盖梁支撑工艺的优缺点（钛合金支撑盖板整体成形工艺方案设计）
盖梁支撑工艺的优缺点（钛合金支撑盖板整体成形工艺方案设计）考虑到该产品焊接的弊端以及繁琐的补焊及校正工艺，决定对产品结构进行优化，初步考虑产品结构后，将产品优化为整体结构，采用整体成形方式进行加工，取消焊接接头，从而可以避免焊缝不合格以及焊后变形造成的质量问题。第二件产品焊接后，在不取件的情况下，将产品随夹具进行去应力热处理，热处理后进行取件，产品型面满足设计要求，但对焊缝进行X射线检查时，T形角焊缝存在缺陷，无法满足二级焊缝的要求，安排钳工对缺陷处进行打磨排故，以局部补焊的方式对焊缝进行返修，补焊后由钳工进行局部校正，产品最终完成交付。图1 支撑盖板原设计结构示意图对于T形接头，焊缝的熔深要求不小于15%即为合格，不需要100%焊透，X射线探伤时，在接头内部焊缝与母材接合处，底片上会存在一条类似裂纹的黑线显影，但检验人员无法判定该显影是裂纹还是满足标准要求的未焊透。若要消除此条黑线即100%焊透零件，则会很容易在焊缝背面形成烧穿、咬边等表面缺陷
支撑盖板为某型直升机排气装置焊接组合件，产品原材料为钛合金板材，单件制造采用钛合金热压成形，组件采用氩弧焊接，最大工艺难点是焊接易变形，产品报废率高、质量损失大，为保证产品交付质量、控制加工成本，我公司开展了该产品结构优化工作，并针对优化后的产品开展工艺分析及试制，最终攻克了钛合金多曲面整体成形的技术难题。
本文以整体成形支撑盖板为研究对象，通过对原设计结构的试制进行工艺总结，结合钛合金板材成形特点，对零件结构进行调整，采用eat/DYNAFORM分析软件，进行产品整体结构成形数值模拟验证，为该零件加工提供了一套实用、高效、经济、可靠的成形方法。
常规加工方法简介
支撑盖板材料为钛合金板材（厚度为1.0mm)，原设计结构如图1所示，产品分为3个单件通过氩弧焊焊接组成，单个零件采用热成形加工，通过钳工修配后进行焊接，两条焊缝为对接焊，一条焊缝为T形焊，产品设计数模中规定焊缝等级为二级，根据HB 5376-1987《钛及钛合金钨极氩弧焊质量检验》3.4条要求，二级焊缝需100%进行X射线检查，从焊接工艺和焊接接头强度考虑，焊接接头存在以下问题：
图1 支撑盖板原设计结构示意图
对于T形接头，焊缝的熔深要求不小于15%即为合格，不需要100%焊透，X射线探伤时，在接头内部焊缝与母材接合处，底片上会存在一条类似裂纹的黑线显影，但检验人员无法判定该显影是裂纹还是满足标准要求的未焊透。若要消除此条黑线即100%焊透零件，则会很容易在焊缝背面形成烧穿、咬边等表面缺陷，特别是在小于90°的闭角区域，该现象尤为明显，并且气孔指标难以达到HB 5376-1987《钛及钛合金钨极氩弧焊质量检验》二级焊缝的要求，尤其是角度小于90°的闭角度角焊缝，由于电弧反射、气体流动不畅等原因，致使焊接时很容易产生气孔，更加满足不了二级焊缝对气孔的要求。
针对以上问题，我方与产品设计人员沟通协调之后，按设计要求进行组件产品试制。首先对3个单件进行修配，由钳工采用焊接夹具进行定位，对焊接边进行修配和焊前抛光，然后由焊工对产品进行氩弧焊焊接，待产品充分冷却后进行取件，产品取件后产生扭曲变形且钳工无法校正，也无法装入焊接夹具，造成首件产品报废。
第二件产品焊接后，在不取件的情况下，将产品随夹具进行去应力热处理，热处理后进行取件，产品型面满足设计要求，但对焊缝进行X射线检查时，T形角焊缝存在缺陷，无法满足二级焊缝的要求，安排钳工对缺陷处进行打磨排故，以局部补焊的方式对焊缝进行返修，补焊后由钳工进行局部校正，产品最终完成交付。
考虑到该产品焊接的弊端以及繁琐的补焊及校正工艺，决定对产品结构进行优化，初步考虑产品结构后，将产品优化为整体结构，采用整体成形方式进行加工，取消焊接接头，从而可以避免焊缝不合格以及焊后变形造成的质量问题。
结构优化与工艺分析
产品结构优化
在产品结构优化时，应在满足原设计产品的装配和功能要求的前提下，进行整体结构数模设计，首先将上部左侧、上部右侧两个单件产品的曲面对接焊合，调整成整体结构，其次将原T形角焊缝改为采用R2mm的圆角过渡，确保整体结构曲面与原设计一致。
工艺分析
该零件结构为全曲面结构，由于材料为钛合金，采用冷冲压成形回弹大，R2mm转角位置极易出现破裂情况，故选取热成形加工工艺。
图2 整体结构支撑盖板
图3 工艺路线
充分考虑到产品复杂的曲面结构及材料的成形性能，采用两次成形的工艺方案对产品进行加工，利用热蠕变成形设备的顶杆功能，设计带压边圈的模具对产品进行拉深成形，将成形后的半成品进行翻孔角度的校正，从而实现产品的整体成形，工艺路线如图3所示。
模具结构设计要求
⑴热拉深模设计。
图4 热拉深产品工艺数模
产品曲面结构拔模方向存在约30°的负角度，热拉深成形无法直接成形闭角产品，只能实现产品的预成形，而预成形质量直接决定了产品能否进行后续加工，考虑到产品结构特点，拉深产品工艺数模设计如图4所示，工艺数模法兰曲面与产品最终数模法兰型面保持一致，产品开角处与产品最终型面保持一致，产品闭角处按产品开角型面设计，其翻孔根部形状与最终产品形状保持一致，上述三者的配合间隙十分重要，并需要考虑模具及零件在高温下的缩放尺寸，热拉深模具设计如图5所示。
⑵热成形模设计。
图5 热拉深模
图6 热成形模
热成形模的主要用途是对产品闭角进行压制，在模具设计时调整压力中心就显得十分重要，经过对产品方向多次调整，找到产品最大闭角处，并建立相交线，确定产品冲压方向，按最终产品数模型面建立凸模和凹模型面。由于产品法兰面为全型面，在高温下取件时容易产生变形，在设计模具时，通过设计加强筋增加零件结构强度，然后通过顶料块将产品顶出，防止取件变形，产品的热成形模如图6所示。在产品实际加工时，以产品法兰曲面作为定位，将翻孔曲面放入凹模型腔，在放置产品时，确保产品法兰曲面与模具凹模型面相贴合，然后对产品进行压制，取件时，使用顶杆将凹模中间的顶料块升起，顶出产品，利用夹持工具夹住零件的余量部位，将产品取出。
零件成形有限元分析
金属板料成形过程是一个非常复杂的弹塑性变形过程，将有限元分析引入工业生产，不仅提高工艺设计人员设计的制造方案水平，而且仿真结果对工业生产同样具有指导意义，在此模具设计过程中，大量使用了分析软件eat/DYNAFORM作为平台，对产品的成形过程进行分析，并根据分析结果对模具及下料尺寸进行优化，节省试模不合格对模具进行返修的时间及成本，并节约试模的人工成本及试模时间，从而提高生产效率。
⑴模具的优化。
模面优化通过模面方案的调整来实现，优化过程中将模具压边圈设置在零件成形区域以外，沿周增加压延筋，然后对型面网格化及重新设置成形参数，随后，根据仿真结果出现的制件破裂及材料减薄情况，对模具局部进行修正。
⑵板料的优化。
坯料的形状和尺寸是板料拉深成形的一个重要影响因素，对于支撑盖板这样的坯料状态，通过eat/DYNAFORM仿真结果，选取最优坯料状态作为后期试模料状态。坯料尺寸为φ500mm，先将坯料滚弯，然后对坯料进行拉深成形，产品成形分析结果如图7所示，产品法兰面存在起皱风险，局部出现严重起皱趋势。
按拉深成形结果对产品坯料进行优化，坯料仍然使用φ500mm的圆形料，在中间开一个φ160mm的圆孔，调整压边力及主缸压力，使法兰曲面的材料不流动，利用拉深模的压边圈及凹模型面保护法兰曲面，使其成为一个翻孔工艺，经过软件分析，结果如图8所示，产品成形极限图无褶皱、裂纹等缺陷；图9所示为产品成形的厚度分析图，产品局部最薄处厚度为0.88mm，能够满足产品后期加工要求。
工艺验证
根据成形分析结果，开展支撑盖板整体成形的工艺试制，试制结果表明，零件符合装配和性能要求，产品的成功试制充分证明了支撑盖板整体成形方案是有效可行的。原设计方案和优化后整体成形方案的对比，如表1所示，通过对比可知，整体成形优于单零件焊接组合方案，节省了生产周期，降低了制造成本，增强了零件结构强度。
图7 产品成形分析结果
图8 板料成形极限图
图9 板料厚度分析图
表1 设计方案加工成本对比
结束语
通过对支撑盖板的成形分析与工艺试验，确定支撑盖板整体成形方案是有效可行的，它有效解决了组件焊接质量难以合格的问题，使产品整体结构强度高于焊接强度，加工成本和劳动强度大幅缩减，生产效率及产品合格率也得以提升。
作者简介
方园，技术质量部部长，工程师，主要从事航空航天飞行器、航空发动机冲压结构件成形及部件整体工艺开发、工装设计等工作，参与并完成国内多个型号发动机的研制工作，获得5项专利，其中一项在2017年获得德阳市发明专利金奖。
—— 来源：《锻造与冲压》2019年第20期
