一种飞机钛合金框梁类零件制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种飞机钛合金框梁类零件制造方法，包括：对初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的弯曲钛合金型材；将焊接块以一定频率在弯曲钛合金型材上的预焊接部位做曲线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将焊接块焊接在弯曲钛合金型材的腹板或/及底板上；铣切弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边，并根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合尺寸要求的钛合金零件。在零件加工时，电热拉弯和往复摩擦焊接的步骤可以调换顺序，这种方法也可实现钛合金框梁类零件的制造。通过本发明的飞机钛合金框梁类零件制造方法提高了材料利用率，减低工艺成本同时提高了加工效率。
【专利说明】一种飞机钛合金框梁类零件制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属成形领域，主要涉及一种飞机钛合金框梁类零件制造方法。
【背景技术】
[0002]近现代飞机机体仍以半硬壳式结构为主，主要由曲面外形的飞机蒙皮(薄蒙皮、变厚度蒙皮、带筋整体壁板等)、纵横骨架(长桁和隔框等)组成。而隔框类零件是飞机骨架结构的重要形式，其特征为外形具有曲率特征要求并且局部具有肋、筋等特征结构。这些承力框架构件，其成形质量直接关系到飞机的装配精度、整机气动外形、使用寿命，成为影响飞机研制及保证飞机整体服役性能的技术关键，也是影响飞机制造周期、成本和效益的主要因素之一。
[0003]近年来，碳纤维增强复材(CarbonFiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)机身成为先进民用飞机机身结构主要方案之一，如波音787和空客A350XWB采用全复合材料机身。由于钛合金材料与复合材料具有良好的电势相容性及钛合金材料本身优异的耐冲击性，钛合金框梁类零件在民机中的应用日益广泛。钛合金框梁类零件成为复材机身承力构件的主要结构，用于机身承力框梁长桁、中央翼盒、主起落架齿轮机构支架、以及舱门框。
[0004]钛合金框类零件的传统加工制造方法为钛合金锻造制坯，然后采用数控机械加工方法获得局部肋、筋等特征结构。钛合金锻件需要依据零件外形单独进行设计及制造，一般不像钛合金板材、型材、管材等在市场上供应。钛合金锻造或模锻需要大型专用设备，大型毛坯锻造或小型模锻件需要几千吨压力液压机，而大型模锻件则需要几万吨的超大型液压机。钛合金锻造需要经历严格的热工艺流程以保证综合力学性能。为保证终零件尺寸精度，往往锻件预留大幅余量，机械加工后导致材料浪费严重。
[0005]综上所述，现有的钛合金零件制造中，至少存在以下问题:
[0006]1、由于锻造后的坯料预留大量余量，材料机械加工去除量大，材料利用率低；
[0007]2、需要锻造与机械加工两大主流程工艺，制造周期长；
[0008]3、锻造工艺能够获得良好的机械性能，但机械加工过程中人为的破坏了锻造工艺形成的织构及流线，进而降低构件服役性能。
【发明内容】
[0009]针对现有技术中钛合金框梁类零件成本高且工艺周期长等问题，本发明提出将钛合金型材电热拉弯成形与线性摩擦焊技术结合的一体化制造技术制造钛合金框梁类零件。本发明是一种创新性的近净成形技术(近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术)，两者结合能够解决飞机框梁类零件采用锻造机加工艺材料利用率低等问题。
[0010]为达到上述目的，本发明提出了一种飞机钛合金框梁类零件制造方法，包括:步骤1，对初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的弯曲钛合金型材；步骤2，将焊接块以一定频率在所述弯曲钛合金型材上的预焊接部位做曲线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将所述焊接块焊接在弯曲钛合金型材的腹板或/及底板上；步骤3，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边，并根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合所述尺寸要求的钛合金零件。
[0011]为达到上述目的，本发明提出了一种飞机钛合金框梁类零件制造方法，包括:步骤I’，将焊接块以一定频率在初始钛合金型材上的预焊接部位做直线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将所述焊接块焊接在初始钛合金型材的腹板或/及底板上；步骤2’，铣切所述初始钛合金型材与焊接块的焊接飞边；步骤3’，对焊接了所述焊接块的初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的焊接了焊接块的弯曲钛合金型材；步骤4’，根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合所述尺寸要求的钛合金零件。
[0012]通过本发明的本发明的飞机钛合金框梁类零件制造方法提高了材料利用率，减低工艺成本同时提高了加工效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中:
[0014]图1为本发明一实施例的飞机钛合金框梁类零件制造方法流程图。
[0015]图2为图1中步骤I的具体方法流程图。
[0016]图3为本发明另一实施例的飞机钛合金框梁类零件制造方法流程图。
[0017]图4为图3中步骤3’的具体方法流程图。
[0018]图5A至图为本发明一具体实施例的L形钛合金零件制造的流程示意图。
[0019]图6A至图6E为本发明一具体实施例的U形钛合金零件制造的流程示意图。
[0020]图7为本发明一具体实施例的线性摩擦焊的部分结构示意图。
[0021]图8A为本发明一具体实施例对L形钛合金型材施加顶锻力的示意图。
[0022]图8B为本发明一具体实施例对U形钛合金型材施加顶锻力的示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下配合图式及本发明的实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
[0024]图1为本发明一实施例的钛合金框梁类零件制造方法流程图。如图1所示，该方法包括:
[0025]步骤I，对初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的弯曲钛合金型材；
[0026]步骤2，将焊接块以一定频率在弯曲钛合金型材上的预焊接部位做曲线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将焊接块焊接在弯曲钛合金型材的腹板或/及底板上；
[0027]步骤3，铣切弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边，并根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合尺寸要求的钛合金零件。
[0028]在本实施例中，如图2所示，为图1中步骤I的详细步骤流程，包括:
[0029]步骤11，利用数控拉弯机的夹钳夹住初始钛合金型材的两端，设定工作电流，对初始钛合金型材加热；
[0030]步骤12，当温度达到要求后，根据钛合金零件的曲率半径要求，利用数控拉弯机的夹钳对初始钛合金型材进行拉弯，获得达到曲率半径要求的弯曲钛合金型材。
[0031]在本实施例中，步骤2包括:利用线性摩擦焊装置，将焊接块以一定频率在弯曲钛合金型材上的预焊接部位做曲线往复摩擦运动,在摩擦运动持续一定时间后,将焊接块焊接在弯曲钛合金型材的腹板或/及底板上。
[0032]在本实施例中，步骤3包括:利用数控机床，铣切弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边，并根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合尺寸要求的钛合金零件。
[0033]本实施例的飞机钛合金框梁类零件制造方法所利用的初始钛合金型材可为U形、V形或L形钛合金型材。
[0034]相对于前述步骤的顺序，本发明还有另一实施例，在步骤顺序上有所不同，但是采用的初始钛合金型材和所获得的钛合金零件是相同的。
[0035]图3为本发明一实施例的飞机钛合金框梁类零件制造方法流程图。如图3所示，该方法包括:
[0036]步骤I’，将焊接块以一定频率在初始钛合金型材上的预焊接部位做直线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将焊接块焊接在初始钛合金型材的腹板或/及底板上；
[0037]步骤2’，铣切初始钛合金型材与焊接块的焊接飞边；
[0038]步骤3’，对焊接了焊接块的初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的焊接了焊接块的弯曲钛合金型材；
[0039]步骤4’，根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合尺寸要求的钛合金零件。
[0040]在本实施例中，步骤I’包括:利用线性摩擦焊装置，将焊接块以一定频率在初始钛合金型材上的预焊接部位做直线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将焊接块焊接在初始钛合金型材的腹板或/及底板上。
[0041]在本实施例中，如图4所示，为图3中步骤3’的具体步骤，包括:
[0042]步骤31’，利用数控拉弯机的夹钳夹住焊接了焊接块的初始钛合金型材的两端，设定工作电流，对焊接了焊接块的初始钛合金型材加热；
[0043]步骤32’，当温度达到要求后，根据钛合金零件的曲率半径要求，利用数控拉弯机的夹钳对焊接了焊接块的初始钛合金型材进行拉弯，获得达到曲率半径要求的焊接了焊接块的弯曲钛合金型材。
[0044]在本实施例中，步骤2’包括:利用数控机床，铣切弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边；
[0045]步骤4’包括:利用数控机床，根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合尺寸要求的钛合金零件。
[0046]本实施例的飞机钛合金框梁类零件制造方法所利用的初始钛合金型材为U形、V形或L形钛合金型材。
[0047]为了对上述飞机钛合金框梁类零件制造方法进行更为清楚的解释，下面结合具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。
[0048]图5A至图为本发明一具体实施例的L形钛合金零件制造的流程示意图。如图5A至图所示，结合图1的制造方法，以制造L形钛合金零件为例:
[0049]首先，结合图5A所示，采用数控拉弯机，通过夹钳2夹住L形钛合金型材I两端。
[0050]设定电流1000?4000A，脉冲宽度I?1000ms，电流通过夹钳2对L形钛合金型材I加热。
[0051]当温度达到650?750°C时，夹钳2对L形钛合金型材I施加0.5?1.5%的预拉量，然后夹钳2将L形钛合金型材I包覆在模具上，接着对L形钛合金型材I进行1.5?0.5%的补拉量(以2%总拉伸量计，补拉量与预拉量对应)。
[0052]此时，弯曲后的L形钛合金型材I达到目标零件曲率半径要求，取下弯曲后的L形钛合金型材I坯料。
[0053]加工焊接块3，与目标肋板尺寸相比预留5?20%余量。(焊接块3经过铣切后得到目标尺寸的肋板。)
[0054]结合图5B所示，采用线性摩擦焊设备，通过夹具夹住焊接块3，在工艺参数(振动频率10?10Hz,摩擦压力I?1atm,顶锻力1.1?Ilatm,摩擦时间10?6Os内，振幅I?3mm)下进行焊接，将焊接块3焊接到弯曲后的L形钛合金型材I的腹板上，所有焊接块3焊接完成后，获得带有焊接块3的L形钛合金型材1，即零件初坯。
[0055]在本步骤中，图5B中示意出了振动方向6及顶锻力5的方向。
[0056]最后，结合图5C及图所示，利用数控机床，通过数控铣刀8去除多余的飞边4，并按照目标零件尺寸铣切焊接块3与弯曲的L形钛合金型材I，铣切后得到目标尺寸的肋板7,并获得目标尺寸的钛合金零件。
[0057]图6A至图6E为本发明一具体实施例的U形钛合金零件制造的流程示意图。如图6A至图6E所示，结合图3的制造方法，以制造U形钛合金零件为例:
[0058]首先，加工钛合金焊接块3，与目标肋板尺寸相比预留5?20%余量。(焊接块3经过铣切后得到目标尺寸的肋板。)
[0059]结合图6A所示，采用线性摩擦焊设备，通过夹具夹住焊接块3，在工艺参数(振动频率10?10Hz,摩擦压力I?1atm,顶锻力1.1?Ilatm,摩擦时间10?6Os内，振幅I?3mm)下进行焊接，将焊接块3焊接到U形钛合金型材9的初始坯料的两侧腹板及底板上，所有焊接块3焊接完成后，获得带有焊接块3的U形钛合金型材9，即零件初坯。
[0060]在本步骤中，图6B中示意出了振动方向6及顶锻力5的方向。
[0061]结合图6B所示，利用数控机床将焊接的焊接块3四周飞边去除，即得到目标尺寸的肋板7。
[0062]结合图6C所示，利用数控拉弯机，通过夹钳2夹住零件初坯的两端。
[0063]设定电流1000?4000A，脉冲宽度I?1000ms，电流通过夹钳2对零件初坯加热。
[0064]当温度达到650?750°C时，夹钳2对零件初坯施加0.5?1.5%的预拉量，然后夹钳2将零件初坯包覆在模具上，接着对零件初坯进行1.5?0.5%的补拉量(以2%总拉伸量计，补拉量与预拉量对应)。
[0065]此时零件初坯达到目标零件曲率半径要求，将其取下。
[0066]结合图6D及图6E所示，利用数控机床，通过数控铣刀8去除零件初坯多余的飞边4，并按照目标零件尺寸铣切焊接块3与弯曲的U形钛合金型材9，获得目标尺寸的钛合金零件。
[0067]在本实施例中，图7为线性摩擦焊装置的局部结构示意图；图8A及图SB分别为对L形钛合金型材、U形钛合金型材施加顶锻力的示意图。
[0068]结合图7、图8A、图8B所示，将钛合金型材10安装至线性摩擦焊装置上，同时放入肋板工件11，利用振动工装13将肋板工件11以一定频率在钛合金型材10上的预焊接部位，沿振动方向6做直线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，在顶锻力5的作用下，通过肋板工装12将肋板工件11焊接在钛合金型材10的腹板或/及底板上。
[0069]在本实施例中，钛合金型材10可以为L形钛合金型材1、U形钛合金型材9或者V形钛合金型材。
[0070]本发明中采用的线性摩擦焊(Linear Frict1n Welding, LFW)是通过一定的摩擦压力使夹持工件和目标工件在平面内做线性往复运动而摩擦生热，在力和温度的共同作用下界面处发生原子扩散和再结晶，从而达到固相连接的效果。
[0071]线性摩擦焊接为固相焊接技术，焊缝力学性能与微观组织比熔融焊接形式具有明显优势。另外，型材与肋板通常预留余量，因此厚度比一般板材厚，如果采用熔融焊会涉及焊透性、焊缝均匀性等问题，而线性摩擦焊接是通过面接触摩擦生热进行焊接，相比熔融焊更具备工艺优势性。
[0072]本发明中采用的钛合金型材电热拉弯成形工艺(Titanium Profile Hot StretchForming, TP-HSF)，是利用钛合金导热性能低、电阻系数大的特性，在型材坯料弯曲成形过程中持续通过较大的电流，利用该段型材坯料自身电阻产生的焦耳热进行加热，加热到成形温度拉弯成形的工艺。可广泛应用于对零件要求较高的领域，如飞行器上的框、缘条等结构零件的弯曲成形。
[0073]利用本发明的飞机钛合金框梁类零件制造方法制造出的飞机框类零件，主体大多具有等截面型材特征，只是在构件主体上某些部位出现局部特征结构。
[0074]另外，在实际应用中，与钛合金锻件制造不同，本发明采用的钛合金型材与板材、管材或线材等类似处于市场供应状态，减少了型材成形之前的熔炼制锭、挤压工艺设计及生产等诸多环节，成本大幅下降。型材在挤压过程中承受三向压应力状态，材料本征机械性能优异，与线性摩擦焊接结合，获得主体截面以外的特征尺寸结构，能够保留其原有的流线及织构特征。结合钛合金线性摩擦焊接优异的焊接性能，电热拉弯成形与线性摩擦焊接制造技术能够保证零件的机械性能。此外，与锻造相比在材料利用率上具有显著优势。
[0075]通过本发明的本发明的飞机钛合金框梁类零件制造方法提高了材料利用率，减低工艺成本同时提高了加工效率。
[0076]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，包括: 步骤1，对初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的弯曲钛合金型材；步骤2，将焊接块以一定频率在所述弯曲钛合金型材上的预焊接部位做曲线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将所述焊接块焊接在弯曲钛合金型材的腹板或/及底板上； 步骤3，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边，并根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合所述尺寸要求的钛合金零件。
2.根据权利要求1所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述步骤I包括: 步骤11，利用数控拉弯机的夹钳夹住所述初始钛合金型材的两端，设定工作电流，对所述初始钛合金型材加热； 步骤12，当温度达到要求后，根据钛合金零件的曲率半径要求，利用所述数控拉弯机的夹钳对所述初始钛合金型材进行拉弯，获得达到曲率半径要求的弯曲钛合金型材。
3.根据权利要求1所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述步骤2包括: 利用线性摩擦焊装置，将焊接块以一定频率在所述弯曲钛合金型材上的预焊接部位做曲线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将所述焊接块焊接在弯曲钛合金型材的腹板或/及底板上。
4.根据权利要求1所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述步骤3包括:利用数控机床，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边，并根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合所述尺寸要求的钛合金零件。
5.根据权利要求1所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述初始钛合金型材为U形、V形或L形钛合金型材。
6.一种飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，包括: 步骤I’，将焊接块以一定频率在初始钛合金型材上的预焊接部位做直线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将所述焊接块焊接在初始钛合金型材的腹板或/及底板上； 步骤2’，铣切所述初始钛合金型材与焊接块的焊接飞边； 步骤3’，对焊接了所述焊接块的初始钛合金型材进行电热拉弯，获得达到曲率半径要求的焊接了焊接块的弯曲钛合金型材； 步骤4’，根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合所述尺寸要求的钛合金零件。
7.根据权利要求6所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述步骤I’包括: 利用线性摩擦焊装置，将焊接块以一定频率在初始钛合金型材上的预焊接部位做直线往复摩擦运动，在摩擦运动持续一定时间后，将所述焊接块焊接在初始钛合金型材的腹板或/及底板上。
8.根据权利要求6所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述步骤3’包括: 步骤31’，利用数控拉弯机的夹钳夹住焊接了焊接块的初始钛合金型材的两端，设定工作电流，对所述焊接了焊接块的初始钛合金型材加热； 步骤32’，当温度达到要求后，根据钛合金零件的曲率半径要求，利用所述数控拉弯机的夹钳对所述焊接了焊接块的初始钛合金型材进行拉弯，获得达到曲率半径要求的焊接了焊接块的弯曲钛合金型材。
9.根据权利要求6所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述步骤2’包括:利用数控机床，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块的焊接飞边； 所述步骤4’包括:利用数控机床，根据制造飞机钛合金框梁类零件的尺寸要求，铣切所述弯曲钛合金型材与焊接块，获得符合所述尺寸要求的钛合金零件。
10.根据权利要求6所述的飞机钛合金框梁类零件制造方法，其特征在于，所述初始钛合金型材为U形、V形或L形钛合金型材。
【文档编号】B64F5/00GK104443426SQ201410524921
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】李志强, 刘宝胜, 吴为, 张田仓 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所