引言
钛合金具有密度低、比强度高、热导率低、无毒无磁、可焊接等特性，是一种轻质高强度的结构材料。目前，电子设备应用领域有明显的轻量化、小型化、高稳定性设计发展趋势，钛合金薄壁结构因其良好的综合性能，被广泛应用于航空航天、船舶制造、化工设备、医疗器械等领域，然而，钛合金薄壁异形件的成型工艺较为复杂，存在加工难度大、成型效率低、成本高等问题。
本文针对一种钛合金薄壁异形壳体零件的成型，综合考虑材料特性、结构特点和加工精度，基于产品结构的材料特性、工艺方案、工艺流程、工艺措 施等给出了解决方法，提高了零件加工精度和装配精度，为同类钛合金薄壁零件生产提供了依据。
1、钛合金薄壁异形壳体结构
钛合金薄壁异形壳体为半封闭结构，是一种具有屏蔽功能的结构件，如图1所示。
该壳体结构是一种内环套外环、上下带底的屏 蔽罩结构，主要由内管、外管和两侧端盖组成，如图2所示。材质为钛合金TC4，壳体全长78 mm，外径为38 mm，内径为25 mm，侧壁有一条从上到下、从里到外宽度为1 mm的接缝，要求宽度均匀一致，尺寸精度满足±0.1 mm要求。其中，该薄壁异形壳体零件加工完成后，内外管之间需装配其他非金属零件，因此至少有一侧端盖必须为活动端盖，满足装配需要，且内装件与内外管的配合间隙仅有0.5～0.9 mm；本产品的屏蔽功能需要全部装配完成后，1 mm接缝满足（1±0.1）mm的尺寸要求，其余各处接缝均需连续封 闭为一体，不允许有“漏缝”。
2、材料特点
钛合金TC4是一种中等强度的α+β型两相钛合金，具体化学成分如表1所示，力学性能参数如表2[1]所示，其具有良好的抗蠕变性能，热强性及抗氧化性强、焊接性及耐蚀性良好，但塑性较低，变形抗力大，热加工性能较差，不能热处理强化[2]，是钛合金材料中应用最广的一种。钛合金是典型的难加工材料，导热系数仅为钢材的1/7，铝合金的1/30，切削过程刀 屑接触区极小，单位面积上切削力大且热量难以排出，切削温度高，加之钛合金冷硬现象严重，化学活性高，切削状态能够和几乎所有的刀具材料发生化学反应，最终导致刀具极易产生磨损破损[3]。
3、钛合金薄壁零件加工概况
钛合金薄壁零件根据产品结构特点及批量有不同的生产方式，在产品研制初期，一般会选择机加工或钣金成型工艺。
针对小型化、高精度钛合金零件的加工成型，通 常会选择数控加工（数控车、数控铣）成型，其中微铣削工艺因其加工效率相对较高且适用于复杂几何形状制造，在钛合金薄壁的加工中占有重要地位[4]，是目前比较先进的制造工艺。但因本文钛合金薄壁异 形壳体属于典型的薄壁结构，在材料切削过程中受力形式复杂，难以按照经典理论进行受力变形分析，即便是先进的切削工艺（微铣削），对尺寸精度的控 制也显得力不从心[5]。
钣金成型工艺技术是薄壁结构的常规成型工艺。冷成型工艺技术是应用最多的钣金技术，但通常情况下冷成型方法只能制造形状简单的零件，如支柱、角片等曲度平缓的零件，且钛合金常温可塑性非常差，成型后往往回弹很大，同时材料还发生强烈的冷作硬化，难以保证零件尺寸精度。目前，航空领域钛合金薄壁零件一般采用热成型和超塑成型，还有喷丸成型、时效成型、旋压成型、热蠕变成型等先进的钣金成型技术[6]，这些先进的钣金工艺技术虽然能够满足高精度、高质量的生产要求，但往往生产中需要适配模具，难度大、周期长、成本昂贵[7]。
综上所述，针对本文钛合金薄壁异形壳体成型，通过数控加工或钣金工艺单一工艺技术实现存在多 方面问题，不适宜产品实际生产使用。因此，基于产品技术要求，创新性地综合运用多种传统成熟工艺 技术成为一种解决复杂钛合金薄壁零件成型加工难 题的思路。
4、工艺性分析
4.1 原材料状态
通过市场调研可知，通常钛合金TC4管料不易采购，棒料和板料供货较多。应尽量采购与零件同规格或规格接近的管料，可以减少加工量；如无管料，通过优化工艺设计，棒料和板料也可以满足生产 需要。
4.2 端盖成型
两侧端盖（图3）通过板料数控铣削或棒料数控车削均可成型，两种工艺方法均能保证尺寸精度要求，成型工艺难度低。
4.3 内外管成型
内外管根据原材料状态有两种成型方式：板料围弯冷成型工艺和棒料机加工工艺。下面以外管（图4）为例进行工艺性分析。
4.3.1 板料围弯冷成型工艺
该零件结构自身属于非封闭结构（1 mm接缝），相对曲率大且钛合金常温可塑性差，围弯后零件会产生较大的回弹现象，外形尺寸很难稳定，图中外径尺寸φ380 +0.1、内径尺寸φ36-0.2 +0.2及接缝（1±0.1）mm无 法保证。后续焊接过程中，零件无法维持围弯形状，易产生对接位移，焊接工装无法消除材料内应力和焊接应力等综合应力的影响，导致产品形位精度超差，同一批次不同产品状态一致性较差。
4.3.2 棒料机加工工艺
该零件通过棒料机加工成型，主要以数控加工（数控车、数控铣）和特种加工（电火花线切割）两种工艺技术实现。
1）数控加工成型。数控车削工艺实现壳体径向尺寸，数控铣削工艺实现1 mm接缝及其他凸台和孔。切削过程中，切削力作用于薄壁上时，切削力将导致薄壁向背离刀具方向产生弹性和塑性两种变形。去除切削力后，金属材料中残余应力导致薄壁产生向背离刀具的方向继续变形的趋势。然而，综合材料弹性恢复的作用，薄壁最终将向靠近刀具的方向产生一定程度的回弹[4]。1 mm接缝加工完成后，材料残余应力、加工应力和夹具夹紧力的释放，会造成壳体进一步变形，导致壳体外径尺寸φ380 +0.1、内径尺寸φ36-0.2 +0.2及接缝（1±0.1）mm无法保证。
2）特种加工成型。电火花线切割工艺实现壳体径向尺寸，数控铣削工艺实现1 mm接缝及其他凸台和孔。这种工艺技术极大地降低了切削力作用到薄 壁上引起变形的影响，但1 mm接缝的加工仍无法避免上述变形问题。
4.4 焊接
结合产品需求，1 mm接缝是产品的关键尺寸，保证各零件焊接后1 mm接缝尺寸精度及宽度均匀一致是工艺重难点。内外管和端盖在零件加工阶段完成1 mm接缝加工，综合应力导致的变形问题，会给焊接装夹定位带来难度，且焊接热影响会进一步扩大变形量，最终导致1 mm接缝出现错位、尺寸超差以及产品状态一致性差等问题。因此，为了保证焊接后产品尺寸要求，需要使用专用焊接工装，优化工艺流程。
5、成型工艺方案
基于上述工艺性分析，围绕降低加工难度和控 制变形制定工艺方案，采用自顶向下的设计思路，从产品装配工艺反推零件加工工艺，制定适宜生产的 工艺设计方案。
5.1 降低加工难度
内外管均选择钛合金TC4棒材，并通过同一件毛坯料套料加工实现，减少原材料去除量，降低加工难度。
为解决钛合金切削工艺性差的难题，选择电火花线切割的方式代替数控加工实现去料加工，降低加工难度。
为保证产品最终尺寸要求，针对（1±0.1）mm接缝的实现，采用工艺逆向思维，内外管及端盖零件加工时均不加工1 mm接缝，其余结构尺寸按实际加工，焊接完成后整体进行电火花线切割。
5.2 控制变形
焊接及线切割过程中，端盖与内外管之间通过卡槽结构实现三向（X、Y、Z方向）限位及周向定位，使用专用焊接工装实现轴向限位，保证装配状态相对稳定，控制变形。
焊接过程，两侧端盖要求一侧焊，一侧不焊（后期内外管间需装配其他零件，无法两侧焊接封闭），但两侧端盖均需装配至内外管上，控制因单侧端盖焊接导致的“喇叭口”变形。
为了避免材料应力等导致切割后薄壁结构变形，在大量排料前，增加热处理去应力退火工艺措施。
焊接方式选择钛合金TC4最常用的钨极氩弧焊（TIG），这种焊接方式能够提供高质量的焊缝，适用于薄壁异形件的精密焊接，且焊接过程中可通过合 理的焊接顺序及焊接工艺参数控制变形。
6、工艺流程
钛合金薄壁异形壳体的成型工艺流程如图5所示。
7、具体工艺措施
钛合金薄壁异形壳体成型具体工艺措施：
1）端盖加工。根据原材料供货状态，如果是板料，采用数控剪板机下料，考虑装夹余量，两端盖可 一次性通过线切割工艺加工实现；如果是棒料，通过数控车削的方式实现，注意1 mm接缝不加工。
2）内外管加工。钛合金TC4棒材通过锯切方式下料；外管外径和内管内径采取车削方式单侧留1 mm余量进行粗加工；在棒料端面内外径之间选取合适位置钻线切割穿线孔；热处理去应力；精加工车削内 外径到工件尺寸，分两次从外向内线切割出内外管；工件装夹时，采用轴向压板装夹，分两次加工，避免径向变形和接刀现象，注意1 mm缝不加工。
3）装配。将两端盖和内外管装配在一起，通过端盖和壳体的限位卡槽卡住相邻两工件，防止径向转 动、轴向脱离；使用专用焊接工装——C型夹具（图6）将端盖与内外管体上下固定。
4）焊接。综合交叉运用对称焊、间歇焊控制焊接变形；焊接前，焊缝对应的两个零件周边倒角C0.5。
5）钳修。焊后C型夹具不拆除，焊缝处修光修平，既能保证后期装配不干涉，还能通过物理打磨消除一定的焊接应力，避免焊缝引起腐蚀等。
6）电火花线切割。线切割过程中C型夹具不拆除，1 mm缝整体一次性加工成型，保证缝隙均匀一致。
7）清洗。上述装配体拆掉未焊侧端盖，各件用脱脂剂清洗干净，尤其注意焊接端较深内腔体不易清 洁干净。
8）氧化。为增加钛合金壳体的抗腐蚀性，对端盖和已焊接成型的组件分别进行氧化工艺处理。
8、结束语
当今社会，制造工艺技术多样化，生产能力大幅提升，在单一工艺方法无法经济、高效实现产品加工时，可综合运用多种工艺技术，发挥多种工艺方法优势，调整优化工艺路线，最终达到设计要求，保证产品精度。本文所述钛合金薄壁异形壳体成型工艺综合运用了材料生产工艺性、数控切削、特种加工、焊接及工装、钳修等多种工艺技术，成功实现了薄壁异 形壳体零件的加工成型，是工艺技术和生产经验的总结，可对不同金属材质的弱刚性结构成型加工起到指导作用。
[参考文献]
[1] 高晓刚.影响TC4钛合金TIG焊接头力学性能的因素研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2013.
[2] 程巨强，史超.钛合金的组织、性能及加工技术研究进展[J].热加工工艺，2016，45（2）：5-8.
[3] 孙玉晶.钛合金铣削加工过程参量建模及刀具磨损状态预测[D].济南：山东大学，2014.
[4] 高延峰，刘彬彬，胡翱.BTi-6431S高温钛合金铣削加工切屑的微观形貌研究[J].机械设计与制造，2016（1）：126-129.
[5] 李体仁，王悉颖.薄壁零件铣削分析及变形研究技术，2018，52（2）：80-83.
[6] 张双.先进钣金成型技术在航空制造领域的应用[J].内燃机与配件，2019（12）：116-117.
[7] 马战鹏.某型机钛合金双曲度蒙皮冷拉成形回弹控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.
收稿日期：2025-06-13
作者简介：赵蓓芳（1981—），女，山东德州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电子设备结构工艺。
（注，原文标题：钛合金薄壁异形壳体成型工艺研究）
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