调试

首先调整好芯棒杆中心线位置，使其对正弯曲模的中心线；其次在芯棒杆上安装好柔性芯棒；第三在柔性芯棒上套上管料；第四安装调整夹紧模，使其夹紧自如、可靠不打滑、松开自如；第五安装压力模，使其夹紧自如松开自如；第六安装防皱模，使其尖尽量靠近弯曲模切点；第七步试验弯曲一个90度单弯，检验安装效果。压力模压力在选择最小情况下使得对于导管产生的弯曲力矩应该等于导管的抗弯曲力矩。最小压力模助推压力的产生的效果应该使得导管截面应力中性层向外侧移动X毫米，移动的结果使得【（63.5-X）÷（190.5＋X）】≤0.2，X≥21.1毫米，再根据这个21.1毫米推导出压力模助推压力（具体计算方法是：按照新旧的钛合金薄壁导管截面的应力分布计算出压应力差，再根据侧推的半个圆环面积求出侧推力，最终根据侧推力求出侧推缸内的压力）。当然，这些理论计算的结果还要结合试验进行修正，才能达到最佳效果。弯曲速度在每分钟0.25转到每分钟4转。

4.2 正式弯曲钛合金薄壁导管

首先根据试验弯曲得到的参考数据和模具位置，加热模具到260℃±5℃，然后将涂好润滑材料的导管套在柔性芯棒上，等待片刻，开始弯曲得到零件。

5 总结

成功的大直径钛合金薄壁导管加热弯曲需要好的数控弯管机，好的温度控制系统，好的弯管模具，好的润滑材料，好的工艺参数（由好的工艺人员决定），好的模具相对位置调整，好的操作工人这些综合因素，缺一不可。