钛圆片冲压是一种高效制备薄壁精密零件的工艺，广泛应用于医疗、电子、航空航天等领域。以下是针对钛圆片冲压的技术要点、工艺优化及典型应用的深度分析：
一、钛圆片冲压核心挑战
材料特性限制
高屈服强度：纯钛（Gr2）屈服强度≥275 MPa，冲压需高吨位设备（比不锈钢高20%-30%压力）。
低室温延展性：Ti-6Al-4V（Gr5）延伸率仅10%-15%，易开裂，需精确控制变形量（如极限拉深比≤2.0）。
回弹与尺寸偏差
钛弹性模量（110 GPa）低于钢，冲压后回弹量达0.1-0.3mm（Φ50mm圆片），需过压补偿设计。
表面损伤风险
冲压过程易产生划痕（Ra＞1.6μm），影响医用植入物表面生物相容性或电子元件导电性。
二、材料选型与适配性
| 钛合金牌号 | 特性 | 适用冲压场景 | 推荐厚度范围 |
| Gr1 (纯钛) | 高塑性（延伸率≥24%） | 复杂深冲件（医用壳体、电池极片） | 0.1-2.0 mm |
| Gr2 (纯钛) | 通用级，性价比高 | 垫片、密封环等简单冲压件 | 0.3-3.0 mm |
| Ti-3Al-2.5V | 冷成型性优（比Gr5高30%） | 微型精密件（连接器触点、传感器膜片） | 0.05-0.5 mm |
| Ti-15Mo | β合金，抗裂纹扩展 | 高屈强比零件（弹簧片、弹性元件） | 0.2-1.5 mm |
三、冲压工艺优化策略
1. 模具设计要点
模具材料：硬质合金（如YG15）或粉末高速钢（ASP 60），硬度≥HRC 62，刃口粗糙度Ra≤0.4μm。
间隙控制：单边间隙取板材厚度的8%-12%（Gr2：10%，Gr5：8%），减少毛刺与裂纹。
回弹补偿：凹模设计反向预弯曲（曲率半径补偿量≈回弹量×1.2）。
2. 工艺参数优化
冲压速度：低速冲压（5-15 mm/s），降低应变率敏感性，Gr5冲压速度比Gr2降低30%。
润滑方案：含氟聚合物润滑剂（如PTFE基），摩擦系数≤0.1，比矿物油减少冲压力20%。
加热辅助：局部感应加热（200-300°C），提升Gr5延展性（延伸率增加至18%-22%）。
3. 表面质量控制
去毛刺：电解抛光（电压12V，时间30-60s），边缘R角≥0.1mm，符合ISO 13782医用标准。
镜面处理：化学机械抛光（CMP）或磁流变抛光，表面粗糙度Ra≤0.1μm（光学级要求）。
四、典型应用场景与案例
| 领域 | 应用案例 | 技术指标 | 工艺要点 |
| 医疗植入 | 心脏起搏器钛封装盖（Gr1） | 厚度0.2mm±0.01mm，Ra≤0.2μm | 多工位连续模，氮气保护防氧化 |
| 消费电子 | TWS耳机振膜钛片（Ti-3Al-2.5V） | Φ6mm圆片，厚度0.08mm，平面度≤5μm | 微冲压（≤1kN压力），真空吸附送料 |
| 航空航天 | 发动机密封垫片（Gr5） | 耐温400°C，密封面平行度≤0.02mm | 激光切割+精密冲压复合工艺 |
| 能源电池 | 燃料电池双极板（Gr2） | 流道深度0.3mm，导电率≥1×10⁶ S/m | 液压胀形+精冲，表面镀Pt涂层 |
五、缺陷分析与对策
| 缺陷类型 | 成因 | 解决方案 |
| 边缘开裂 | 材料延展不足/模具间隙过小 | 改用Gr1或Ti-3Al-2.5V；增大间隙至12% |
| 表面划痕 | 模具粗糙度高/润滑不良 | 抛光模具至Ra≤0.2μm；采用PTFE润滑剂 |
| 厚度不均 | 板材初始应力分布不均 | 增加退火工序（650°C/1h，氩气保护） |
| 回弹超差 | 弹性模量低/成型力不足 | 凹模预补偿+过压5%-8% |
六、经济性与设备选型
| 成本项 | 钛圆片冲压 | 对比不锈钢冲压 |
| 材料成本 | Gr2钛板≈¥400/kg（304不锈钢的5倍） | 304不锈钢≈¥80/kg |
| 模具成本 | 硬质合金模贵30%，但寿命长5倍 | 普通工具钢模，寿命约50万次 |
| 能耗 | 加热辅助冲压能耗高20%-30% | 常温冲压，能耗低 |
| 综合成本 | 小批量高50%，大批量因废料少低20% | 适合中大批量生产 |
推荐设备：
精密高速冲床：日本AIDA NS2-200（200kN，SPM 400-1200）
液压胀形机：Schuler HPM 3000（3000kN，定位精度±0.01mm）
激光切割机：通快 TruLaser 5030（切割钛厚≤6mm，精度±0.02mm）
七、前沿技术趋势
超薄钛箔冲压：
纳米晶钛（晶粒尺寸＜100nm）冲压厚度可达0.01mm，用于MEMS传感器。
智能化工艺：
AI实时监控冲压力-位移曲线，动态调整参数（精度±1%），减少试模次数50%。
复合工艺：
冲压-扩散焊接一体化制造燃料电池双极板，接触电阻降低30%。
总结：
钛圆片冲压需针对性优化材料、模具与工艺参数，在医疗、电子等高端领域具有不可替代性。建议优先选用高塑性钛材（Gr1/Ti-3Al-2.5V），搭配硬质合金模具与PTFE润滑，并通过精密检测（如白光干涉仪测平面度）确保质量。未来，超薄化与智能化将成为钛冲压技术的核心突破方向。
