一种TB8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形方法

一种tb8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形方法
技术领域
1.本发明属于钛合金精密塑性成形领域，涉及一种金属板冲压成形，具体为可实现首尾两端具有一定扭转角度的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件成形的两步热冲压成形方法。


背景技术：

2.为达到减重目的，涡轮风扇发动机风扇叶片、直升机旋翼桨叶与气垫船风扇桨叶等已由传统金属材料逐渐转向以玻璃纤维、碳纤维和卡夫拉纤维等为增强材料的复合材料。然而在复杂的地理环境与恶劣的气候条件下，复合材料桨叶由于抗冲击性能差，极易在旋转时被扬起的沙尘、碎石及其它异物撞击而产生损伤，一般在桨叶前缘布置一块或若干块金属蒙皮进行桨叶保护，防止桨叶在冲击时出现脱层与损伤。为防止蒙皮脱落，蒙皮外形精度要求极高，需要精确装配于桨叶前缘，再通过胶接或铆接等方式与桨叶连接。目前对桨叶蒙皮成形主要有机械冲压成形和电铸成型两种形式，其中：机械冲压成形适用于主、尾桨叶蒙皮等外形相对简单和规整的薄壁产品；电铸适用于复杂形状蒙皮成型，但对电解液配比要求较高，且电铸成型后续处理工艺繁琐。


技术实现要素：

3.为达到减重目的，本发明方案桨叶前缘蒙皮零件采用钛合金薄板制造。钛合金在室温下塑性低、回弹严重，在高温下成形性能大幅提高且回弹在高温应力松弛效应下可以得到有效抑制，因此钛合金薄板零件通常采用热冲压成形方法。本发明方案的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件外形复杂，沿长度方向各截面形状不同，且首尾两端具有一定扭转角度，存在冲压负角，因此无法通过一步热冲压成形。
4.本发明通过设计的两步热冲压成形方法，实现首尾两端具有一定扭转角度的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件的精确成形。依据tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件模型，进行成形前零件毛坯设计，针对两步热冲压成形过程分别进行冲压方向设计及模具设计，依据毛坯设计及模具设计进行毛坯下料及模具制造，实施前缘蒙皮两步热冲压成形。具体步骤包括：
5.1、毛坯设计:
6.1-1)由薄板制得tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件,零件沿长度方向各个截面成v型，且由一端向另一端逐步扭转过渡；以首尾两端为边界，做多个等距平面，并得这多个平面与零件的相交曲线，分别取首端相交曲线及尾端相交曲线中间过渡圆弧段的角平分线，进一步再取两个角平分线的平分线作为毛坯设计投影方向。
7.1-2)选择与角平分线相垂直的平面作为毛坯展开投影平面，分别取相交曲线的各个中点，投影在该垂直平面上；以各个中点为基准，按长度将各相交曲线在垂直平面上展开为相应直线段，分别连接两侧直线线段端点，获得毛坯两侧边缘曲线。两侧边缘曲线与首尾两端投影线段组合则成为无余量毛坯外形轮廓。为防止成形过程中零件偏移造成局部材料不足，最终毛坯外形需向外侧偏移5mm。
8.2.冲压方向设计：在首端相交曲线及尾端相交曲线所在平面采用同一参考坐标
系，分别取得尾端可一步冲压成形方向左极限及右极限、首端可一步冲压成形方向左极限及右极限；在尾端可一步冲压成形方向左极限及右极限之间取第一步冲压成形方向，在首端可一步冲压成形方向左极限及右极限之间取第二步冲压成形方向；找出沿第一步冲压成形方向可成形零件区间两端平面，找出沿第二步冲压成形方向可成形零件区间两端平面；两步冲压成形方向需要满足两步成形区间有交叠区段，且第一步冲压成形区段首端侧极限平面位于首端划分平面外侧，第二步冲压成形区段尾端侧极限平面位于尾端划分平面外侧。
9.3.模具设计：
10.3-1)将零件模型分别相首尾两端外侧自由延伸20mm后，按照第一步冲压成形方向进行第一步热冲压成形模具设计，找出第一步热冲压成形模具冲压负角段两侧极限平面，进行模型修整使模具成形面无冲压负角，凸凹模间隙取1.1倍板料厚度，模具材料选择2520不锈钢，模具采用缩放系数0.994，完成第一步热冲压成形模具凸模及凹模设计；
11.3-2)将零件模型分别相首尾两端外侧自由延伸20mm后，按照第二步冲压成形方向进行第二步热冲压成形模具设计，找出第二步热冲压成形模具冲压负角段两侧极限平面，凸凹模间隙取1.1倍板料厚度，模具材料选择2520不锈钢，模具采用缩放系数0.994，修整第二步热冲压成形模具凹模使模具成形面无冲压负角，完成第二步热冲压成形模具凸模及凹模设计；
12.3-3)最终两副成形模具还需添加添加定位、导向等结构。
13.4.成形过程：
14.4-1)分别依据毛坯设计及模具设计进行毛坯及模具制造；将两步热冲压成形模具安装于热冲压机床内，其中第一步热冲压成形模具凹模在下、凸模在上，第二步热冲压成形模具凸模在下、凹模在上，两幅模具随炉加热至650℃，并进行保温，保温时间不少于1小时；毛坯表面喷涂氮化硼或者石墨水剂，自然风干或者烘干后移入第一步热冲压成形模具凹模上，保温10分钟；进行第一步热冲压，合模后保持12分钟；将第一步热冲压成形模具凸模升起，取出零件，安放在第二步热冲压成形模具凸模上，保温10分钟，进行第二部热冲压，合模后保持12分钟；将第二步热冲压成形模具凹模升起，取出零件，自然冷却，完成tb8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形。
15.4-2)通过后续余量切除、表面清洗后获得最终设计要求的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件。
16.有益效果
17.本发明可以实现首尾两端具有一定扭转角度的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮精确成形，适用于具有类似扭转特征的桨叶前缘蒙皮零件热冲压成形，能够保障成形后桨叶前缘蒙皮与桨叶的精确装配。
附图说明
18.图1为tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件图；
19.图2为零件多截面划分示意图；
20.图3为零件毛坯展开投影方向选择示意图；
21.图4为零件毛坯展开示意图；
22.图5为两步热冲压成形冲压方向选择示意图；
23.图6为两步热冲压成形范围示意图；
24.图7为第一步热冲压成形模具设计示意图；
25.图8为第一步热冲压成形模具设计示意图。
26.图中，1.tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件，2～12为零件多截面划分平面，2为首端划分平面，12为尾端划分平面，3～11为中间段划分平面，13～23为截面2～12与tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件1外表面的相交曲线，13为首端相交曲线，23为尾端相交曲线，14～22为中间段相交曲线，24.首端相交曲线13的中间过渡圆弧段角平分线，25.尾端相交曲线23的中间过渡圆弧段角平分线，26.24及25的角平分线，27.毛坯展开投影平面，28.无余量毛坯外形轮廓，29、尾端可一步冲压成形方向左极限，30、尾端可一步冲压成形方向右极限，31、第一步冲压成形方向，32、首端可一步冲压成形方向左极限，33、首端可一步冲压成形方向右极限，34、第二步冲压成形方向，35、第一步冲压成形区段尾端侧极限平面，36、第二步冲压成形区段首端极限平面，37、第一步冲压成形区段首端侧极限平面，38、第二步冲压成形区段尾端极限平面，39、第一步热冲压成形模具冲压负角修整区段首端极限平面，40、第一步热冲压成形模具冲压负角修整区段尾端极限平面，41、第一步热冲压成形模具凸模，42、第一步热冲压成形模具凹模，43、第二步热冲压成形模具冲压负角修整区段尾端极限平面，44、第二步热冲压成形模具冲压负角修整区段首端极限平面，45、第二步热冲压成形模具凸模，46、第二步热冲压成形模具凹模。x、y、z分别依次表示三个方向的空间轴向坐标。
具体实施方式
27.以下结合附图进一步说明本发明技术方案。一种tb8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形方法，具体如下：
28.1、毛坯设计：tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件由薄板制得，外形如图1所示。零件沿长度方向各个截面类似v形，且由一端向另一端逐步扭转过渡。如图2所示，以首尾两端为边界，作11个等距平面2～12，并取的这11个平面与零件的相交曲线13～23。分别取首端相交曲线13及尾端相交曲线23中间过渡圆弧段的角平分线24及25，进一步取24及25的角平分线26作为毛坯设计投影方向。如图4所示，选择与角平分线26相垂直的平面27作为毛坯展开投影平面。分别取相交曲线13～23的中点，投影在平面27上。以各个中点为基准，按长度将相交曲线13～23在平面27上展开为相应直线段。分别连接两侧直线线段端点，获得毛坯两侧边缘曲线。两侧边缘曲线与首尾两端投影线段组合则成为无余量毛坯外形轮廓28。为防止成形过程中零件偏移造成局部材料不足，最终毛坯外形需向外侧偏移5mm。
29.2、冲压方向设计：在首端相交曲线13及尾端相交曲线23所在平面采用同一参考坐标系，分别取得尾端可一步冲压成形方向左极限29及右极限30、首端可一步冲压成形方向左极限32及右极限33；在尾端可一步冲压成形方向左极限29及右极限30之间取第一步冲压成形方向31，在首端可一步冲压成形方向左极限32及右极限33之间取第二步冲压成形方向34；沿第一步冲压成形方向31可成形零件区间在平面35与37之间，沿第二步冲压成形方向34可成形零件区间在平面36与38之间；冲压成形方向31及34需要满足两步成形区间有交叠区段，且第一步冲压成形区段尾端侧极限平面35位于首端划分平面2外侧，第二步冲压成形区段首端极限平面36位于尾端划分平面12外侧。
30.3、模具设计：如图7所示，将零件模型分别相首尾两端外侧自由延伸20mm后，按照第一步冲压成形方向31进行第一步热冲压成形模具设计，其中平面39及40区间为第一步热冲压成形模具冲压负角段，进行模型修整使模具成形面无冲压负角，凸凹模间隙取1.1倍板料厚度，模具材料选择2520不锈钢，模具采用缩放系数0.994，完成第一步热冲压成形模具凸模41及凹模42设计；如图8所示，将零件模型分别相首尾两端外侧自由延伸20mm后，按照第二步冲压成形方向34进行第二步热冲压成形模具设计，其中平面43及44区间为第二步热冲压成形模具冲压负角段，凸凹模间隙取1.1倍板料厚度，修整第二步热冲压成形模具凹模使模具成形面无冲压负角，模具材料选择2520不锈钢，模具采用缩放系数0.994，完成第二步热冲压成形模具凸模45及凹模46设计；最终两副成形模具还需添加添加定位、导向等结构。
31.4、成形过程：分别依据毛坯设计及模具设计进行毛坯及模具制造；将两步热冲压成形模具安装于热冲压机床内，其中第一步热冲压成形模具凹模在下、凸模在上，第二步热冲压成形模具凸模在下、凹模在上，两幅模具随炉加热至650℃，并进行保温，保温时间不少于1小时；毛坯表面喷涂氮化硼或者石墨水剂，自然风干或者烘干后移入第一步热冲压成形模具凹模上，保温10分钟；进行第一步热冲压，合模后保持12分钟；将第一步热冲压成形模具凸模升起，取出零件，安放在第二步热冲压成形模具凸模上，保温10分钟，进行第二部热冲压，合模后保持12分钟；将第二步热冲压成形模具凹模升起，取出零件，自然冷却，完成tb8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形。通过后续余量切除、表面清洗后获得最终设计要求的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件。

技术特征：
1.一种tb8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形方法，其特征在于，包括如下步骤：1)、毛坯设计:1-1)由薄板制得tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件,零件沿长度方向各个截面成v型，且由一端向另一端逐步扭转过渡；以首尾两端为边界，做多个等距平面，并得这多个平面与零件的相交曲线，分别取首端相交曲线及尾端相交曲线中间过渡圆弧段的角平分线，进一步再取两个角平分线的平分线作为毛坯设计投影方向；1-2)选择与角平分线相垂直的平面作为毛坯展开投影平面，分别取相交曲线的各个中点，投影在该垂直平面上；以各个中点为基准，按长度将各相交曲线在垂直平面上展开为相应直线段，分别连接两侧直线线段端点，获得毛坯两侧边缘曲线；两侧边缘曲线与首尾两端投影线段组合则成为无余量毛坯外形轮廓；2)冲压方向设计：在首端相交曲线及尾端相交曲线所在平面采用同一参考坐标系，分别取得尾端一步冲压成形方向左极限及右极限、首端一步冲压成形方向左极限及右极限；在尾端一步冲压成形方向左极限及右极限之间取第一步冲压成形方向，在首端一步冲压成形方向左极限及右极限之间取第二步冲压成形方向；找出沿第一步冲压成形方向可成形零件区间两端平面，找出沿第二步冲压成形方向可成形零件区间两端平面；两步冲压成形方向需要满足两步成形区间有交叠区段，且第一步冲压成形区段首端侧极限平面位于首端划分平面外侧，第二步冲压成形区段尾端侧极限平面位于尾端划分平面外侧；3)、模具设计：3-1)将零件模型分别相首尾两端外侧自由延伸20mm后，按照第一步冲压成形方向进行第一步热冲压成形模具设计，找出第一步热冲压成形模具冲压负角段两侧极限平面，进行模型修整使模具成形面无冲压负角，完成第一步热冲压成形模具凸模及凹模设计；3-2)将零件模型分别相首尾两端外侧自由延伸20mm后，按照第二步冲压成形方向进行第二步热冲压成形模具设计，找出第二步热冲压成形模具冲压负角段两侧极限平面，修整第二步热冲压成形模具凹模使模具成形面无冲压负角，完成第二步热冲压成形模具凸模及凹模设计；3-3)最终两副成形模具还需添加添加定位、导向结构；4)、成形过程：4-1)分别依据毛坯设计及模具设计进行毛坯及模具制造；将两步热冲压成形模具安装于热冲压机床内，其中第一步热冲压成形模具凹模在下、凸模在上，第二步热冲压成形模具凸模在下、凹模在上，随炉加热并进行保温，毛坯表面喷涂氮化硼或者石墨水剂，自然风干或者烘干后移入第一步热冲压成形模具凹模上，保温10分钟；进行第一步热冲压，合模后保持12分钟；将第一步热冲压成形模具凸模升起，取出零件，安放在第二步热冲压成形模具凸模上，保温10分钟，进行第二部热冲压，合模后保持12分钟；将第二步热冲压成形模具凹模升起，取出零件，自然冷却，完成tb8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形；4-2)通过后续余量切除、表面清洗后获得最终设计要求的tb8钛合金桨叶前缘蒙皮零件。2.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，在2)冲压方向设计中，为防止成形过程中零件偏移造成局部材料不足，最终毛坯外形需向外侧偏移5mm。3.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，在3)模具设计3-1)、3-2)中，所述凸模与
凹模间隙取1.1倍板料厚度，模具材料选择2520不锈钢，模具采用缩放系数0.994。4.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述4)成形过程4-1)中，第二步热冲压成形中，凸模与凸模加热至650℃，保温时间不少于1小时。

技术总结
本发明公开了一种TB8钛合金桨叶前缘蒙皮两步热冲压成形方法，依据TB8钛合金桨叶前缘蒙皮零件模型，进行成形前零件毛坯设计，针对两步热冲压成形过程分别进行冲压方向设计及模具设计，依据毛坯设计及模具设计进行毛坯下料及模具制造，实施前缘蒙皮两步热冲压成形，适用于具有类似扭转特征的桨叶前缘蒙皮零件热冲压成形，能够保障成形后桨叶前缘蒙皮与桨叶的精确装配。叶的精确装配。叶的精确装配。


技术研发人员：王宁 彭莉鲜 胡道春
受保护的技术使用者：南京工业职业技术大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/20