钛及钛合金壳形件冲压成形影响因素及其应用现状

石 瑾，汶斌斌，于振涛，崔亚军，3，张永涛，王 岚，3

(1.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)(2.东北大学，辽宁 沈阳 110819)(3.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)



钛及钛合金壳形件冲压成形影响因素及其应用现状

石 瑾1，2，汶斌斌1，于振涛1，2，崔亚军1，3，张永涛1，2，王 岚1，3

(1.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)(2.东北大学，辽宁 沈阳 110819)(3.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

钛及钛合金力学性能优良，被称为“第三金属”，相关产品广泛应用于航空航天、航海、医疗、冶金等众多领域，但由于钛属于难冲压成形类金属，其冲压成形壳形件的应用相对较少，针对钛及钛合金的冲压成形技术有待开发与提高。为此，系统阐述了影响钛及钛合金板材冲压成形的因素，主要包括板材力学性能、成形模具、冲压工艺参数及润滑剂等，并简单介绍了钛制冲压成形壳形件在航空航天、航海、日常生活等领域的应用现状，最后对钛及钛合金冲压成形技术的研究和应用进行了展望。

钛及钛合金；冲压成形；壳形件；应用

0 引 言

壳形件是由内、外两个曲面围成的，其厚度远小于中面最小曲率半径和平面尺寸，是薄壳、中厚壳的总称。冲压成形又称板材冲压成形，是将金属板材塑性加工成各种筒形、方形、圆形、锥形及异形等壳形件的重要加工方法之一，已被广泛用于加工仪器、仪表等外壳零配件。近年来，随着我国民族工业的发展壮大，对钛及钛合金冲压成形壳形件的需求日益旺盛，但由于钛板材本身价格较高、冲压成形性能很差、试模费用昂贵，且加之对其加工工艺缺乏了解，使钛及钛合金冲压成形技术的推广及应用在一定程度上受到了限制。为推进我国钛及钛合金冲压成形技术的发展，系统介绍了钛及钛合金冲压成形过程中的影响因素，以及国内外钛及钛合金冲压成形壳形件在航空航天、航海、日常生活等领域的应用现状，并指出了未来的发展方向。

1 钛及钛合金壳形件冲压成形影响因素

近年来，钛及钛合金冲压成形技术正逐步走向成熟，冲压成形壳形件的产品种类也日趋丰富，例如：航空发动机机匣外壳、载人潜水器外壳、移动电话外壳、有源医疗器械外壳以及电脑外壳等。然而，钛及钛合金属于难成形类金属，要想实现冲压成形，必须采取各种手段将成形过程中的不利因素降到最低，且最大限度地利用有利因素[1]。影响钛及钛合金冲压成形的因素主要包括以下几个方面。

1.1 材料的力学性能

钛及钛合金板材的力学性能对冲压成形具有非常重要的影响，其主要力学性能参数对冲压成形的影响见表1。

表1 钛及钛合金主要力学性能参数对冲压成形的影响

1.2 成形模具

1.2.1 凸、凹模形状

凸模圆角半径对钛及钛合金板材的冲压成形有很大影响。西北工业大学冲压性试验小组对1.5 mm厚TC1钛合金板材进行冷冲压时发现，当凸模圆角半径为7.5、10 mm时，在很短时间内零件底部就发生了开裂现象，当凸模圆角半径增大到12.5 mm时，上述现象才消失，因此，TC1钛合金板材第一道次冷冲压时，凸模圆角半径必须≥8t(t为板材厚度)[3]。

对钛及钛合金来说，较大的凹模圆角半径更有利于板料的冲压成形，但不能过大，过大会造成板料很早就脱离压边圈，导致起皱现象提前发生，但凹模圆角半径也不能过小，过小会造成拉裂现象。

对于不同型号、不同厚度的钛合金，以及冲压温度不同时，冲压时的最小凸模和凹模圆角半径还有待研究。

1.2.2 凸、凹模间隙

凸、凹模间隙对冲压力、工具磨损、切口表面质量以及零件精度会产生很大影响，所以必须合理设置凸、凹模间隙。钛及钛合金板料冲压时，凸、凹模间隙通常按照以下公式进行计算[4]：

Z=(0.03～0.05)S

式中,S为板材厚度，mm。由于钛及钛合金的弹性模量小、回弹大，为了减小回弹，一般凸、凹模间隙值取下限值。Harada等人[5]在第三阶段对纯钛方杯拉深前，将凸模转角处的最大间隙值从0.5 mm增大到0.9 mm，成功在第三阶段拉深出了预定高度的纯钛方杯。此外，如果冲压过程中出现壁裂现象，应该适当增大凸、凹模间隙。

1.3 冲压工艺参数

1.3.1 压边间隙

若压边间隙过小，会导致法兰部位的板料难以流动到直壁部位，造成交界区域可变形材料变少，导致板材变薄而发生拉裂现象；若压边间隙过大，板料在凸模作用下通过凹模圆角时会发生弯曲，进而导致翘曲现象的发生。此外，由于板料在厚度方向上受力不足，随着冲压过程的进行，法兰部位会随之发生起皱现象，当起皱达到一定程度时，在凸模圆角处会发生破裂。大量研究证实，对于钛及钛合金板材的冲压成形来说，压边间隙为板料厚度的1.2倍时，不会发生拉裂和起皱现象[6-9]。

1.3.2 压边力

刘斐[10]研究300 ℃下TC1钛合金薄板整流内罩的成形时发现，当压边力为1.6 t时，整流内罩出现了底裂现象，最薄部位厚度仅0.08 mm；0.8 t和0.4 t时，法兰处出现了起皱现象；1.2 t时，未出现底裂和起皱现象，为最合适的压边力值。由此可见，压边力既不能过大，也不能过小，选择适合的压边力能够消除加工过程中产生的缺陷。此外，Théorique等人[11]通过数值模拟研究纯钛制汽车差速器齿轮箱盖时发现，室温下压边力为20 kN时，成形过程中不会出现起皱现象，而300 ℃下所需压边力仅为5 kN，说明升高温度有利于减少压边力。

除了恒压边力，钛及钛合金冲压成形过程中还可以采用变压边力。Adamus[12]利用ADINA有限元模拟软件，通过设置恒压边力对0.8 mm厚纯钛板材进行了冲压仿真，但其文章中指出，冲压成形过程中施加变压边力可以提高材料的冲压成形性能，但变压边力对成形后零件组织和性能均匀性的具体影响还有待研究。目前，大部分有限元模拟软件只能设置恒压边力而不能设置变压边力，这将是有限元模拟软件未来需改进的地方。

1.3.3 冲压速度

钛及钛合金板材对冲压速度非常敏感，凸模速度增大会导致成形压力增加，且变形时间相应减少，使得板料在变形过程中没有足够的时间进行再结晶软化，软化效果小于加工硬化效果，从而造成板料内部残余应力增加。有文献[13]指出，对于钛及钛合金复杂壳形件的冲压成形，冲压速度最好不超过0.25 mm/s。徐清华[14]利用MARC/MENTAT有限元仿真软件，对10 mm厚TC4钛合金板材的热冲压成形进行了有限元模拟，研究了0.1、0.5、2.5 mm/s三种凸模速度下板料的残余应力分布情况。实验结果表明，随着凸模速度的增大，板料内部的残余应力变化非常大，变形的不均匀性增加。因此，对于钛及钛合金板材的冲压成形来说，应尽可能选择低的冲压速度，以减小板材内部残余应力，增加板材变形均匀性，从而减小开裂的可能。

1.3.4 成形温度

Harada等人[5]对室温下纯钛方杯的成形性进行了研究，通过600 ℃×2 h退火处理，成功将纯钛方杯成形到预定高度。然而，受钛及钛合金板材本身力学性能的影响，大多数牌号的钛合金板材均不适合在室温下进行冲压成形[15-16]。因此，需将钛合金板料加热到一定温度下再进行热冲压成形，在此过程中，可通过利用某些装置提高模具温度，减少板料与模具的温差，提高钛合金的极限冲压比，改善冲压成形性能[17]。申发兰[8]通过实验和计算得出TA15钛合金板材在725、750、775 ℃下的拉深极限比分别为1.71、1.77、1.83，说明在此温度区间内，温度越高，TA15钛合金板材的冲压成形性能越好。此外，提高冲压成形温度还能增加板材的塑性与流动性，减小板材内部变形分布的不均匀性[10-11,14]，但高温并不能消除板材的各向异性[18]。

1.4 润滑剂

在其它条件均满足冲压工艺要求的前提下，润滑效果将会直接影响冲压力、模具寿命和冲压件的质量等，甚至会成为板材冲压成形成败的关键。选用合适的润滑剂可以增大成形极限、提高成形速度、减小壳形件圆角半径[19]。对于钛及钛合金的冲压成形来说，所使用的润滑剂需要在冲压钢板所用润滑剂的基础上加入其它物质。Adamus等人[12]在研究纯钛板材的冲压时发现，在冲压钢板所用的润滑油中加入MoS2后有利于钛板的冲压成形，并且润滑油能够分担冲压过程中模具产生的高单位压力；Dyja等人[20]在植物油的基础上开发了一种新的有机润滑油，该润滑油中加入了硼酸和硬脂酸，在钛板冲压成形壳形件的过程中使用该润滑油会比不使用时降低32%的冲压力。

2 钛及钛合金冲压壳形件的应用现状

目前，钛及钛合金冲压成形壳形件主要被用于航空航天、航海和日常生活领域。日本、美国和俄罗斯的相关技术比较成熟，而我国则尚处于起步阶段。

2.1 航空航天领域

钛及钛合金具有密度小、比强度高、使用温度范围宽、耐腐蚀、阻尼低等优点，是航空航天领域的最佳用材，其冲压成形壳形件可被用于制造航空发动机机匣外壳、内外整流罩、导向器内环、压气机集气室、 气瓶、燃料储存装置等[21-23]。

2.2 航海领域

钛及钛合金具有耐海水腐蚀性能优异、比强度高、抗冲击性强、透声和无磁性等特点，其制品可被广泛用在航海领域。日本“深海6500”深潜器上使用了通过冲压成形制造的钛合金耐压舱；美国“新阿尔文号”载人深潜器的球壳采用近α型钛合金制造，外径为2.1 m，壁厚49 mm，通过氩弧焊将两个热冲压半球焊接而成；前苏联于20世纪60年代首次将钛合金用于制造“阿尔法”级潜水艇的舰船壳体，K-329“北德文斯克”号的双层耐压艇壳也是通过钛合金冲压成形工艺制造的，“和平号”深潜器载人球壳采用的是瓜瓣焊接工艺制造，即先冲压出瓜瓣，再进行焊接。

我国于2012年完成了“蛟龙号”载人深潜器的海试，下潜深度达7 062.68 m，刷新了当时的国内记录。该深潜器的外壳由中国工程师设计，俄罗斯代为加工制造，说明在当时我国还没有制造该钛合金球壳的能力。2015年5月，我国首个4 500 m载人潜水器载人球壳在中国船舶重工集团公司第七二五研究所出厂，该球壳采用近α型钛合金制造，先将钛合金厚板分瓣冲压成形，再进行组装并焊接成球，球壳直径为2.1 m，是我国首次利用冲压成形技术成功制造的大规格钛合金半球壳。2015年年底，宝钛集团承担的国家“863”计划重点科技项目“4500米深潜器载人舱球壳研制”顺利通过验收，该球壳材料为TC4 ELI钛合金，采用的是半球整体冲压技术成形，标志着我国载人潜水器载人球壳的制造能力已达到发达国家水平[24]。

2.3 日常生活领域

日本1978年制造的尼康P2照相机壳体的上下盖、前后盖均采用了钛制冲压件；Kyosera公司于1990年推出了全钛机身的Contax T2照相机，该照相机装有5个由0.6 mm厚纯钛板深冲加工而成的钛制冲压件[25]；富士通公司于1999年推出了钛合金外壳的笔记本电脑INTERTOP CX300；水野公司于2005年成功研制了一种新型钛合金Ti-15Mo-3Al，该合金薄板通过起模、冲压等工序，可制造高尔夫球杆打击面[26]；爱华AM-HX200迷你CD机外壳采用JIS 1类纯钛经冲压加工制成，其顶部厚度为0.8 mm，底部为0.6 mm，质量仅84 g。美国的APPLE公司曾推出的PowerBook G4液晶显示屏内外盖与键盘盖等都是由1级工业纯钛板材冲压而成的，该笔记本厚度为25.4 mm，质量仅为2.4 kg；惠普X16-1201TX和X16-1301TX系列笔记本电脑均使用了钛合金外壳。

此外，钛及钛合金制炊具(如锅、盆、水瓶、勺叉等)、手表外壳、手机外壳、盛酒器、墨盒、笔筒、水杯、水壶(如图1所示)等都可以通过冲压工艺加工制造。

图1 钛合金水壶的照片Fig.1 Photo of titanium alloy kettles

2.4 其他领域

除了上述三大领域，钛及钛合金冲压成形件还可被用于其他领域，例如我国某100 mm迫击炮座板是通过TA7钛合金板整体冲压成形而得到的，比钢制的重量减少约10 kg。此外，通过整体冲压成形还可得到钛制头盔，该头盔能够承受700 mm/s的标准碎片的冲击而不被铅弹击穿[27]；心脏起搏器、脑刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器等植入式有源医疗器械的钛制外壳也是冲压而成的[28]，其厚度仅为0.2～0.3 mm。美国圣犹达、美敦力、波士顿科学等公司在此方面走在世界前列，我国处于起步阶段，与美国有较大差距，生产该类有源医疗器械外壳绝大部分依靠引入的国外生产线。

综上所述，关于钛及钛合金冲压成形壳形件的应用，俄罗斯在核潜艇领域处于绝对领先水平，美国在有源医疗器械领域处于领先水平，日本的民用钛及钛合金壳形件产品则比较发达。目前，我国已可以自主研发、生产中低档钛及钛合金冲压成形壳形件产品，但尚无高端产品的生产能力，仍需进口。

3 展 望

(1)国内外对于钛及钛合金壳形件冲压成形的研究相对较少，主要是受到成本方面的制约，可通过有限元模拟来降低相关费用。目前的模拟软件虽然已经很完善，模拟精度也很高，但仍有需要进一步改进的地方，如钛合金材料数据库的构建与完善、冲压过程中模拟条件设置的改进和通过二次开发提出新的有限元模型。

(2)目前关于α和α+β系列钛合金壳形件冲压成形的研究比较多，但是β系列钛合金壳形件冲压成形的研究非常少。随着冲压技术的不断发展，β系列钛合金壳形件的冲压成形也将得到广泛关注。此外，研究适用于不同牌号钛合金冲压成形的新型润滑剂也势在必行。

(3)无论是在军事领域还是在民用领域，钛及钛合金冲压成形壳形件的应用是相当广泛的，但是，目前应用最多的还是通过铸造或锻造成形的壳形件，冲压成形壳形件的应用相对较少。随着对钛及钛合金材料性能的深入了解、加工设备的不断更新换代以及加工工艺的改进，冲压成形壳形件的应用前景将会更加广阔。

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Influencing Factors of Titanium and Titanium Alloys Shell’s Stamp Forming and Its Application Status

Shi Jin1，2，Wen Binbin1，Yu Zhentao1，2， Cui Yajun1，3，Zhang Yongtao1，2，Wang Lan1，3

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016,China) (2.Northeastern University, Shenyang 110819，China) (3.Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055，China)

Titanium and titanium alloys have excellent mechanical properties，known as the “third metal”，the related products are widely used in aerospace，navigation，medical，metallurgy and other fields. But the stamp forming products are relatively few because it is difficult to stamp forming，so the related technologies need to be developed and improved. Therefore，the influencing factors on the stamp forming of titanium and titanium alloys sheets were systematically expounded，mainly included the mechanical properties of the sheets，forming die，stamping parameters，lubricant and so on.Then the application status of titanium and titanium alloys shells processed by stamp forming were introduced, including aerospace，navigation and daily life. Finally, the research and application of stamp forming technologies of titanium and titanium alloys were prospected.

titanium and titanium alloys；stamp forming；shell；application

2016-04-12

陕西省社会发展科技攻关项目(2016SF-237)；陕西省工业科技攻关项目(2015GY152)；西安市未央区科技计划项目(201414)；西部材料创新基金项目(XBCL-3-14)

于振涛(1964—)，男，教授级高工。

TG113.26+2

A

1009-9964(2016)05-0001-05