毕业论文范文——大型钛合金蒙皮整体化热成形工艺研究

西安航空职业学院毕业论文大型钛合金蒙皮整体化热成形工艺研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：本研究是将拼焊蒙皮组合件作为一个大型零件直接进行一次热成形，替代原有的多次热成形和焊接流程。开发了适用于大型模具制造的新型耐热铸钢材料，具有良好的综合力学性能和抗高温氧化性，各项性能指标优于现行技术要求。设计了整体成形工装，采用工艺过程模拟仿真分析技术预判成形质量，减少实验成本和误差，形成了钛合金整体化等温热成形方法，实现了超大型钛合金蒙皮的无焊缝整体成形。关键词：钛合金，等温热成形，工艺仿真，整体成形1引言如图1所示为机身6个（3组对称）钛合金蒙皮组合件，分别由3、7、4个热成形零件焊接成形，小零件的成形降低了对于设备规模的要求和技术难度，但带来成本高、周期长和质量差等问题。本文的研究对象是组合件三，零件材料：TC2钛合金，厚度1.2mm，尺寸：2550mmx800mm，弦高110mm。现由4个热成形零件拼焊而成，即每个零件分别进行成形制外形铣切酸洗工序，再经过三道曲线焊缝焊接成形，制造工艺流程如图2所示。图1 后机身6个组合件示意图图2 焊接制造工艺流程图存在的问题包括：（1）成形工艺问题：成本高：需要4套热成形工装，4套敲检模，1套装配检验夹具，3套焊接工装，1套热处理工装，共计13套工装，仅工装成本约为100万，并且材料利用率低，能源浪费较多，生产成本高昂；周期长：由于工装数量多，设计制造周期长；零件制造工序多，热成形工艺流程就需要走四遍，焊接三次，每条焊缝需要X光检验，再进行热处理，传递环节多，效率低，使整个生产周期成倍增长；质量差：零件数量多，制造过程精准度不易控制，累积误差大，曲面焊接工序多，工艺难度要求高，焊缝多，产生缺陷概率大，零件质量难以控制。（2）模具材料问题：传统热成形模具材料中硅钼球墨铸铁在铸造过程中容易产生缩松、冷隔和气孔等，特别是模具大型化后对韧性的要求较高，难以满足使用要求；现用模具在高温时表面氧化现象，容易导致零件表面压伤；常温下脆性大，不耐搬运和储存；同时可修性差，难以使用焊接等方法修复模具服役后产生的裂纹、压伤等。工装材料在长期实际生产中暴露出的问题亟待解决。2解决措施该项目的总体思路是针对该现状提出一种整体化热成形方法1,2，即把原来的组合件作为一个大型零件直接进行一次热成形，替代现在的四次热成形和焊接流程。现有的设备能力已经可以满足一部分大型化零件的生产，开发新型模具材料铸造加工大型模具，采用工艺过程模拟仿真分析3,4，减少实验成本和误差，并进行实验验证。该整体制造方法可以减少焊缝，极大地简化工序，解决技术难点，改善现有工艺的弊端，实现大型化、整体化零件的研制。3技术方案3.1模具设计根据该外蒙结构特点分析其整体热成形工艺方法，将拼焊零件型面合并，设计为一个大型的型面，整体成形的工装结构形式如图1所示。 图1 等温热成形工装 图2 有限元模型3.2工艺仿真采用PAMSTAMP软件根据设计的工装型面进行热成形工艺仿真，建立有限元模型如图2所示，模拟计算使用板料的中性层，划分壳单元网格，模具网格数量为10057，材料准则使用各向异性Hill48屈服准则，强化准则选择Isotropic等向强化，材料的基本参数为弹性模量E为26000MPa，泊松比为0.41，密度为4.55E-9ton/mm3，网格细化级数3级，质量放大系数5，参数总体设置如图3所示，工步具体参数设置如图4所示。 图3 总体参数设置图 图4 工步具体参数设置初步成形的仿真结果如图5所示，板料成形过程中的单元数量从3671变化到9315，网格逐级细化，该蒙皮具备整体成形条件，整体料厚均匀，在1.19-1.2mm之间，无起皱、破裂等缺陷。 图5 试验件减薄率分析通过了初步的仿真结果后进行全型面的仿真计算，结果见图6，板料初始网格数量为6681，成形后网格数量达13761，成形质量较好见图7，网格尺寸充分细化，多个口盖可一次成形，位置形状清晰。 图6 成形仿真结果 图7 口盖位置成形后的网格细化情况试验件内的应力和应变的分布状态如图8和图9所示，应力应变主要集中在口盖周围变形剧烈的位置，其它部分应力较为均匀，与实际情况吻合。由仿真结果判断，该蒙皮的整体热成形方案具有可行性。图8 板料所受主应力分布情况图 图9 板料成形主应变3.3模具制造传统的钛合金蒙皮等温热成形材料中硅钼球墨铸铁在长期的使用过程中暴露出诸多缺点，如生产过程中容易产生缩松、冷隔和气孔等，限制了模具的规模和使用；模具由于表面氧化现象导致零件表面压伤；常温下耐热铸铁的脆性大，不耐搬运和储存，同时可修性差，很难用焊接等方法修复模具因服役产生的裂纹、压伤等。本项目开发了新型耐热铸钢材料铸造加工热成形模具。该材料是一种奥氏体耐热合金钢，此钢较中硅钼球墨铸铁有更高的高温强度及良好的抗氧化性，并具有耐磨、耐腐蚀性能，成产工艺容易掌握，其良好的铸造性能更有利于大型模具的铸造成形，其化学成分主要为表1：表1耐热合金钢的化学成分CSiMnCrNiNSP0.250.351.52.02.03.018.520.53.55.00.170.240.0300.035经实验对比分析，同一实验条件下，该合金的力学性能、冲击韧性及抗氧化性能都显著优于中硅钼球墨铸铁，同时，该合金具有更低的线膨胀系数。同一实验温度下，该合金经750时效300h后，与时效前相比，合金的抗拉强度略有降低，但几乎保持与时效前一致，而持久寿命变化不大，甚至略有增加，表明该合金适于在750下长期稳定服役。结合其铸造、焊接和机械加工性能等综合评价，该合金钢较中硅钼球墨铸铁在作为钛合金热成形模具的材料方面具有优势。4等温热成形验证材料厚度1.2mm，毛坯尺寸2600mmx1000mm，试验温度650，压力50吨。如图10所示零件成形质量良好，验证了该拼焊蒙皮件整体化成形的可行性。图10 试验件实物图本项目将原有繁琐的制造流程简化，即把原来的焊接组合件简化为一个大型零件直接进行一次热成形，替代原有的四次热成形和三次焊接流程，减少焊缝，简化工序，解决技术难点，改善现有工艺的弊端。5结论本项目开发了适用于大型模具制造的新型耐热铸钢材料具有良好的综合力学性能和抗高温氧化性，各项性能指标优于现行技术要求，达到同类模具材料领先水平。实现了超大型钛合金蒙皮的无焊缝整体化成形，工装数量减少70%、工序减少60%、生产周期缩短50%，显著提高生产效率。参考文献1李鹏亮,张志.钛合金热成形模具J.航空制造技术,2012(21):94-97.2崔晶.航空钛合金零件热成形及应用分析J.航空科学技术,2007(5):38-40.3郭天文.TC4钛合金板材热拉深成形数值模拟与试验研究D.哈尔滨工业大学