發布日期：2026-4-13 20:30:58
當前，以鈦合金為代表的輕質高強材料、空腔薄壁整體結構不僅能滿足航空航天領域對于超高/低溫、大載荷、超/失重等交變、極端苛刻飛行任務考核需求，更能顯著提升產品整體性能，從而在航空航天產品中得到廣泛應用。高強薄壁鈦管同時具備了輕質高強材料、空腔薄壁整體結構的雙重特點，在航空航天管路系統設計制造領域得到高度關注。而鈦管屬于難加工材料，需要加熱才能彎曲成形，導致其在彎曲過程中存在熱變形行為復雜和成形缺陷難控的問題，給高強薄壁鈦管產品加工帶來了全新的挑戰。
近十年來，國內外高校、研究院所、企業先后開展了薄壁鈦合金材料加熱彎曲基礎工藝研究。沈陽航空航天大學開展了TC4(Ti-6Al-4V)薄壁鈦板激光/超聲輔助V型彎曲工藝研究[1];西北工業大學圍繞TC4薄壁鈦管開展了加熱繞彎成形性[2]和有限元建模[3]等研究;南京工業大學開展了TA16(Ti-2Al-2.5Zr)鈦管彎曲成形質量影響研究[4];南京航空航天大學、浙江金馬遜智能制造有限公司等單位和國外學者圍繞TA18(Ti-3Al-2.5V)高強鈦管開展了與加熱繞彎相關的回彈建模與控制[5-7]、工藝參數優化[8]、扁化控制[9]、成形極限[10]和實驗驗證[11]等研究;南昌航空大學開展了TA18鈦管差溫推彎成形工藝研究[12];中國船舶重工集團公司第七二五研究所、鄭州大學圍繞TA24(Ti75)鈦管開展了中頻感應加熱彎曲工藝研究[13]、高溫彎曲正交有限元模擬[14];上海工程技術大學開展了鈦管差溫推彎成形模具參數化設計[15]。通過這些工藝研究，探明了不同鈦管加熱彎曲的熱變形機理，獲得了加熱彎曲工藝參數，解決了彎曲回彈嚴重、成形缺陷難以控制的問題。但這些研究重點聚焦鈦管加熱彎曲工藝，對熱彎模具結構、加熱系統、隔熱結構和冷卻系統研究較少。
本文分析了薄壁鈦管高溫繞彎工藝特點，開展了薄壁鈦管高溫繞彎模具的加熱系統、隔熱結構和冷卻系統設計以及模具材料選用，并以TC4薄壁鈦管為典型材料完成了數值模擬與實驗驗證，推進了薄壁鈦管高溫繞彎成形技術的過程化應用。
1、薄壁鈦管高溫繞彎工藝分析
1.1薄壁鈦管高溫繞彎基本原理
鈦管高溫繞彎是一個溫度場-力場-運動場的多場協同耦合過程。首先，通過加熱系統將鈦管及模具工作區加熱至特定高溫，以顯著降低鈦合金的位錯滑移阻力，使動態再結晶效應被激活，從而提升材料的伸長率，增強塑性變形能力。隨后，通過數控系統的伺服電機精準控制送進機構的運動參數，使鈦管沿模具曲面發生連續、可控的彎曲變形，從而獲得高精度彎管件。因此，鈦管高溫繞彎包含加熱階段和熱彎階段，需要使用的模具包含熱彎模、夾模、熱壓模、防皺模、芯棒，其中熱彎模由夾塊和彎塊組成，見圖1。圖1中，D為鈦管外徑，R為彎曲半徑，ω為彎曲角速度，V為彎曲線速度，O為彎曲中心。
1.2薄壁鈦管高溫繞彎工藝過程
在加熱階段，首先將薄壁管材套入芯棒使芯棒緊密支撐管材內壁，隨后夾模夾緊管材端頭，熱壓模從嗝娼秈懿模緩笸ü縟裙芏勻韌淠！⑷妊鼓：頭樂迥＜尤齲ü卻脊懿鬧鸞ケ患尤齲鋇焦懿牡醬锍尚撾露仁苯肴韌浣錐巍Ｔ諶韌浣錐危韌淠０匆歡ǖ慕撬俁葁帶動夾模、管材端頭圍繞彎曲中心(O點)旋轉，使管材成形出彎曲半徑為R的導管。熱彎期間，熱壓模從彎曲外側支撐管材以速度V=wR做直線移動，防止在外側出現鼓包;防皺模固定不動,從彎曲內側支撐管材防止內側起皺;芯棒固定不動,從管材內壁支撐管材防止出現界面畸變。
1.3薄壁鈦管高溫繞彎模具的設計要求
模具是薄壁鈦管高溫繞彎的核心載體，直接決定了鈦管的成形精度和表面質量。結合鈦管高溫繞彎工藝過程和鈦合金材料的成形特性，歸納出薄壁鈦管高溫繞彎模具的設計要求。
(1)高承載防護性能。模具應具備800℃高溫耐磨性與抗熱疲勞性，能夠抵御繞彎時的機械載荷與摩擦，同時能避免局部壓力過大導致的管壁壓痕或塌陷。
(2)高精度控溫能力。加熱系統能夠控制模具溫度在管材圓周均勻性誤差小于±15℃，避免薄壁鈦管因局部溫差產生變形、開裂或晶粒粗大。
(3)高效隔熱性能。模具與彎管機工作臺應具有隔熱層，阻斷熱量向彎管機傳遞，在保護彎管機精度的同時降低環境高溫風險。
(4)快速冷卻能力。模具具備快速冷卻能力，避免模具因持續高溫產生裂紋。
(5)適配薄壁管特性。模具在結構、精度和間隙等方面應與鈦管的空腔薄壁精準匹配，解決薄壁鈦管成形面臨的彎曲回彈嚴重、成形缺陷難控的問題。
2、薄壁鈦管高溫繞彎模具設計
2.1模具加熱系統設計
2.1.1模具加熱部位確定
模具加熱系統的核心目標是實現薄壁鈦管彎曲區域溫度的均勻性與穩定性控制，目前應用最成熟、最廣泛的是內置式電熱管加熱方式，其具有溫度響應速度快、控溫精度高等優勢。
為保證熱能利用最大化，模具加熱位置應緊貼管材彎曲區域。緊貼管材內壁的模具為芯棒，但芯棒細長，無法安裝電熱管。緊貼管材外壁的模具有熱彎模、熱壓模、防皺模和夾模，其中熱彎模夾塊與夾模需要維持鈦管彎曲過程的夾持強度，不能安裝電阻絲發熱管，因此，可安裝電熱管的模具只有熱彎模彎塊、熱壓模和防皺模。
2.1.2電熱管選型
結合薄壁鈦管彎曲模具結構狹小和800℃工作溫度要求，選用不銹鋼材質的單端出線且直徑為8mm的電熱管，耐溫溫度大于1000℃，根據模具體積按5~8W.cm-3計算電熱管功率。為方便采購，統一選用額定功率為500W的電熱管。
2.1.3加熱孔布局
安裝電熱管的加熱孔按“緊靠管材、均勻加熱”原則在模具上布局。熱彎模彎塊上布局加熱孔的角度范圍應不低于鈦管彎曲角度,一般按30°間隔在90°扇形區域內布置。熱壓模和防皺模全長布局加熱孔，相鄰加熱孔的中心距約為40mm，兩端加熱孔應靠近模具端面，避免出現溫度梯度差。加熱孔直徑比電熱管外徑大0.1~0.2mm。典型加熱孔布局見圖2。
2.1.4溫度控制系統選型
溫度控制系統選用“加熱-測溫-反饋”閉環控制的溫度控制儀，可實現模具加溫、測溫和恒溫自動控制。分別在熱彎模彎塊、防皺模、熱壓模上相鄰兩加熱孔的中間位置開出直徑5mm的測溫孔(圖2)，并安裝測溫范圍0~1000℃的熱電偶，實時采集模具的溫度信號;將熱電偶信號傳輸至溫控儀，與設定溫度進行對比后，通過調節電熱管的供電電壓實現加熱功率的動態反饋控制，確保薄壁鈦管彎曲過程中溫度均勻性誤差小于±15℃。
2.2模具隔熱結構設計
2.2.1模具熱隔熱部位確定
隔熱結構的核心功能是阻斷模具熱量向彎管機傳遞，以保護彎管機的精度，減少熱量散失，降低加熱系統的能耗。薄壁鈦管彎曲過程中模具與彎管機之間的熱傳遞途徑主要是傳導與輻射，其中熱彎模、夾模、熱壓模和防皺模與彎管機直接接觸，主要熱傳遞途徑是熱傳導;而與彎管機輔助部件間接接觸，主要熱傳遞途徑是熱輻射。根據熱傳遞路徑，模具隔熱結構設計主要包括模具與彎管機工作臺隔熱設計、彎管機輔助部件防熱處理。
2.2.2模具與彎管機工作臺隔熱設計
目前,高溫模具與彎管機工作臺通常采用耐高溫陶瓷纖維作為隔熱板,但陶瓷纖維板如果太厚會影響模具安裝精度，如果太薄則隔熱效果無法滿足要求。為同時滿足薄壁鈦管高溫繞彎模具的加熱溫度、安裝精度和可加工性能要求，在模具與彎管機工作臺的隔熱板選用厚度為25mm的氧化鋁陶瓷，在隔熱板上制出連接孔或連接槽，通過高溫合金螺栓將模具、隔熱板與彎管機緊固連接;也可在隔熱板上制出方形槽，以減少隔熱板與模具的接觸面積，提升隔熱效果。典型隔熱板結構見圖3。
2.2.3彎管機輔助部件防熱處理
雖然彎管機其他輔助部件不與鈦管高溫繞彎模具直接接觸，但長期處于高溫環境中易出現部件老化，且存在燙傷操作人員的風險，需進行局部隔熱處理。采用硅酸鋁纖維氈，裁剪成與部件匹配的形狀后，包裹在彎管機輔助部件表面，既能減少熱量散失，又能起到熱防護作用。
2.3模具冷卻系統設計
2.3.1模具冷卻方式選擇
冷卻系統主要用于快速降低模具溫度，以方便取出鈦管，縮短加工周期，同時精準控制模具溫度，防止溫度超出使用極限。采用目前應用最廣泛的內置式流道水冷方式，具有冷卻效率高、控溫精準等優勢。
2.3.2冷卻流道設計
熱彎模彎塊的冷卻流道設計在模具中部，緊靠電熱管并呈90°扇形布局;夾模、熱壓模、防皺模的冷卻流道緊靠電熱管并呈直線布局。所有冷卻流道空間布局應與加熱孔、測溫孔協調一致，避免相互干涉，以確保快速冷卻。在冷卻流道兩端開出直徑10mm的冷卻孔，作為進水與出水使用。冷卻流道的進出口采用焊接密封，焊接后進行水壓試驗，防止高溫下冷卻水泄漏導致模具開裂。典型冷卻流道布局見圖2。
2.3.3水溫控制系統選型
為避免自來水結垢堵塞冷卻流道,冷卻介質選用工業純凈水。水溫控制系統選用溫控水箱自動調節水溫，通過電磁流量計控制水流量。在溫控水箱出水口位置設置溫度傳感器，實時監測出水溫度，當出水溫度超過50℃時，溫控水箱自動啟動制冷裝置，確保冷卻水溫度穩定。
薄壁鈦管高溫繞彎過程中，冷卻系統處于“低速循環”狀態，僅維持模具溫度穩定;繞彎完成后，冷卻系統切換至“高速冷卻”狀態，通過調節流量與水溫，使模具快速降溫。
2.4模具材料選用
薄壁鈦管高溫繞彎模具的材料直接決定其在高溫工況下的承載能力與使用壽命，需滿足高溫強度、熱穩定性、耐磨性和導熱性四大核心要求，結合模具各部件的功能差異擇優選用。
鈦管高溫繞彎時，主受力模具(熱彎模、夾模)直接與高溫鈦管接觸，承受較大的機械載荷與摩擦作用，選用高溫性能優異的W6Mo5Cr4V2 高速鋼，其在800℃時的硬度可達50HRC以上，且具有良好的熱疲勞抗力;次受力模具(熱壓模、防皺模、芯棒)主要是支撐管材防止畸變和起皺，如強度太高會影響熱彎模運動，如強度太低則無法達到支撐效果，因此，選擇比 W6Mo5Cr4V2高速鋼強度略低的H13熱作模具鋼。模具與彎管機連接的隔熱板選用純度為85%的Al2O3氧化鋁陶瓷，其在800℃時具有足夠的強度和隔熱性能。
3、薄壁鈦管高溫繞彎模具數值模擬
以外徑D=Φ60mm、壁厚δ=1mm、兩端直線段長度為120mm、中間彎曲段半徑R=120mm、彎曲角為40°的TC4薄壁鈦管為典型代表進行高溫繞彎模具數值模擬，驗證模具的溫度分布能否滿足鈦管高溫繞彎的工藝要求。
3.1數值模型構建
3.1.1幾何模型構建
按薄壁鈦管高溫繞彎模具設計結果構建全尺寸幾何模型，包括熱彎模、夾模、熱壓模、防皺模、芯棒、隔熱板和鈦管。完整的薄壁鈦管高溫繞彎模具幾何模型見圖4。
3.1.2網格劃分
采用“分區劃分”方式進行不同類型、大小的網格劃分。為平衡計算精度與計算效率，對模型進行合理簡化:保留模具總體結構、加熱孔道等關鍵特征,忽略連接孔、倒角等非關鍵細節。鈦管彎曲段選用三節點三角形殼單元,網格尺寸為2~5mm;鈦管直線段選用四節點四邊形殼單元,網格尺寸為8~12mm。所有模具的工作型面、加熱孔等關鍵區域均采用六面體結構化網格，網格尺寸為2~5mm。所有模具的非工作型面、隔熱板均采用四面體非結構化網格，網格尺寸為10~15mm。
3.1.3材料屬性設置
薄壁鈦管高溫繞彎模具數值模擬需設置W6Mo5Cr4V2鋼、H13鋼、Al2O3 氧化鋁陶瓷和TC4鈦管4種模具材料的高溫力學和物理性能參數，參考值見表1。其中TC4鈦管在高溫700~900℃的應力-應變曲線可參考國內高校實測數據[16-17]。
表1 4種模具材料的高溫力學和物理性能數據參考值
Table 1 Reference values for high-temperature mechanical and physical property data of four materials
| 性能參數 | W6Mo5Cr4V2鋼 | H13鋼 | 85%Al2O3 氧化鋁陶瓷 | TC4鈦管 |
| 抗拉強度/MPa | 400~500 | 350~450 | 一 | 200~250 |
| 屈服強度/MPa | 350~450 | 300~400 | 150~200 | |
| 伸長率/% | 10~20 | 15~25 | <0.1 | 30~50 |
| 彈性模量/GPa | 170~190 | 160~180 | 280~350 | 60~70 |
| 熱導率/(W. (m.K)-1) | 28~32 | 35~40 | 13.8~16.7 | 15~18 |
| 比熱容/(J. (kg.K)-1) | 600~700 | 750~850 | 800~900 | 900~1000 |
| 泊松比 | 0.31~0.34 | 0.32~0.35 | 0.22~0.24 | 0.35~0.38 |
3.1.4邊界條件設置
溫度邊界條件:冷卻流道進水按溫控水箱最高溫度50℃設置,出口為自由流出;環境溫度為25℃,對流換熱系數為10W.(m2.K)-1;加熱孔按“內熱源”處理，功率密度按電熱管最大值8W.cm-3設置。
力學邊界條件:約束彎曲模Z軸方向位移，用旋轉位移加載方式施加角速度w=0.05 rad.s-1;夾模施加10~15MPa的夾緊力;約束熱壓模Y、Z軸方向位移，X軸方向施加線速度V=wR=6mm.s-1;同時約束防皺模、芯棒的X、Y、Z軸方向位移。
接觸邊界條件:熱彎模、熱壓模、防皺模與鈦管之間的接觸類型為“熱-力耦合接觸”，摩擦因數為0.1;夾模、芯棒與鈦管的接觸類型為“有限滑動”;所有模具與隔熱板的接觸類型均為“無滑動接觸”。
3.2數值模擬結果分析
薄壁鈦管高溫繞彎模具數值模擬后，得到模具溫度場分布云圖見圖5(未顯示隔熱板)。通過圖5可以看出:熱壓模與防皺模的電熱管的功率密度對模具溫度影響最大;熱彎模、熱壓模與防皺模三者之間區域的溫度為792~890℃，溫度差異過大，尤其是熱彎模彎曲切點溫度最低，為792℃，需加大熱彎模該位置加熱管的額定功率，增大熱能輸入能力，提升該區域的溫度;防防皺模上第1個加熱孔的周邊溫度偏高，達到890℃，可適當減少加熱管熱能輸入。
通過反復優化，當熱彎模彎曲切點附近2個加熱孔功率密度為8.5W.cm-3、防皺模上第1個加熱孔功率密度為7.7W.cm-3，其余加熱孔功率密度為7.9W.cm-3時，模具溫度場分布云圖見圖6。由圖6可知，熱彎模、熱壓模與防皺模三者之間區域的溫度為804~865℃,溫度差異明顯減小,且滿足了鈦管成形溫度800℃的要求。
從優化后的數值模擬結果中提取出鈦管彎曲段管壁圓周0°、45°、90°和135°的溫度數據形成溫度曲線，見圖7。可以看出:鈦管彎曲段溫度與模具溫度分布趨勢一致,說明模具能夠將熱能傳遞到管材;彎曲段管壁圓周內溫度差異性最大的區域為彎曲切點位置，最大溫差為13℃，滿足了薄壁鈦管高溫繞彎溫度差異性在±15℃的要求。
鈦管高溫繞彎時，鈦管彎曲段管壁圓周都被模具夾持，無法直接測量管壁溫度，只能間接測量模具溫度，從數值模擬結果中提取10個熱電偶(M1~M10)安裝位置的溫度數據，為鈦管高溫繞彎模具實驗測試提供理論數據。熱電偶(M1~M10)分布位置見圖6，其中熱彎模上安裝1個熱電偶、熱壓模上安裝6個熱電偶、防皺模上安裝3個熱電偶。
4、薄壁鈦管高溫繞彎模具實驗測試
4.1實驗過程
實驗的目的是驗證模具的實際性能是否滿足薄壁鈦管高溫繞彎模具的設計要求,TC4鈦管在實驗過程中作為性能驗證的載體,非主體考核對象。實驗主要過程如下。
(1)實驗臺安裝:按設計圖樣加工出所有的模具，并使用螺栓固定在彎管機工作臺上;將溫度控制儀的電熱管、熱電偶安裝在模具上;將溫控水箱的水管連接在模具的冷卻孔上;將鈦管套在芯棒上。
典型鈦管高溫繞彎模具安裝情況見圖8。
(2)實驗前檢查:檢查熱電偶應在校準有效期內;檢查彎管機、溫度控制儀、溫控水箱連接應可靠;檢查模具、鈦管安裝的位置和精度應滿足要求;檢查溫度控制儀的加溫、測溫、恒溫功能應正常。
(3)參數設置:在彎管機上設置彎曲角度為40°、彎曲速度為0.05 rad.s^{-1}、夾模壓力為10~15 MPa、熱壓模速度為6mm.s-1;在溫度控制儀上設置加熱溫度為800℃;在溫控水箱上設置水溫溫度為50℃。
(4)手動加熱溫度測試:將溫度控制儀所有電熱管處于手動控制模式，啟動加熱系統加熱模具，30min后，記錄模具上各熱電偶(M1~M10)的實測溫度。
(5)自動加熱溫度測試:將溫度控制儀所有電熱管處于自動控制模式，啟動加熱系統加熱模具，30min后，記錄模具上各熱電偶(M1~M10)的實測溫度。
(6)高溫繞彎成形:當模具溫度滿足要求后，啟動彎管機，夾模夾緊鈦管，彎曲臂帶動鈦管繞彎，熱壓模與鈦管同步前進，防皺模、芯棒實時支持鈦管防止畸變和起皺。
(7)冷卻與取件:繞彎完成后，冷卻系統切換至高速模式，模具溫度下降后，打開夾模取出鈦管樣件，進行后續檢測。
4.2實驗結果分析
4.2.1模具實測溫度分析
溫度控制儀在手動加熱、自動加熱情況下的鈦管高溫繞彎模具熱電偶(M1~M10)實測溫度曲線見圖9。通過圖9可以看出:
(1)手動加熱情況下,熱電偶的實測溫度與數值模擬溫度的最大偏差未超過9℃,說明數值模擬結果與手動加熱結果是基本吻合的;
(2)自動加熱情況下，除熱電偶(M10)外，其余熱電偶(M1~M9)的實測溫度在801~814℃之間，滿足薄壁鈦管高溫繞彎溫度要求(800℃)，說明溫度控制儀的自動恒溫作用明顯，能精確動態調控模具的實際溫度;
(3)無論在手動加熱情況，還是在自動加熱情況下，熱電偶(M10)的溫度都偏低，最低為788℃，但該位置已超出鈦管彎曲段范圍，不影響鈦管彎曲成形，可忽略溫度差異。
4.2.2鈦管樣件質量評估
彎曲后的TC4薄壁鈦管樣件見圖10。通過檢查發現:(1)鈦管加熱區表面發黑明顯，說明鈦管已達高溫氧化溫度，需要在鈦管上增加高溫防氧化涂層;(2)鈦管彎曲段內側起皺明顯，說明防皺模結構尺寸或安裝位置異常，沒有達到防止起皺的目的，還需要進行防皺模結構尺寸優化以及鈦管繞彎成形工藝改進。
5、結論
(1)薄壁鈦管高溫繞彎的核心是通過溫度場與力場的協同控制提升鈦合金塑性，高溫繞彎模具需同時實現精準加熱、高效隔熱、快速冷卻與高溫承載這四大功能。
(2)模具加熱系統采用內置式電熱管加熱，配置“加熱-測溫-反饋”閉環控制功能的溫度控制儀，可實現模具精準加溫、測溫和恒溫;在模具與彎管機工作臺之間設置氧化鋁陶瓷隔熱板，能實現模具與彎管機的高效隔熱;冷卻系統采用內置式流道水冷方式，配置自動溫控水箱，能快速降低模具溫度;高溫主受力模具材料選用高速鋼、高溫次受力模具材料選用熱作模具鋼，以滿足鈦管高溫工況下的高溫承載需求。
(3)有限元數值模擬可有效預測模具溫度分布狀態，驗證模具溫度能否滿足鈦管成形要求，大幅減少物理實驗的迭代次數。通過測試表明，模具溫度分布滿足薄壁鈦管高溫繞彎工藝要求，鈦管彎曲段管壁圓周的溫度均勻性控制在要求范圍內。
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（注，原文標題：薄壁鈦管高溫繞彎模具研制與測試_李光俊）