发布日期：2026-4-13 20:30:58
当前，以钛合金为代表的轻质高强材料、空腔薄壁整体结构不仅能满足航空航天领域对于超高/低温、大载荷、超/失重等交变、极端苛刻飞行任务考核需求，更能显著提升产品整体性能，从而在航空航天产品中得到广泛应用。高强薄壁钛管同时具备了轻质高强材料、空腔薄壁整体结构的双重特点，在航空航天管路系统设计制造领域得到高度关注。而钛管属于难加工材料，需要加热才能弯曲成形，导致其在弯曲过程中存在热变形行为复杂和成形缺陷难控的问题，给高强薄壁钛管产品加工带来了全新的挑战。
近十年来，国内外高校、研究院所、企业先后开展了薄壁钛合金材料加热弯曲基础工艺研究。沈阳航空航天大学开展了TC4(Ti-6Al-4V)薄壁钛板激光/超声辅助V型弯曲工艺研究[1];西北工业大学围绕TC4薄壁钛管开展了加热绕弯成形性[2]和有限元建模[3]等研究;南京工业大学开展了TA16(Ti-2Al-2.5Zr)钛管弯曲成形质量影响研究[4];南京航空航天大学、浙江金马逊智能制造有限公司等单位和国外学者围绕TA18(Ti-3Al-2.5V)高强钛管开展了与加热绕弯相关的回弹建模与控制[5-7]、工艺参数优化[8]、扁化控制[9]、成形极限[10]和实验验证[11]等研究;南昌航空大学开展了TA18钛管差温推弯成形工艺研究[12];中国船舶重工集团公司第七二五研究所、郑州大学围绕TA24(Ti75)钛管开展了中频感应加热弯曲工艺研究[13]、高温弯曲正交有限元模拟[14];上海工程技术大学开展了钛管差温推弯成形模具参数化设计[15]。通过这些工艺研究，探明了不同钛管加热弯曲的热变形机理，获得了加热弯曲工艺参数，解决了弯曲回弹严重、成形缺陷难以控制的问题。但这些研究重点聚焦钛管加热弯曲工艺，对热弯模具结构、加热系统、隔热结构和冷却系统研究较少。
本文分析了薄壁钛管高温绕弯工艺特点，开展了薄壁钛管高温绕弯模具的加热系统、隔热结构和冷却系统设计以及模具材料选用，并以TC4薄壁钛管为典型材料完成了数值模拟与实验验证，推进了薄壁钛管高温绕弯成形技术的过程化应用。
1、薄壁钛管高温绕弯工艺分析
1.1薄壁钛管高温绕弯基本原理
钛管高温绕弯是一个温度场-力场-运动场的多场协同耦合过程。首先，通过加热系统将钛管及模具工作区加热至特定高温，以显著降低钛合金的位错滑移阻力，使动态再结晶效应被激活，从而提升材料的伸长率，增强塑性变形能力。随后，通过数控系统的伺服电机精准控制送进机构的运动参数，使钛管沿模具曲面发生连续、可控的弯曲变形，从而获得高精度弯管件。因此，钛管高温绕弯包含加热阶段和热弯阶段，需要使用的模具包含热弯模、夹模、热压模、防皱模、芯棒，其中热弯模由夹块和弯块组成，见图1。图1中，D为钛管外径，R为弯曲半径，ω为弯曲角速度，V为弯曲线速度，O为弯曲中心。
1.2薄壁钛管高温绕弯工艺过程
在加热阶段，首先将薄壁管材套入芯棒使芯棒紧密支撑管材内壁，随后夹模夹紧管材端头，热压模从嗝娼籼懿模缓笸ü缛裙芏匀韧淠！⑷妊鼓：头乐迥＜尤龋ü却脊懿闹鸾ケ患尤龋钡焦懿牡酱锍尚挝露仁苯肴韧浣锥巍Ｔ谌韧浣锥危韧淠０匆欢ǖ慕撬俣葁带动夹模、管材端头围绕弯曲中心(O点)旋转，使管材成形出弯曲半径为R的导管。热弯期间，热压模从弯曲外侧支撑管材以速度V=wR做直线移动，防止在外侧出现鼓包;防皱模固定不动,从弯曲内侧支撑管材防止内侧起皱;芯棒固定不动,从管材内壁支撑管材防止出现界面畸变。
1.3薄壁钛管高温绕弯模具的设计要求
模具是薄壁钛管高温绕弯的核心载体，直接决定了钛管的成形精度和表面质量。结合钛管高温绕弯工艺过程和钛合金材料的成形特性，归纳出薄壁钛管高温绕弯模具的设计要求。
(1)高承载防护性能。模具应具备800℃高温耐磨性与抗热疲劳性，能够抵御绕弯时的机械载荷与摩擦，同时能避免局部压力过大导致的管壁压痕或塌陷。
(2)高精度控温能力。加热系统能够控制模具温度在管材圆周均匀性误差小于±15℃，避免薄壁钛管因局部温差产生变形、开裂或晶粒粗大。
(3)高效隔热性能。模具与弯管机工作台应具有隔热层，阻断热量向弯管机传递，在保护弯管机精度的同时降低环境高温风险。
(4)快速冷却能力。模具具备快速冷却能力，避免模具因持续高温产生裂纹。
(5)适配薄壁管特性。模具在结构、精度和间隙等方面应与钛管的空腔薄壁精准匹配，解决薄壁钛管成形面临的弯曲回弹严重、成形缺陷难控的问题。
2、薄壁钛管高温绕弯模具设计
2.1模具加热系统设计
2.1.1模具加热部位确定
模具加热系统的核心目标是实现薄壁钛管弯曲区域温度的均匀性与稳定性控制，目前应用最成熟、最广泛的是内置式电热管加热方式，其具有温度响应速度快、控温精度高等优势。
为保证热能利用最大化，模具加热位置应紧贴管材弯曲区域。紧贴管材内壁的模具为芯棒，但芯棒细长，无法安装电热管。紧贴管材外壁的模具有热弯模、热压模、防皱模和夹模，其中热弯模夹块与夹模需要维持钛管弯曲过程的夹持强度，不能安装电阻丝发热管，因此，可安装电热管的模具只有热弯模弯块、热压模和防皱模。
2.1.2电热管选型
结合薄壁钛管弯曲模具结构狭小和800℃工作温度要求，选用不锈钢材质的单端出线且直径为8mm的电热管，耐温温度大于1000℃，根据模具体积按5~8W.cm-3计算电热管功率。为方便采购，统一选用额定功率为500W的电热管。
2.1.3加热孔布局
安装电热管的加热孔按“紧靠管材、均匀加热”原则在模具上布局。热弯模弯块上布局加热孔的角度范围应不低于钛管弯曲角度,一般按30°间隔在90°扇形区域内布置。热压模和防皱模全长布局加热孔，相邻加热孔的中心距约为40mm，两端加热孔应靠近模具端面，避免出现温度梯度差。加热孔直径比电热管外径大0.1~0.2mm。典型加热孔布局见图2。
2.1.4温度控制系统选型
温度控制系统选用“加热-测温-反馈”闭环控制的温度控制仪，可实现模具加温、测温和恒温自动控制。分别在热弯模弯块、防皱模、热压模上相邻两加热孔的中间位置开出直径5mm的测温孔(图2)，并安装测温范围0~1000℃的热电偶，实时采集模具的温度信号;将热电偶信号传输至温控仪，与设定温度进行对比后，通过调节电热管的供电电压实现加热功率的动态反馈控制，确保薄壁钛管弯曲过程中温度均匀性误差小于±15℃。
2.2模具隔热结构设计
2.2.1模具热隔热部位确定
隔热结构的核心功能是阻断模具热量向弯管机传递，以保护弯管机的精度，减少热量散失，降低加热系统的能耗。薄壁钛管弯曲过程中模具与弯管机之间的热传递途径主要是传导与辐射，其中热弯模、夹模、热压模和防皱模与弯管机直接接触，主要热传递途径是热传导;而与弯管机辅助部件间接接触，主要热传递途径是热辐射。根据热传递路径，模具隔热结构设计主要包括模具与弯管机工作台隔热设计、弯管机辅助部件防热处理。
2.2.2模具与弯管机工作台隔热设计
目前,高温模具与弯管机工作台通常采用耐高温陶瓷纤维作为隔热板,但陶瓷纤维板如果太厚会影响模具安装精度，如果太薄则隔热效果无法满足要求。为同时满足薄壁钛管高温绕弯模具的加热温度、安装精度和可加工性能要求，在模具与弯管机工作台的隔热板选用厚度为25mm的氧化铝陶瓷，在隔热板上制出连接孔或连接槽，通过高温合金螺栓将模具、隔热板与弯管机紧固连接;也可在隔热板上制出方形槽，以减少隔热板与模具的接触面积，提升隔热效果。典型隔热板结构见图3。
2.2.3弯管机辅助部件防热处理
虽然弯管机其他辅助部件不与钛管高温绕弯模具直接接触，但长期处于高温环境中易出现部件老化，且存在烫伤操作人员的风险，需进行局部隔热处理。采用硅酸铝纤维毡，裁剪成与部件匹配的形状后，包裹在弯管机辅助部件表面，既能减少热量散失，又能起到热防护作用。
2.3模具冷却系统设计
2.3.1模具冷却方式选择
冷却系统主要用于快速降低模具温度，以方便取出钛管，缩短加工周期，同时精准控制模具温度，防止温度超出使用极限。采用目前应用最广泛的内置式流道水冷方式，具有冷却效率高、控温精准等优势。
2.3.2冷却流道设计
热弯模弯块的冷却流道设计在模具中部，紧靠电热管并呈90°扇形布局;夹模、热压模、防皱模的冷却流道紧靠电热管并呈直线布局。所有冷却流道空间布局应与加热孔、测温孔协调一致，避免相互干涉，以确保快速冷却。在冷却流道两端开出直径10mm的冷却孔，作为进水与出水使用。冷却流道的进出口采用焊接密封，焊接后进行水压试验，防止高温下冷却水泄漏导致模具开裂。典型冷却流道布局见图2。
2.3.3水温控制系统选型
为避免自来水结垢堵塞冷却流道,冷却介质选用工业纯净水。水温控制系统选用温控水箱自动调节水温，通过电磁流量计控制水流量。在温控水箱出水口位置设置温度传感器，实时监测出水温度，当出水温度超过50℃时，温控水箱自动启动制冷装置，确保冷却水温度稳定。
薄壁钛管高温绕弯过程中，冷却系统处于“低速循环”状态，仅维持模具温度稳定;绕弯完成后，冷却系统切换至“高速冷却”状态，通过调节流量与水温，使模具快速降温。
2.4模具材料选用
薄壁钛管高温绕弯模具的材料直接决定其在高温工况下的承载能力与使用寿命，需满足高温强度、热稳定性、耐磨性和导热性四大核心要求，结合模具各部件的功能差异择优选用。
钛管高温绕弯时，主受力模具(热弯模、夹模)直接与高温钛管接触，承受较大的机械载荷与摩擦作用，选用高温性能优异的W6Mo5Cr4V2 高速钢，其在800℃时的硬度可达50HRC以上，且具有良好的热疲劳抗力;次受力模具(热压模、防皱模、芯棒)主要是支撑管材防止畸变和起皱，如强度太高会影响热弯模运动，如强度太低则无法达到支撑效果，因此，选择比 W6Mo5Cr4V2高速钢强度略低的H13热作模具钢。模具与弯管机连接的隔热板选用纯度为85%的Al2O3氧化铝陶瓷，其在800℃时具有足够的强度和隔热性能。
3、薄壁钛管高温绕弯模具数值模拟
以外径D=Φ60mm、壁厚δ=1mm、两端直线段长度为120mm、中间弯曲段半径R=120mm、弯曲角为40°的TC4薄壁钛管为典型代表进行高温绕弯模具数值模拟，验证模具的温度分布能否满足钛管高温绕弯的工艺要求。
3.1数值模型构建
3.1.1几何模型构建
按薄壁钛管高温绕弯模具设计结果构建全尺寸几何模型，包括热弯模、夹模、热压模、防皱模、芯棒、隔热板和钛管。完整的薄壁钛管高温绕弯模具几何模型见图4。
3.1.2网格划分
采用“分区划分”方式进行不同类型、大小的网格划分。为平衡计算精度与计算效率，对模型进行合理简化:保留模具总体结构、加热孔道等关键特征,忽略连接孔、倒角等非关键细节。钛管弯曲段选用三节点三角形壳单元,网格尺寸为2~5mm;钛管直线段选用四节点四边形壳单元,网格尺寸为8~12mm。所有模具的工作型面、加热孔等关键区域均采用六面体结构化网格，网格尺寸为2~5mm。所有模具的非工作型面、隔热板均采用四面体非结构化网格，网格尺寸为10~15mm。
3.1.3材料属性设置
薄壁钛管高温绕弯模具数值模拟需设置W6Mo5Cr4V2钢、H13钢、Al2O3 氧化铝陶瓷和TC4钛管4种模具材料的高温力学和物理性能参数，参考值见表1。其中TC4钛管在高温700~900℃的应力-应变曲线可参考国内高校实测数据[16-17]。
表1 4种模具材料的高温力学和物理性能数据参考值
Table 1 Reference values for high-temperature mechanical and physical property data of four materials
| 性能参数 | W6Mo5Cr4V2钢 | H13钢 | 85%Al2O3 氧化铝陶瓷 | TC4钛管 |
| 抗拉强度/MPa | 400~500 | 350~450 | 一 | 200~250 |
| 屈服强度/MPa | 350~450 | 300~400 | 150~200 | |
| 伸长率/% | 10~20 | 15~25 | <0.1 | 30~50 |
| 弹性模量/GPa | 170~190 | 160~180 | 280~350 | 60~70 |
| 热导率/(W. (m.K)-1) | 28~32 | 35~40 | 13.8~16.7 | 15~18 |
| 比热容/(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边界条件设置
温度边界条件:冷却流道进水按温控水箱最高温度50℃设置,出口为自由流出;环境温度为25℃,对流换热系数为10W.(m2.K)-1;加热孔按“内热源”处理，功率密度按电热管最大值8W.cm-3设置。
力学边界条件:约束弯曲模Z轴方向位移，用旋转位移加载方式施加角速度w=0.05 rad.s-1;夹模施加10~15MPa的夹紧力;约束热压模Y、Z轴方向位移，X轴方向施加线速度V=wR=6mm.s-1;同时约束防皱模、芯棒的X、Y、Z轴方向位移。
接触边界条件:热弯模、热压模、防皱模与钛管之间的接触类型为“热-力耦合接触”，摩擦因数为0.1;夹模、芯棒与钛管的接触类型为“有限滑动”;所有模具与隔热板的接触类型均为“无滑动接触”。
3.2数值模拟结果分析
薄壁钛管高温绕弯模具数值模拟后，得到模具温度场分布云图见图5(未显示隔热板)。通过图5可以看出:热压模与防皱模的电热管的功率密度对模具温度影响最大;热弯模、热压模与防皱模三者之间区域的温度为792~890℃，温度差异过大，尤其是热弯模弯曲切点温度最低，为792℃，需加大热弯模该位置加热管的额定功率，增大热能输入能力，提升该区域的温度;防防皱模上第1个加热孔的周边温度偏高，达到890℃，可适当减少加热管热能输入。
通过反复优化，当热弯模弯曲切点附近2个加热孔功率密度为8.5W.cm-3、防皱模上第1个加热孔功率密度为7.7W.cm-3，其余加热孔功率密度为7.9W.cm-3时，模具温度场分布云图见图6。由图6可知，热弯模、热压模与防皱模三者之间区域的温度为804~865℃,温度差异明显减小,且满足了钛管成形温度800℃的要求。
从优化后的数值模拟结果中提取出钛管弯曲段管壁圆周0°、45°、90°和135°的温度数据形成温度曲线，见图7。可以看出:钛管弯曲段温度与模具温度分布趋势一致,说明模具能够将热能传递到管材;弯曲段管壁圆周内温度差异性最大的区域为弯曲切点位置，最大温差为13℃，满足了薄壁钛管高温绕弯温度差异性在±15℃的要求。
钛管高温绕弯时，钛管弯曲段管壁圆周都被模具夹持，无法直接测量管壁温度，只能间接测量模具温度，从数值模拟结果中提取10个热电偶(M1~M10)安装位置的温度数据，为钛管高温绕弯模具实验测试提供理论数据。热电偶(M1~M10)分布位置见图6，其中热弯模上安装1个热电偶、热压模上安装6个热电偶、防皱模上安装3个热电偶。
4、薄壁钛管高温绕弯模具实验测试
4.1实验过程
实验的目的是验证模具的实际性能是否满足薄壁钛管高温绕弯模具的设计要求,TC4钛管在实验过程中作为性能验证的载体,非主体考核对象。实验主要过程如下。
(1)实验台安装:按设计图样加工出所有的模具，并使用螺栓固定在弯管机工作台上;将温度控制仪的电热管、热电偶安装在模具上;将温控水箱的水管连接在模具的冷却孔上;将钛管套在芯棒上。
典型钛管高温绕弯模具安装情况见图8。
(2)实验前检查:检查热电偶应在校准有效期内;检查弯管机、温度控制仪、温控水箱连接应可靠;检查模具、钛管安装的位置和精度应满足要求;检查温度控制仪的加温、测温、恒温功能应正常。
(3)参数设置:在弯管机上设置弯曲角度为40°、弯曲速度为0.05 rad.s^{-1}、夹模压力为10~15 MPa、热压模速度为6mm.s-1;在温度控制仪上设置加热温度为800℃;在温控水箱上设置水温温度为50℃。
(4)手动加热温度测试:将温度控制仪所有电热管处于手动控制模式，启动加热系统加热模具，30min后，记录模具上各热电偶(M1~M10)的实测温度。
(5)自动加热温度测试:将温度控制仪所有电热管处于自动控制模式，启动加热系统加热模具，30min后，记录模具上各热电偶(M1~M10)的实测温度。
(6)高温绕弯成形:当模具温度满足要求后，启动弯管机，夹模夹紧钛管，弯曲臂带动钛管绕弯，热压模与钛管同步前进，防皱模、芯棒实时支持钛管防止畸变和起皱。
(7)冷却与取件:绕弯完成后，冷却系统切换至高速模式，模具温度下降后，打开夹模取出钛管样件，进行后续检测。
4.2实验结果分析
4.2.1模具实测温度分析
温度控制仪在手动加热、自动加热情况下的钛管高温绕弯模具热电偶(M1~M10)实测温度曲线见图9。通过图9可以看出:
(1)手动加热情况下,热电偶的实测温度与数值模拟温度的最大偏差未超过9℃,说明数值模拟结果与手动加热结果是基本吻合的;
(2)自动加热情况下，除热电偶(M10)外，其余热电偶(M1~M9)的实测温度在801~814℃之间，满足薄壁钛管高温绕弯温度要求(800℃)，说明温度控制仪的自动恒温作用明显，能精确动态调控模具的实际温度;
(3)无论在手动加热情况，还是在自动加热情况下，热电偶(M10)的温度都偏低，最低为788℃，但该位置已超出钛管弯曲段范围，不影响钛管弯曲成形，可忽略温度差异。
4.2.2钛管样件质量评估
弯曲后的TC4薄壁钛管样件见图10。通过检查发现:(1)钛管加热区表面发黑明显，说明钛管已达高温氧化温度，需要在钛管上增加高温防氧化涂层;(2)钛管弯曲段内侧起皱明显，说明防皱模结构尺寸或安装位置异常，没有达到防止起皱的目的，还需要进行防皱模结构尺寸优化以及钛管绕弯成形工艺改进。
5、结论
(1)薄壁钛管高温绕弯的核心是通过温度场与力场的协同控制提升钛合金塑性，高温绕弯模具需同时实现精准加热、高效隔热、快速冷却与高温承载这四大功能。
(2)模具加热系统采用内置式电热管加热，配置“加热-测温-反馈”闭环控制功能的温度控制仪，可实现模具精准加温、测温和恒温;在模具与弯管机工作台之间设置氧化铝陶瓷隔热板，能实现模具与弯管机的高效隔热;冷却系统采用内置式流道水冷方式，配置自动温控水箱，能快速降低模具温度;高温主受力模具材料选用高速钢、高温次受力模具材料选用热作模具钢，以满足钛管高温工况下的高温承载需求。
(3)有限元数值模拟可有效预测模具温度分布状态，验证模具温度能否满足钛管成形要求，大幅减少物理实验的迭代次数。通过测试表明，模具温度分布满足薄壁钛管高温绕弯工艺要求，钛管弯曲段管壁圆周的温度均匀性控制在要求范围内。
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（注，原文标题：薄壁钛管高温绕弯模具研制与测试_李光俊）