大曲率复杂钛合金零件成形的工装设计

◎廉冲

钛合金作为一种飞机结构材料，具有强度高、耐高温、耐腐蚀性和与复合材料相容性好等多个方面的特点。实际使用这种材料，有利于减轻飞机重量、提高飞机安全性和降低综合成本。因此，钛合金逐渐成为了新时期飞机工装设计工作中的常用基础材料之一。

一、工装设计工作的前期准备环节

通常情况下，企业在对飞机工装进行设计工作之前，会拟定科学的设计方案，绘制设计图纸，并对人才进行技术交底工作，目的是确保后续各项工装设计工作的顺利开展。

1.数字化模型设计。

在整个零件成形过程中，需要弯曲模、拉弯模和稳定热处理夹具。弯曲模和拉弯模可以直接按零件三维数模（又称工程数模）来加工。而在热处理时，为了提高工作效率，可以在一个稳定热处理夹具上同时处理多个零件。鉴于飞机部件左右对称的原理及其相似原理，企业经常会采用此种设计方法。稳定热处理夹具的设计依据是工艺数模，所谓工艺数模就是在零件三维数模的基础上，进行二次设计所得到的制造数据集。在工艺数模设计时，首先选择对称面，对称面与零件边缘留有一定距离，即工艺余量。然后把零件边缘延伸至对称面，最后，零件三维数模以对称面为基准做镜像处理。至此，工艺数模设计工作基本完成。企业可以根据相应的立体模型，绘制具体的工装设计平面图纸，为零件加工制作工作的有序开展提供基础支持与保障。

2.工装设计方案。

在实际进行工装设计工作时，企业应当结合以往的工作经验，分析出现阶段的工作优势及不足，合理调整设计方案，优化具体的工作流程。在这个环节中，基于我国已经进入大数据时代，企业应当及时构建网络工作平台，方便对数据信息进行智能的整理和分类。然后还可以借鉴其他飞机制造企业的工装设计经验，共同推动新时期飞机制造及装配工作稳步发展。另外，基于本文主要研究的是大曲率复杂钛合金零件成形的工装设计工作，还需要从钛合金的材料质量及价格方面，选择合适的供货商。

3.技术能力考察。

人才的专业工作能力将直接影响工装设计效果，影响飞机的制造质量及效率。因此，企业在进行工装设计工作时，必须要对人才进行技术培训工作。并重点对人才的工作能力及工作素质进行考察，分析员工的工作优势及不足，及时根据工作需求调整岗位，保证每位员工的个人工作价值都能得到充分的发挥。此外，企业可以面向社会招收高质量、高素质的人才，组建专业的工作团队，全面提高飞机工装制造工作的整体水平。

二、大曲率复杂钛合金零件成形的基本工装设计流程

在前期准备工作完成后，企业应当结合工作实际案例，从基本工装设计流程入手，研究相应的优化方案。

1.工作实例。

在某型机气源分配系统防火罩的加工工作中，防火罩由22个钛合金零件焊接而成。之所以把防火罩分割成如此多的零件，主要考虑到部件的复杂程度，这些零件全部采用热成形加工工艺。经过设计分割后，零件总体加工难度大为降低，但在后期焊接时却遇到了困难，因为把这22个零件焊接在一起，还要保证加工精度并不容易。首先零件定位就很难保证；其次，焊接部位产生的内应力难以完全消除，这会引起零件的形变；引发安全风险问题。最后，由于防火罩的基本制作要求是具有良好的气密性，所以要求焊接时不能产生漏点。从前期整个部件的加工情况看，零件的焊接效果不理想。

为此，只有最大程度的减少焊接次数，才有可能保证零件的加工精度。针对防火罩的结构特点，把多个零件结合成一个整体来进行热成形显然难度较大，而超塑成形可以很好地解决此类问题。

2.塑形工艺环节。

随着数字化技术的快速发展，飞机零件工装加工已逐步由模拟量加工向数字化加工转变，按模线样板加工工装的生产方式逐渐被淘汰，超塑成形是利用钛合金在特定条件下所具有的超塑性来进行超塑加工的方法。而工艺数模是工装设计的难点，它是超塑成形模具设计的前提条件，工艺数模设计完成意味着可以进行模具设计了。设计模具时，一般可以选取工艺数模的外形面，其他按模具设计相关要求进行设计就可以了。

3.热成形工艺。

对焊接难度而言，4个零件热成形难度要大很多，所以可以通过减小零件曲率的方式来降低零件热成形难度。为此，可将防护罩的四个零件重新进行合理的工艺分割，也就是将四个零件在其曲率最大处进行分割，形成八个单独的零件再分别进行加工，这样每个零件的曲率变小了，零件热成形的加工难度降低了，同时，保证了零件的加工精度，为后续零件的准确焊接奠定了基础。针对8个被分割的零件，为了提高生产效率，热成形模具也采取了对称设计，这样的模具在实际生产中应用效果良好。具体在研究这种零件成形工艺时，还需要不断采用钛合金试样进行实验研究，找到最佳的切割点和焊接点。

4.工装设计要点。

防护罩焊接件主要是由4个零件组成，整个部件的材料为钛合金，由于部件呈斜圆锥型，曲率大，所以热成形难度大、回弹严重。为了提高零件加工质量，需要对零件成形工装进行必要的改进。而在飞机大曲率复杂钛合金零件加工过程中，对成形工装进行合理的设计将有助于提高零件加工的质量，也会在一定程度上节约能源。除航空领域外，在其他行业钛合金零件制造中，零件成形工装设计也将越来越影响着零件加工的质量，这也是未来制造业发展的一个重要方面。

结论：在大曲率复杂钛合金零件成形的工装设计环节中，企业需要先应用信息技术进行数字化模型的构建工作，并应当通过数据分析及整理工作，明确新时期工装设计的优势及不足，然后合理优化设计方案。同时，企业需要培养一批高质量的工作人才，以保障工装设计工作的有序运行。这还涉及到对新型设计技术及制造技术的应用，并应当着重于从钛合金零件的质量方面入手，避免给飞机制造工作带来安全隐患。