航空用TA18高強鈦合金管材彎曲成形技術及研究進展

TA18 鈦合金是從 TC4 鈦合金演變而來的低鋁當量近 α 型的鈦合金,其名義成分為 Ti-3Al-2.5V。TA18 鈦合金在室溫和高溫下強度比純鈦高 20~50%,它不僅具有良好的室溫、高溫機械性能和耐蝕性能,而且具有優異的冷、 熱加工工藝塑性、成形性和焊接性能。該合金對缺口不敏感,具有良好的抗蝕性,因此成為航空航天管路系統的首選材料。

  TA18 鈦合金的強化途徑主要是通過冷加工變形。冷加工后,通過不同的熱處理制度,可使管材達到不同的強度水平。最常用的有退火態中強級(Rp0.2≥620MPa)和去應力退火態高強級(Rp0.2≥860MPa)兩種典型代表。其中,退火態中強級管材主要用于發動機管路系統,去應力退火態高強級管材主要用于飛機液壓等管路系統。

  航空航天飛行器的管路系統是飛行器的生命線,主要包括燃油管路、液壓油管路、滑油管路、氣源管路、壓縮空氣管路、引射水管路等。其數量繁多、結構形狀復雜,加工質量直接影響其連接的精確度和穩定性。一直以來管材在彎曲成形中經常出現各種缺陷,如:彎管截面變形、起皺、彎管變薄、彎曲回彈等,這不僅影響了產品質量及生產裝配進度,還給飛行器實現系統功能帶來安全隱患。

  管路系統的可靠性和持久性是滿足適航要求、保障飛行安全和降低維修成本的重要因素,因此提高管材的彎曲成形技術水平對提高飛機性能是非常重要的。

  國內外應用現狀

  國外應用現狀

  TA18 高強鈦管用于液壓管路系統,不僅能夠滿足較高的強度要求,還能滿足航空航天等領域對構件輕量化的需求,因此在國外早已得到重視和廣泛應用。20 世紀中 期,美國為飛機管路液壓系統開發了 TA18 鈦合金,采用該合金制備的管材已在 F-14A、F-15、B-1 和波音 747、757、767 等飛機的液壓、燃油管路系統中推廣應用。世界各大航空公司,如波音、通用、麥道、普惠、羅羅、空客等,其軍用飛機和商用客機等運輸工具上也大量使用 TA18 鈦合金管材。目前,TA18 鈦合金已被廣泛應用于西方許多國家的軍事工程中管件部分(包括直升機),成為軍機和民機管路系統的首選材料。

  國內應用現狀

  20 世紀 70 年代中期,以西北有色金屬研究院為首的相關單位開始對中強級 TA18 鈦合金進行深入地研究,并在航空航天飛機管路系統中得到廣泛應用,但高強級 TA18 鈦合金管材的研制尚處于初級階段。目前由于鈦合金管材彎曲及管接頭技術尚未完全成熟,故鈦合金管材在民用飛機和軍用飛機上均未獲得廣泛應用。在管材彎曲成形方面,由于缺乏相應的設備,目前尚只能較為穩定地實現純鈦(如 TA1、TA2)和一些強度不高的鈦合金管材 (如 TA16M)以及中強鈦合金管(如 TA18M)的數控冷彎曲成形。

  管材彎曲成型技術研究進展

  管材彎曲成形方法

  最常見的管材彎曲成形方法主要有壓彎成形、推彎成形、滾彎成形及繞彎成形。

  壓彎成形是最早用于管材的彎曲方法,通過彎曲模具對管材施加載荷而完成彎曲加工。這種方法生產效率高, 模具調整簡單,在彎頭加工方面應用較廣泛。但是壓彎時所加載荷集中在兩支承輥之間,管坯與彎模初始接觸處容易形成截面畸變,影響彎曲質量。

  推彎成形一般用于彎頭的成形,在管材軸向施加載荷,管坯被推進型腔實現彎曲。推彎成形過程中管材外側壁厚不會出現過度減薄,但需合理設計芯模并進行管坯和模具型腔潤滑,否則易發生失穩起皺。

  滾彎成形通常用于厚壁管彎曲。滾彎是在三個或以上驅動輥輪的作用下,將管坯置于輥輪之間,通過控制輥輪的間距和驅動方式來實現管材的彎曲成形。滾彎成形由于沒有芯棒的支撐,管材的截面質量不易控制,但采用多輥滾彎可以提高管材彎曲精度,降低截面畸變,提高管材彎曲變形均勻程度。

  繞彎成形是目前最常使用的一種彎管方法,該工藝與現代數控技術相結合形成了管材數控繞彎成形技術。彎曲 時將管坯的一端置于夾模,彎曲模在數控程序的驅動下實現管材彎曲成形。數控繞彎不僅能提高管材彎曲的成形質量,還可以通過程序控制實現連續彎曲,完成復雜的空間彎管。

  研究進展

  管材數控彎曲成形技術是一項十分復雜的工藝過程, 受到材料性能、管壁厚因子、彎曲工藝、模具設計制造水平等諸多因素的影響。管材彎曲成形易出現各種缺陷,如外側壁厚減薄、內側壁厚增厚、界面畸變、起皺和破裂等,這嚴重制約著我國航空航天管路系統的發展。針對目前的管材彎曲成形技術,研究學者主要從以下幾個方面做了大量的工作,并取得了一定的成績。

  在理論分析研究方面,研究學者主要從管材橫截面收縮率、壁厚減薄率、中性層偏移量、管材送給長度、彎矩和截面畸變率等各方面進行了大量的理論公式推導及表征公式的模型建立,并且理論解析結果與實驗驗證結果吻合良好。但是在理論分析過程中,采用了大量的假設和公式簡化,并且忽略了一些因素的影響,因此公式的精度和應用范圍受到一定的限制。

  在數值模擬分析方面,研究學者運用有限元分析軟件對管材彎曲成形過程進行了模型建立,并在不同程度上進行了算法的二次開發。通過有限元仿真分析,研究了管材彎曲成形過程中材料流動規律、應力應變分布狀態、管材壁厚變化、彎管回彈規律、彎曲成形缺陷的產生機理及變化規律等,揭示了彎曲成形工藝參數,如芯棒參數、摩擦參數、彎曲速度和管模間隙等,對管材成形過程的影響規律。

  在試驗研究方面,目前的試驗主要集中在高校及科研院所對理論分析及數值模擬結果的試驗驗證,研究學者對彎曲加工的工藝參數及熱處理制度對管材的組織形態及機械性能的影響進行了一定的研究,但關于批量化生產的工藝及均勻性控制的研究鮮見報道。

  存在的問題

  我國關于高強 TA18 鈦合金管材的彎曲成形研究雖然取得了很大的進步,但尚處于初期階段,未形成批量化的生產工藝及控制方法,仍然面臨新的挑戰。

  首先,理論研究和數值模擬分析與生產試驗研究脫節,高校等研究機構由于設備及生產試驗條件的限制,大量的研究主要集中在理論分析及數值模擬方向,生產單位具備一定的試驗試制條件,但由于現有的運行機制,尚未投入大量的研究工作。

  其次,在工藝技術方面,TA18 高強鈦合金管材冷折彎過程中,需要設備噸位較大,角度控制精度較低,易出現回彈及起皺等缺陷;熱校形時,合模時易出現“咬邊”缺陷,且長時加熱易產生高溫蠕變,導致產品截面的圓整度難以控制。

  最后,目前采用的冷折彎+熱校形兩步成形周期較長, 成本較高。

  結束語

  TA18 鈦合金管材已經成為航空航天管路系統的首選材料,在國外被廣泛應用,但在國內尚處在起步階段。由于目前航空產品精益化的需求,未來鈦合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技術研究已經迫在眉睫。為實現鈦合金管材數控彎曲精確成形,亟待研究建立一套較為全面的鈦合金管材彎曲成形工藝體系及數值模擬系統。

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