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20、钛合金钣金零件成形概述冷成形主要内容热成形钛合金材料的强度可与钢比美，但比钢轻40%。比重约为4.5，当飞机速度超过M2.6，机体表面温度超过200℃后，铝合金已经不能用作飞机壳体的主要结构材料，钛合金将取而代之。在200℃～350℃的温度区间，钛合金的强度重量比超过不锈钢和铝，处于比较最有利的地位，此外，钛合金的裂纹扩展速度低，疲劳强度高，抗应力腐蚀性能好，适用于承载大，可靠性要求高的重要结构。概述钛合金相对铝合金来说，材料的屈服应力相对于强度及限的比值高，所以钛合金的强度高，变形力大，手工冷成形比较困难。弹性模数和屈服应力的比值小，材料的回弹量大，抵抗失稳起皱的能力差。可以看出，钛合金在常温下的成形加工性能比较差，而加热成形却是克服以上缺陷的最好加工方法。在合理的范围内提高温度，材料的塑性好，贴模精度从以上的分析可以看出，冷成形只适用于加工形状简单，外形弯曲率变化比较小的零件。概述冷成形特点和工艺方法板材冷成形特点和工艺方法见表20.1。包辛格效应：带有残余应力的零件在反向加载时，往往降低屈服极限。这一现象称为包辛格效应。钛合金型辊成形比闸压成形可减少弯曲半径为１个板料厚度，且残余内应力较低，是一种生产板弯型材的高生产率方法。退火或固溶处理的钛及钛合金均可在室温下压下陷，固溶加时效强化的钛合金不能在室温下压下陷，钛及其合金由于厚向异性指数r值较大，拉伸时在应力危险断面处，有最大的强化效应，而在双向拉压应力状态的突缘区域，不但没有强化，且略有软化，冷成形所以，从传统的危险断面强度来讲，钛具有最好的拉伸性，超过现用的铅、铜、钢等所有金属。钛及钛合金在厚向异性对拉形的作用与拉深相反，即成形区受双拉而强化，在夹钳与模胎间的应力危险断面处却没有强化或强化甚少，因此厚向异性指数越小的板料拉形越有利。b/0.2比值小，预拉力的控制要求严，硬度高，拉形机钳口易磨损打滑，需用特制钳口片弯曲抗力大，对机床吨位要求大，均匀延伸率小，不能制做复杂形状的零件。拉弯时的特点是回弹较大，并随型材剖面形状剧烈变化，回弹难以掌握，宜采用两次拉弯。冷成形厚度4.75mm以下的固溶和时效强化的钛合金零件，室温下最大的校形量为0.76mm，大于此值时，校形后应进行消除应力热处理。消除应力可以提高零件尺寸和形状的稳定性，减少包辛格效应和应力腐蚀。冷成形限于制做形态简单的钛合金零件，主要原因是回弹和起皱问题严重，工艺设计时应采取措施。冷成形解决回弹的方法主要有1、修回弹角，如橡皮成形的模具，在弯边处修出回弹角；2、把开口翻边件组合成封闭的翻边，用于预成形件，即把大的角度回弹变成小的长度回弹；3、局部增大毛料，以增加拉应力或刚性来减少回弹；4、尽量采用拉形、拉弯和胀形等方式加工；5、采用过渡模，预成形的弯形超过需要的1%～3%，利用反开车软化（包辛格效应）校形。冷成形解决起皱的方法1、组合成形，即把薄板叠合成形，以增加抗皱能力，也可用加较厚钢板作衬料。2、增加抗皱埂。3、增加磨擦力，用阻滑剂减少毛料流动堆集。4、增大毛料尺寸。5、采用预成形毛料，用通用设备将毛料相应的地方进行放料和收料，或压埂及弯边等预加工。冷成形热成形是借助于温度、压力及时间等工艺因素来加工零件，温度作用是降低变形抗力，提高材料塑性和改善成形状态。压力的作用是平衡成形时的弯形抗力，时间是满足松驰和进入蠕变状态所需要的条件。热成形按工序分为热成形，热成形兼校形，热成形兼热处理（淬火、固溶、回火、退火及消除应力）热成形按工艺规范分为：低温（室温）、中温（回复、再结晶、时效、回火）和高温（淬火、固溶，其他），加热方式有恒温差，变温和局部加温等，压力有真空、低压，中压及高压等，成形介质有汽体（氩、氮、空气、水蒸气），液体（油、水、化合物）和固体（橡胶、纤维、粒子、金属块、复合材料），热成形加热温度的高低取决于成形的目的：1、低温（消除应力温度以下）：加热177～260℃，可改善钛板室温下的成形性，抑制破裂。对许多钛板要避免在288～455℃范围内成形，此温度范围对抑制裂纹不利。2、中温（消除应力温度范围）：加热482～649℃，提高塑性，解决回弹问题和降低成形力。3、高温（再结晶退火和相变温度范围）：加热732～950℃，利用位错和扩散蠕变，显著的降低成形力，利用与温度相匹配的应变速率，实现超塑成形的蠕变成形。热成形图20.1对强度的影响图20.2对延伸率的影响成形压力的高低对消除已出现的皱纹有明显的好处，但对抑制卸载后的回弹却作用不大，因此应尽量在所选温度下用最小压力，避免工装变形和节约能源。在低温成形时，加载速度对变形抗力和塑性影响不大，而在中温和高温时影响越来越显著，加载速度和温度对TC4钛合金强度的影响见图20.1，加载速度和温度对TC4钛合金延伸率的影响见图20.2。毛料加热时主要选择：①在空气电炉内加热；②毛料直接通电的自阻法加热；③红外线辐射区加热；④电感应法加热；⑤毛料与热模具接触加热；⑥喷灯和焊炬等燃气加热。热成形热校形热校形是借助温度、时间和压力因素，使材料和残余应力获得松驰的过程。热校形可以提高成形准确度，贴模间隙可达0.01mm，可增加零件形状尺寸的稳定性，减少应力腐蚀，提高产品性能（减少反载软化，提高断裂韧性，增强抗疲劳和蠕变能力）。按工序分为：热校形、热校形热处理，热成形热校形。应用范围：要求形状和尺寸稳定的零件校形，易受应力腐蚀的零件校形，包辛格效应大的零件校形，非室温下使用的零件校形，低塑性材料零件校形，校正量过大的零件校形，高弹性材料零件的校形，已进行强化处理的零件校形，热处理变形过大的零件校形，高强度或板材零件的校形。热成形