论文部分内容阅读
摘要：TA18高强钛合金因其优异的综合性能成为航空管路系统的首选材料，管材的弯曲成形技术水平对飞行器的性能至关重要。我国TA18高强钛合金管材的研制尚处于初期阶段，为满足航空产品精益化的需求，亟待建立一套较为全面的钛合金管材弯曲成形工艺体系及数值模拟系统。
Abstract： TA18 high-strength titanium alloy has become the material of choice for aviation piping systems due to its excellent comprehensive properties. It is important for the aircraft that level of bending technology. And it is still in preliminary stage the development of TA18 high-strength titanium alloy pipes in China. For the more and more requirements of aviation products， the comprehensive bending process system and numerical simulation system are urgently to be established.
关键词：TA18钛合金;管路系统;数控弯曲;数值模拟
Key words： TA18 titanium alloy;piping system;CNC bending;numerical simulation
中圖分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）22-0038-02
0 引言
TA18钛合金是从TC4钛合金演变而来的低铝当量近α型的钛合金，其名义成分为Ti-3Al-2.5V。TA18钛合金在室温和高温下强度比纯钛高20～50%，它不仅具有良好的室温、高温机械性能和耐蚀性能，而且具有优异的冷、热加工工艺塑性、成形性和焊接性能。该合金对缺口不敏感，具有良好的抗蚀性，因此成为航空航天管路系统的首选材料。
TA18钛合金的强化途径主要是通过冷加工变形。冷加工后，通过不同的热处理制度，可使管材达到不同的强度水平。最常用的有退火态中强级（Rp0.2≥620MPa）和去应力退火态高强级（Rp0.2≥860MPa）两种典型代表。其中，退火态中强级管材主要用于发动机管路系统，去应力退火态高强级管材主要用于飞机液压等管路系统[1]。
航空航天飞行器的管路系统是飞行器的生命线，主要包括燃油管路、液压油管路、滑油管路、气源管路、压缩空气管路、引射水管路等。其数量繁多、结构形状复杂，加工质量直接影响其连接的精确度和稳定性。一直以来管材在弯曲成形中经常出现各种缺陷，如：弯管截面变形、起皱、弯管变薄、弯曲回弹等，这不仅影响了产品质量及生产装配进度，还给飞行器实现系统功能带来安全隐患。
管路系统的可靠性和持久性是满足适航要求、保障飞行安全和降低维修成本的重要因素，因此提高管材的弯曲成形技术水平对提高飞机性能是非常重要的[2]。
1 国内外应用现状
1.1 国外应用现状
TA18高强钛管用于液压管路系统，不仅能够满足较高的强度要求，还能满足航空航天等领域对构件轻量化的需求，因此在国外早已得到重视和广泛应用。20世纪中期，美国为飞机管路液压系统开发了TA18钛合金，采用该合金制备的管材已在F-14A、F-15、B-1和波音747、757、767 等飞机的液压、燃油管路系统中推广应用。世界各大航空公司，如波音、通用、麦道、普惠、罗罗、空客等，其军用飞机和商用客机等运输工具上也大量使用TA18钛合金管材[1，3-5]。目前，TA18钛合金已被广泛应用于西方许多国家的军事工程中管件部分（包括直升机），成为军机和民机管路系统的首选材料。
1.2 国内应用现状
20世纪70年代中期，以西北有色金属研究院为首的相关单位开始对中强级TA18钛合金进行深入地研究，并在航空航天飞机管路系统中得到广泛应用，但高强级TA18钛合金管材的研制尚处于初级阶段。目前由于钛合金管材弯曲及管接头技术尚未完全成熟，故钛合金管材在民用飞机和军用飞机上均未获得广泛应用。在管材弯曲成形方面，由于缺乏相应的设备，目前尚只能较为稳定地实现纯钛（如TA1、TA2）和一些强度不高的钛合金管材（如TA16M）以及中强钛合金管（如TA18M）的数控冷弯曲成形[6]。
2 管材弯曲成形技术研究进展
2.1 管材弯曲成形方法
最常见的管材弯曲成形方法主要有压弯成形、推弯成形、滚弯成形及绕弯成形[2，7-8]。
压弯成形是最早用于管材的弯曲方法，通过弯曲模具对管材施加载荷而完成弯曲加工。这种方法生产效率高，模具调整简单，在弯头加工方面应用较广泛。但是压弯时所加载荷集中在两支承辊之间，管坯与弯模初始接触处容易形成截面畸变，影响弯曲质量。
推弯成形一般用于弯头的成形，在管材轴向施加载荷，管坯被推进型腔实现弯曲。推弯成形过程中管材外侧壁厚不会出现过度减薄，但需合理设计芯模并进行管坯和模具型腔润滑，否则易发生失稳起皱。 滚弯成形通常用于厚壁管弯曲。滚弯是在三个或以上驱动辊轮的作用下，将管坯置于辊轮之间，通过控制辊轮的间距和驱动方式来实现管材的弯曲成形。滚弯成形由于没有芯棒的支撑，管材的截面质量不易控制，但采用多辊滚弯可以提高管材弯曲精度，降低截面畸变，提高管材弯曲变形均匀程度。
绕弯成形是目前最常使用的一种弯管方法，该工艺与现代数控技术相结合形成了管材数控绕弯成形技术。弯曲时将管坯的一端置于夹模，弯曲模在数控程序的驱动下实现管材弯曲成形。数控绕弯不仅能提高管材弯曲的成形质量，还可以通过程序控制实现连续弯曲，完成复杂的空间弯管。
2.2 研究进展
管材数控弯曲成形技术是一项十分复杂的工艺过程，受到材料性能、管壁厚因子、弯曲工艺、模具设计制造水平等诸多因素的影响。管材弯曲成形易出现各种缺陷，如外侧壁厚减薄、内侧壁厚增厚、界面畸变、起皱和破裂等，这严重制约着我国航空航天管路系统的发展[7]。针对目前的管材弯曲成形技术，研究学者主要从以下几个方面做了大量的工作，并取得了一定的成绩。
在理论分析研究方面，研究学者主要从管材横截面收缩率、壁厚减薄率、中性层偏移量、管材送给长度、弯矩和截面畸变率等各方面进行了大量的理论公式推导及表征公式的模型建立，并且理论解析结果与实验验证结果吻合良好。但是在理论分析过程中，采用了大量的假设和公式简化，并且忽略了一些因素的影响，因此公式的精度和应用范围受到一定的限制[9-10]。
在数值模拟分析方面，研究学者运用有限元分析软件对管材弯曲成形过程进行了模型建立，并在不同程度上进行了算法的二次开发。通过有限元仿真分析，研究了管材弯曲成形过程中材料流动规律、应力应变分布状态、管材壁厚变化、弯管回弹规律、弯曲成形缺陷的产生机理及变化规律等，揭示了弯曲成形工艺参数，如芯棒参数、摩擦参数、弯曲速度和管模间隙等，对管材成形过程的影响规律[11-12]。
在试验研究方面，目前的试验主要集中在高校及科研院所对理论分析及数值模拟结果的试验验证，研究学者对弯曲加工的工艺参数及热处理制度对管材的组织形态及机械性能的影响进行了一定的研究，但关于批量化生产的工艺及均匀性控制的研究鲜见报道[13-14]。
3 存在的问题
我国关于高强TA18钛合金管材的弯曲成形研究虽然取得了很大的进步，但尚处于初期阶段，未形成批量化的生产工艺及控制方法，仍然面临新的挑战。
首先，理论研究和数值模拟分析与生产试验研究脱节，高校等研究机构由于设备及生产试验条件的限制，大量的研究主要集中在理论分析及数值模拟方向，生产单位具备一定的试验试制条件，但由于现有的运行机制，尚未投入大量的研究工作。
其次，在工艺技术方面，TA18高强钛合金管材冷折弯过程中，需要設备吨位较大，角度控制精度较低，易出现回弹及起皱等缺陷;热校形时，合模时易出现“咬边”缺陷，且长时加热易产生高温蠕变，导致产品截面的圆整度难以控制。
最后，目前采用的冷折弯+热校形两步成形周期较长，成本较高。
4 结束语
TA18钛合金管材已经成为航空航天管路系统的首选材料，在国外被广泛应用，但在国内尚处在起步阶段。由于目前航空产品精益化的需求，未来钛合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技术研究已经迫在眉睫。为实现钛合金管材数控弯曲精确成形，亟待研究建立一套较为全面的钛合金管材弯曲成形工艺体系及数值模拟系统。
参考文献：
[1]杨建朝，席锦会，杨亚社，等.航空航天用TA18钛合金管材的研发及应用[J].钛工业进展，2014，31（04）：6-10.
[2]王萌.飞机导管数控弯曲成形技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
[3]刘燕平，张晖，张旺峰，等.孪生行为对TA18钛合金管材塑性的影响[J].稀有金属材料与工程，2013，42（06）：1169-1172.
[4]杨亚社，杨永福，罗登超，等.航空用TA18管材加工工艺研究[J].稀有金属材料与工程，2013，42（03）：625-628.
[5]张旺峰，李艳，王玉会，等.Ti-3Al-2.5V钛合金管材研究进展[J].材料导报，2011，25（23）：133-137.
[6]江志强，杨合，詹梅，等.钛合金管材研制及其在航空领域应用的现状与前景[J].塑性工程学报，2009，16（04）：44-50，84.
[7]梁闯.TA18高强钛管数控绕弯不均匀变形行为及成形性能研究[J].南昌航空大学，2017.
[8]汪鹏飞.金属管材数控弯曲成形及仿真分析[D].沈阳工业大学，2018.
[9]Mei Zhan， Yan Wang， He Yang， et al. An analytic model for tube bending springback considering different parameter variations of Ti-alloy tubes. Journal of Materials Processing Tech.， 2016， 236：123-137.
[10]H. Li， H. Yang， F.F.Song， et al. Spring back characterization and behaviors of high-strength Ti-3Al-2.5V tube in cold rotary draw bending. Journal of Materials Processing Tech.，2012，212（9）.
[11]皇涛，詹梅，曹刚，等.TA18高强钛管数控弯曲变形历史特征[J].塑性工程学报，2014，21（02）：81-87.
[12]皇涛，杨方方，詹梅，等.TA18高强钛管数控弯曲成形截面扁化研究（英文）[J].稀有金属材料与工程，2018，47（08）：2347-2352.
[13]李鹏亮，孙宾，张志，等.薄壁小弯曲半径钛合金管材弯曲技术研究[J].航空制造技术，2013（16）：113-115.
[14]张旺峰，王玉会，李艳，等.高强度TA18合金管材性能评价与控制方法研究[J].稀有金属材料与工程，2012，41（07）：1239-1242.
Abstract： TA18 high-strength titanium alloy has become the material of choice for aviation piping systems due to its excellent comprehensive properties. It is important for the aircraft that level of bending technology. And it is still in preliminary stage the development of TA18 high-strength titanium alloy pipes in China. For the more and more requirements of aviation products， the comprehensive bending process system and numerical simulation system are urgently to be established.
关键词：TA18钛合金;管路系统;数控弯曲;数值模拟
Key words： TA18 titanium alloy;piping system;CNC bending;numerical simulation
中圖分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）22-0038-02
0 引言
TA18钛合金是从TC4钛合金演变而来的低铝当量近α型的钛合金，其名义成分为Ti-3Al-2.5V。TA18钛合金在室温和高温下强度比纯钛高20～50%，它不仅具有良好的室温、高温机械性能和耐蚀性能，而且具有优异的冷、热加工工艺塑性、成形性和焊接性能。该合金对缺口不敏感，具有良好的抗蚀性，因此成为航空航天管路系统的首选材料。
TA18钛合金的强化途径主要是通过冷加工变形。冷加工后，通过不同的热处理制度，可使管材达到不同的强度水平。最常用的有退火态中强级（Rp0.2≥620MPa）和去应力退火态高强级（Rp0.2≥860MPa）两种典型代表。其中，退火态中强级管材主要用于发动机管路系统，去应力退火态高强级管材主要用于飞机液压等管路系统[1]。
航空航天飞行器的管路系统是飞行器的生命线，主要包括燃油管路、液压油管路、滑油管路、气源管路、压缩空气管路、引射水管路等。其数量繁多、结构形状复杂，加工质量直接影响其连接的精确度和稳定性。一直以来管材在弯曲成形中经常出现各种缺陷，如：弯管截面变形、起皱、弯管变薄、弯曲回弹等，这不仅影响了产品质量及生产装配进度，还给飞行器实现系统功能带来安全隐患。
管路系统的可靠性和持久性是满足适航要求、保障飞行安全和降低维修成本的重要因素，因此提高管材的弯曲成形技术水平对提高飞机性能是非常重要的[2]。
1 国内外应用现状
1.1 国外应用现状
TA18高强钛管用于液压管路系统，不仅能够满足较高的强度要求，还能满足航空航天等领域对构件轻量化的需求，因此在国外早已得到重视和广泛应用。20世纪中期，美国为飞机管路液压系统开发了TA18钛合金，采用该合金制备的管材已在F-14A、F-15、B-1和波音747、757、767 等飞机的液压、燃油管路系统中推广应用。世界各大航空公司，如波音、通用、麦道、普惠、罗罗、空客等，其军用飞机和商用客机等运输工具上也大量使用TA18钛合金管材[1，3-5]。目前，TA18钛合金已被广泛应用于西方许多国家的军事工程中管件部分（包括直升机），成为军机和民机管路系统的首选材料。
1.2 国内应用现状
20世纪70年代中期，以西北有色金属研究院为首的相关单位开始对中强级TA18钛合金进行深入地研究，并在航空航天飞机管路系统中得到广泛应用，但高强级TA18钛合金管材的研制尚处于初级阶段。目前由于钛合金管材弯曲及管接头技术尚未完全成熟，故钛合金管材在民用飞机和军用飞机上均未获得广泛应用。在管材弯曲成形方面，由于缺乏相应的设备，目前尚只能较为稳定地实现纯钛（如TA1、TA2）和一些强度不高的钛合金管材（如TA16M）以及中强钛合金管（如TA18M）的数控冷弯曲成形[6]。
2 管材弯曲成形技术研究进展
2.1 管材弯曲成形方法
最常见的管材弯曲成形方法主要有压弯成形、推弯成形、滚弯成形及绕弯成形[2，7-8]。
压弯成形是最早用于管材的弯曲方法，通过弯曲模具对管材施加载荷而完成弯曲加工。这种方法生产效率高，模具调整简单，在弯头加工方面应用较广泛。但是压弯时所加载荷集中在两支承辊之间，管坯与弯模初始接触处容易形成截面畸变，影响弯曲质量。
推弯成形一般用于弯头的成形，在管材轴向施加载荷，管坯被推进型腔实现弯曲。推弯成形过程中管材外侧壁厚不会出现过度减薄，但需合理设计芯模并进行管坯和模具型腔润滑，否则易发生失稳起皱。 滚弯成形通常用于厚壁管弯曲。滚弯是在三个或以上驱动辊轮的作用下，将管坯置于辊轮之间，通过控制辊轮的间距和驱动方式来实现管材的弯曲成形。滚弯成形由于没有芯棒的支撑，管材的截面质量不易控制，但采用多辊滚弯可以提高管材弯曲精度，降低截面畸变，提高管材弯曲变形均匀程度。
绕弯成形是目前最常使用的一种弯管方法，该工艺与现代数控技术相结合形成了管材数控绕弯成形技术。弯曲时将管坯的一端置于夹模，弯曲模在数控程序的驱动下实现管材弯曲成形。数控绕弯不仅能提高管材弯曲的成形质量，还可以通过程序控制实现连续弯曲，完成复杂的空间弯管。
2.2 研究进展
管材数控弯曲成形技术是一项十分复杂的工艺过程，受到材料性能、管壁厚因子、弯曲工艺、模具设计制造水平等诸多因素的影响。管材弯曲成形易出现各种缺陷，如外侧壁厚减薄、内侧壁厚增厚、界面畸变、起皱和破裂等，这严重制约着我国航空航天管路系统的发展[7]。针对目前的管材弯曲成形技术，研究学者主要从以下几个方面做了大量的工作，并取得了一定的成绩。
在理论分析研究方面，研究学者主要从管材横截面收缩率、壁厚减薄率、中性层偏移量、管材送给长度、弯矩和截面畸变率等各方面进行了大量的理论公式推导及表征公式的模型建立，并且理论解析结果与实验验证结果吻合良好。但是在理论分析过程中，采用了大量的假设和公式简化，并且忽略了一些因素的影响，因此公式的精度和应用范围受到一定的限制[9-10]。
在数值模拟分析方面，研究学者运用有限元分析软件对管材弯曲成形过程进行了模型建立，并在不同程度上进行了算法的二次开发。通过有限元仿真分析，研究了管材弯曲成形过程中材料流动规律、应力应变分布状态、管材壁厚变化、弯管回弹规律、弯曲成形缺陷的产生机理及变化规律等，揭示了弯曲成形工艺参数，如芯棒参数、摩擦参数、弯曲速度和管模间隙等，对管材成形过程的影响规律[11-12]。
在试验研究方面，目前的试验主要集中在高校及科研院所对理论分析及数值模拟结果的试验验证，研究学者对弯曲加工的工艺参数及热处理制度对管材的组织形态及机械性能的影响进行了一定的研究，但关于批量化生产的工艺及均匀性控制的研究鲜见报道[13-14]。
3 存在的问题
我国关于高强TA18钛合金管材的弯曲成形研究虽然取得了很大的进步，但尚处于初期阶段，未形成批量化的生产工艺及控制方法，仍然面临新的挑战。
首先，理论研究和数值模拟分析与生产试验研究脱节，高校等研究机构由于设备及生产试验条件的限制，大量的研究主要集中在理论分析及数值模拟方向，生产单位具备一定的试验试制条件，但由于现有的运行机制，尚未投入大量的研究工作。
其次，在工艺技术方面，TA18高强钛合金管材冷折弯过程中，需要設备吨位较大，角度控制精度较低，易出现回弹及起皱等缺陷;热校形时，合模时易出现“咬边”缺陷，且长时加热易产生高温蠕变，导致产品截面的圆整度难以控制。
最后，目前采用的冷折弯+热校形两步成形周期较长，成本较高。
4 结束语
TA18钛合金管材已经成为航空航天管路系统的首选材料，在国外被广泛应用，但在国内尚处在起步阶段。由于目前航空产品精益化的需求，未来钛合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技术研究已经迫在眉睫。为实现钛合金管材数控弯曲精确成形，亟待研究建立一套较为全面的钛合金管材弯曲成形工艺体系及数值模拟系统。
参考文献：
[1]杨建朝，席锦会，杨亚社，等.航空航天用TA18钛合金管材的研发及应用[J].钛工业进展，2014，31（04）：6-10.
[2]王萌.飞机导管数控弯曲成形技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
[3]刘燕平，张晖，张旺峰，等.孪生行为对TA18钛合金管材塑性的影响[J].稀有金属材料与工程，2013，42（06）：1169-1172.
[4]杨亚社，杨永福，罗登超，等.航空用TA18管材加工工艺研究[J].稀有金属材料与工程，2013，42（03）：625-628.
[5]张旺峰，李艳，王玉会，等.Ti-3Al-2.5V钛合金管材研究进展[J].材料导报，2011，25（23）：133-137.
[6]江志强，杨合，詹梅，等.钛合金管材研制及其在航空领域应用的现状与前景[J].塑性工程学报，2009，16（04）：44-50，84.
[7]梁闯.TA18高强钛管数控绕弯不均匀变形行为及成形性能研究[J].南昌航空大学，2017.
[8]汪鹏飞.金属管材数控弯曲成形及仿真分析[D].沈阳工业大学，2018.
[9]Mei Zhan， Yan Wang， He Yang， et al. An analytic model for tube bending springback considering different parameter variations of Ti-alloy tubes. Journal of Materials Processing Tech.， 2016， 236：123-137.
[10]H. Li， H. Yang， F.F.Song， et al. Spring back characterization and behaviors of high-strength Ti-3Al-2.5V tube in cold rotary draw bending. Journal of Materials Processing Tech.，2012，212（9）.
[11]皇涛，詹梅，曹刚，等.TA18高强钛管数控弯曲变形历史特征[J].塑性工程学报，2014，21（02）：81-87.
[12]皇涛，杨方方，詹梅，等.TA18高强钛管数控弯曲成形截面扁化研究（英文）[J].稀有金属材料与工程，2018，47（08）：2347-2352.
[13]李鹏亮，孙宾，张志，等.薄壁小弯曲半径钛合金管材弯曲技术研究[J].航空制造技术，2013（16）：113-115.
[14]张旺峰，王玉会，李艳，等.高强度TA18合金管材性能评价与控制方法研究[J].稀有金属材料与工程，2012，41（07）：1239-1242.