基于控制弯曲的钛合金板材精密弯曲零件制备方法与流程

本发明涉及的是一种航空器零件制造领域的技术，具体是一种基于控制弯曲的钛合金板材精密弯曲零件制备方法。

背景技术：

在飞行器生产中，使用弹性(橡胶或聚氨酯)材料冲模制造板材零件骨架和面板，在小批量生产条件下，由于它是高度通用和简单的工艺装备，因此是高效的。现用飞机零件中，大量零件是直线侧板并具有复杂几何形状，将它们置于弯曲模中，用冲模一个工步完成。这个工艺过程伴随着零件精度降低和弯曲部位(侧板壁与底面连接区域)变薄。普通弯曲成形工件都会产生弹复(回弹)，如弯曲角度据工艺参数不同，其弹复量也不尽相同，角度弹复一般在1.5～25°。在弯曲区域中，因板材变薄而使力学性能下降。弯曲弹复和受弯区域材料变薄使弯曲件的几何精度受到损害，若用较厚板材替代不仅增加成本，而且也增加了重量，时常成为弯曲件生产中不易解决的特别棘手问题。

技术实现要素：

本发明针对现有板材弯曲中弹复和变薄两个影响精度和强度的因素，提出一种基于控制弯曲的钛合金板材精密弯曲零件制备方法，用控制弯曲方法，保证用本发明方法弯曲钛合金和其它金属材料板材弯曲后回弹角小于普通弯曲50％，弯曲后在弯曲部位板材至少不变薄，而且增厚10～20％。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于控制弯曲的钛合金板材精密弯曲零件制备方法，包括：

第一阶段工序：将板材毛坯进行弯曲两边侧壁端部留有△h余量的预弯曲，得到预制坯后，置于弹性模具中，当模具压力不断增加情况下，弹性材料抱紧弯曲件两侧时，弹性模具中的试样底部首先失稳下垂，然后在冲头的半径区域倒圆角形成多余波浪形预储存材料。

所述的预弯曲，采用现有的冲压模具通过常规方法弯曲。

所述的在第一阶段工序用于为未来零件角隅处储存多余体积金属。

第二阶段工序：在足够压力镦压下，多余材料沿着冲头半径倒圆角，其结果获得材料增厚。

所述的△h余量，优选和板厚近似相当。

技术效果

本发明整体解决了现有弯曲成形工件都会产生1.5～25°的弹复(回弹)且在弯曲区域中，因板材变薄而使力学性能下降，弯曲弹复和受弯区域材料变薄使弯曲件的几何精度和力学性能受到损害的技术问题。

与现有技术相比，本发明通过弯曲部位材料增厚的方式，在零件弯曲区域使材料不仅不减薄而且增厚10～20％，能够极大地提高其强度、可靠性和使用寿命，减小角隅处回弹，提高零件精度，从而既减重又降成本。控制弯曲能够减小板材弯曲半径达到板材厚度r1＝s0甚至更小。控制弯曲后的的零件具有更高的强度、刚度指标和更高精度，因而具有更长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明弯曲侧板零件示意图：

图中：s0为原始板材厚度，l为板材弯曲后从对称轴到侧板距离，h为弯曲后侧板的高度，r1为弯曲圆角半径，l*为板材弯曲前对称轴到边缘距离；

图2为带有余量的侧板预弯件在弹性介质模具中控制弯曲过程略图；

图中：a为矮试样；b为高试样；1聚氨酯弹性体、2上模框、3试样、4凸模、5垫板、6控制弯曲后试样、7支撑臂；

图3为控制弯曲侧板和传统弯曲侧板回弹角比较略图；

图中：材质为ta0厚0.8mm钛板，曲线1、2为传统冲压弯曲；曲线3、4、5为控制弯曲，弯曲部位增厚10％；

图4为有限元模型示意图；

图5为应力沿y轴分布示意图；

(a)真实的和(b)最终阶段；

图6为据模拟计算结果零件弯曲部位壁厚变化示意图；

图7为由各组中选取典型标本试样，在各种弹性体压力下用弹性体限制弯曲冲压方法制造过程示意图；

图中：a为预弯试样；b，c为弹性体弹性模量e＝12，b为中间过程试样，c为最终过程试样，对应压力127mpa；

图8为沿着试样弯曲截面材料厚度变化模线图。

具体实施方式

本实施例在最大施力2500kn精冲液压机上进行的，该机带有直径100mm小型油罐，装备型号y26a-250。最大压力可达到318mpa，进行研究所用压力为130mpa；试样由钛合金ta0，厚0.8mm，侧壁余量△h＝0.8mm，使用如图1和图2所示的模具，凸模圆角连接半径r1＝3mm，板材弯曲内半径r1＝3mm，建立弹性体压力110mpa。

如图1所示，本实施例的预先设置包括以下步骤：

步骤1)在压机模架上装上常规弯曲模，弯曲后，试样侧壁端在线切割机床上切割端部以获得试样必须的超高部分余料，经反复试验，δh优选采用其中：k为系数，k＝0.6～0.8，当弯曲部位厚度增加10％时，δh＝0.8，k＝0.7，当增厚＜10％，k＜0.7，当增厚＞10％，k＞0.7；s为预计弯曲后板材弯曲部位厚度，h为弯曲后侧壁高度，r1为板材底部与侧边连接半径。

本实施例中若弯曲处增厚10％，则取k＝0.7；s＝0.88mm，相配合凸模具有圆角半径r1＝3mm，凸模宽度l＝40mm，r1＝3mm，h为13mm，得到δh≈0.8mm；若预计增厚20％，k＝0.8，s＝0.96，则δh≈0.88mm。

步骤2)计算弹性体所需压力：采用拉普拉斯变换有限元法公式(1996.12.1.全国热应力和热强度会议，王志岗等“薄板动态热耦合弯曲问题的拉普拉斯变换有限元法”)，具体为：其中：s为板材变厚后尺寸mm，σ1为材料强度极限，本实施例ta0取280-420，gb/t36211994，s0为板材原始厚度，s0＝0.8mm，σ2为弯曲圆弧部位切向应力，l^*为板材弯曲前从对称轴到侧边距离，r1为板材弯曲部位内圆角半径为3mm。本实施例中板材弯曲前从对称轴到侧边距离视为l*→∞，故σ2/l*＝0。

当弯曲后圆角区域增厚10％，弹性体弹性模量e＝12mpa，弹性材料泊松系数0.496，代入拉普拉斯变换有限元法公式后得到因此本实施例中取110mpa。

步骤3)取出压机模架上普通弯曲模，装上如图2(a)所示弹性模具，本实施例的基于控制弯曲的钛合金板材精密弯曲零件制备方法，针对试样的形状满足：h/s0＜20，其中：h为侧壁高度，s0为毛坯板材原始厚度，图2(a)中试样侧壁高度h＝13mm。

本实施例实际工序包括：

第一工序：如图2a中i、ii、iii所示，在弹性体i的模具中，将事先预弯曲板材毛坯置入模具2ai中，该模具的上模框2内充满聚氨酯弹性体1，凸模4的上端面与试样3的底平面保持间隙0.8mm，凸模宽度40mm。在弹性模具中受压时，在压力不断增加条件下，尤其弹性体抱住两侧壁时，毛坯底部受横向压力不断加大时，在聚氨酯弹性体1中的试样3底部失稳首先下垂，如图2a中ii所示，随着压力不断增加，在凸模4的半径区域倒圆角形成多余波浪形材料如图2a中iii所示。至此，第一阶段工序结束，为未来零件角隅处储存了多余体积金属。

第二工序：如图2a中iv所示，在足够压力镦压下，多余材料沿着冲头半径倒圆角，其结果获得角隅处材料增厚，增厚程度取决于△h。如果试样在r1半径区域拉深，则这个区域建立了增厚材料达10～20％。当进一步增加△h，观察到多余材料波形严重失稳，将形成难以修复缺陷。用材料增厚取代在零件受弯区域材料减薄能够极大地提高其强度、可靠性和使用寿命，减小角隅处回弹，提高零件精度，同时也符合轻量化要求。

如图2(b)所示，当试样侧壁高度h/s0满足50＞h/s0≥20时，为了预防壁的失稳使用附加的聚氨酯支撑臂7，其高度与预弯曲件置于垫板上的底平面一样高。

效果评测

如图3所示，为不同弯曲方法所得到的回弹曲线比较，图中材质为ta0板厚0.8mm曲线1、2为现有常规弯曲方法。没有弯曲部位材料积聚，故弯曲后弯曲部位变薄，回弹角大，弯曲后测量角度回弹得到；曲线3、4、5为本发明控制弯曲方法得到的结果，通过比较曲线1、2和3、4、5表明，受限弯曲回弹角约为传统弯曲件1/2。

进入借助于计算机软件ansys设置：计算准静态物体载荷；成形模块作为绝对的刚体；弹性体作为不可压缩的绝对弹性；弹性体弹性模量e采用12mpa；弹性材料泊松系数0.496。

在模拟条件下解决如下问题：研究零件成形的力学过程；研究弹性体应力状态。

如此完成了模型、装备对应几何参数和试样的几何参数计算，试样弯曲半径r1＝3mm，由钛合金ta0。有限元模型如图4所示，使用建立的有限元系统计算结果获得了各种计算体在研究系统中应力分布，如图5所示。沿着y轴在弹性体上部区域最终模拟状态为108mpa。

对侧壁弯曲件弯曲部位材料厚度变化，测量结果如图6所示，可以看到在径向和直壁处形成零件材料厚度的增加。

计算实施例研究结果，证明了数学建模过程中在弹性体模具冲压条件下，限制弯曲所做假设是可行的。由各组中选取典型冲压弯曲过程试样如图7所示。

这样满足了弹性体压力需求，用限制弯曲方法可实现弹性体第二道冲压工序，在本实施例，其压力不会超过127mpa，如图7所示。实验结果对应按照图5确定弹性体需要的压力。

按照实验结果，对于两道弯曲工序(第一道，图2a，ⅰ-ⅲ图；第二道图2a，ⅳ图)建立了模线图，沿着试样截面向零件外表面移动，如图8所示。按照所示模线图可见，第一工序之后，观察到在径向区域材料变厚，这个现象通常发生在弹性体弯曲条件下。第二工序之后，在径向区域材料厚度比毛坯板材厚度增加几乎达到12％，在观察区域，用弹性体弯曲材料比毛坯板材增厚达到20％以上。从该模线图甚至可看到，侧壁直线段变厚。第二弯曲工序能够补偿材料在弯曲部位径向加厚。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。