鈦及其合金CNC冷作彎管工法可行性與技術挑戰之深度分析報告 (Feasibility and Technical Challenges of CNC Cold Bending for Titanium and Its Alloys: A Detailed Analysis Report)

摘要

本報告旨在深入分析不同等級的純鈦與鈦合金在CNC冷作彎管工法下的可行性、技術挑戰與工程解決方案。研究結果顯示，材料的屈服強度、延展性與微觀結構是決定其冷彎性能的關鍵因素。純鈦（Grade 1-4）因其優異的延展性與相對較低的強度，具備良好的冷彎性能，其中Grade 1因其極高的可塑性而表現最佳。然而，高強度的鈦合金（如Grade 5）由於其特殊的α+β雙相微觀結構和極高的屈服強度，在室溫下冷彎極易產生開裂、折疊等嚴重缺陷，因此通常需要採用熱彎作為其首選甚至唯一的加工方式。

本報告不僅從材料科學本質上解釋了各等級鈦材的彎管特性，更提供了針對性強的工程實務建議。針對冷彎過程中普遍存在的應力回彈、壁厚變薄與起皺等問題，報告詳細闡述了回彈補償、芯軸支撐、彎曲半徑優化等解決方案。此外，報告也特別強調，在材料選擇時，應將加工難度與成本納入考量，以確保最終的工程與經濟效益。綜合而言，純鈦等級適用於對可加工性與耐腐蝕性要求高的場景；而高強度鈦合金，儘管加工難度高，但其卓越的機械性能使其成為航空航太等嚴苛應用的不二之選。

 

第一章：CNC彎管工藝基礎與材料科學原理

 

1.1 CNC冷作彎管工法概述

CNC冷作彎管技術是透過電腦數控系統精確控制彎管機，對管材在室溫下進行彎曲成形的一種高效、精密的加工工法 ¹。這種技術的優勢在於其高精準度、可重複性，以及能夠實現複雜彎曲軌跡的能力，使其在管線系統、化工設備和航空結構件等領域得到廣泛應用 ²。

CNC彎管機的核心工作原理是利用旋轉模具、夾模具與壓力模具相互配合，將管件牢固夾緊後，透過電機系統控制氣壓或液壓系統，使管件沿著預設的彎曲半徑和角度進行精確轉動 ¹。在實際操作中，常用的彎管方法包括旋轉拉彎（Rotary Draw Bending）與滾彎（Roll Bending） ⁴。旋轉拉彎特別適用於需要較小彎曲半徑的應用，而為了避免管材在彎曲過程中因內壁受壓而塌陷或起皺，通常會採用芯軸彎管（Mandrel Bending）技術，在管材內部提供有效的支撐 ⁵。芯軸能夠支撐材料的內部流動，壓力模具則支撐其外徑，兩者協同作用，共同調節管材在彎曲過程中的外徑與內徑，從而確保彎曲品質 ⁵。

 

1.2 影響彎管性能的關鍵材料屬性

屈服強度與彈性模量

屈服強度（Yield Strength, σy​）是指材料在不發生永久塑性變形的情況下所能承受的最大應力 ⁴。彈性模量（Elastic Modulus, E）則衡量材料在彈性範圍內的剛度。這兩個屬性與彎管後的回彈現象有著直接且重要的關聯 ⁴。

在彎曲過程中，管材的外壁被拉伸，內壁被壓縮，材料在彎曲模具的作用下經歷彈性與塑性兩種變形。當彎曲力移除後，材料的彈性部分會試圖恢復到其原始形狀，這種現象即為應力回彈（Springback） ⁶。高屈服強度的材料在達到塑性變形之前，其儲存的彈性能量也越大，因此彎曲後的回彈也越顯著 ⁴。例如，鈦合金的回彈比低碳鋼高出30−50%，這直接源於其高屈服強度和高彈性模量 ⁷。這使得精確控制最終彎曲角度成為一項重要的工程挑戰，若無法精確補償回彈，將嚴重影響管路的裝配與密封性能 ⁸。

 

延展性與微觀結構

延展性（Ductility）是衡量材料在拉伸應力下發生塑性變形而不開裂的能力，通常以斷裂伸長率（Elongation, δ）來表示 ⁴。在彎管外壁受拉伸的過程中，材料的延展性決定了其抗開裂的能力 ⁵。

鈦材料的微觀結構對其延展性與冷加工性能有根本性影響。純鈦屬於α相材料，晶格結構為密排六方（HCP）⁹。這種單相結構使得純鈦的晶格滑移容易，因此具備優異的延展性和冷成形性 ⁹。相比之下，鈦合金如Grade 5（Ti-6Al-4V）則屬於α+β雙相結構 ¹¹。其α相（HCP）的冷變形能力比β相（體心立方，BCC）差，且材料的導熱性也較差 ¹²。

這種雙相結構的特性導致高強度鈦合金在室溫下進行冷成形時，極易產生折疊、裂紋、內部空洞以及絕熱剪切帶等嚴重缺陷 ¹²。因此，對於這類材料，通常會採用熱镦或熱彎等加熱加工方式，以提高其塑性變形能力 ¹²。

值得注意的是，Grade 23（Ti-6Al-4V ELI）透過降低氧、氮、碳和鐵等超低間隙元素（ELI）的含量 ¹³，從而改善了材料的韌性與延展性 ¹⁴。這項材料設計策略在不改變基本α+β雙相結構的前提下，透過提升材料純淨度來優化其機械性能，使其比Grade 5更適合需要極高韌性的應用（如醫療植入物）¹³。儘管如此，其冷彎性能仍無法與延展性極佳的純鈦相比。

 

1.3 冷彎過程中常見的缺陷與成因

除了回彈之外，冷彎工藝還面臨其他常見缺陷，包括壁厚變薄、起皺、開裂及表面劃痕。

• 壁厚變薄與起皺： 當管材進行彎曲時，中性層外側管壁受拉應力作用，管壁會變薄；而內側則受壓，可能導致管壁起皺或塌陷 ¹⁵。壁厚變薄程度與彎曲半徑、管材壁厚和材料延展性直接相關 ⁴。對於薄壁管材，在外徑與彎曲半徑比值過小時，壁厚變薄尤其嚴重 ¹⁶。
• 開裂與表面劃痕： 如果彎曲半徑對於材料而言過小，或者材料本身的延展性不足，則可能存在管材開裂的風險 ⁴。此外，模具與管材之間的摩擦可能導致表面劃痕 ¹⁷。

 

第二章：純鈦等級的CNC冷彎性能分析

 

2.1 Grade 1 (CP Titanium)

CNC冷彎適用性：極佳。

Grade 1是純鈦中最軟、延展性最好的等級，其斷裂伸長率高達24%以上，屈服強度僅為170 MPa ¹⁰。其卓越的可塑性與成形性使其成為所有鈦等級中最容易冷彎的材料。由於其優異的冷成形性、高衝擊韌性和出色的可焊性，在冷彎過程中幾乎沒有回彈、開裂或起皺的風險 ¹⁰。

典型應用： 由於其極高的成形要求，Grade 1是板式熱交換器、壓力容器襯裡和化工管道的理想選擇 ¹⁰。同時，因其優異的生物相容性，也被廣泛應用於醫療領域 ⁹。

 

2.2 Grade 2 (CP Titanium)

CNC冷彎適用性：

優秀。 Grade 2被視為商業純鈦的「主力」，在強度、延展性與耐腐蝕性之間取得了最佳平衡 ⁹。它具備良好的成形性與中等強度，使其成為應用最廣泛的純鈦等級 ⁹。雖然其強度略高於Grade 1，冷彎時可能產生較小的回彈，但這仍在可精確控制的範圍內。

典型應用： Grade 2非常適合需要中等強度和良好加工性的應用，例如管線系統、化工設備和航空結構件。

 

2.3 Grade 3 (CP Titanium)

CNC冷彎適用性：良好。

Grade 3的強度比Grade 1和2更高，但延展性稍差。這意味著其冷彎難度有所增加，尤其是在小彎曲半徑下，需要更精確的工法控制和可能需要內徑支撐來防止塌陷或起皺。儘管如此，它仍然可以透過CNC冷彎工法來加工。

典型應用： Grade 3主要用於需要更高強度但對成形性要求不那麼嚴格的應用，例如航空航太結構和熱交換器矩陣板 ¹⁸。

 

2.4 Grade 4 (CP Titanium)

CNC冷彎適用性：較差。

Grade 4是四個純鈦等級中強度最高的（屈服強度高達483 MPa），但延展性最低（斷裂伸長率低至15%）¹⁹。其高強度與低延展性的結合，使其冷彎面臨顯著挑戰，尤其是在小彎曲半徑下，開裂風險急劇增加 ¹⁹。儘管它仍具備優異的耐腐蝕性，但其加工難度使其在冷彎管路應用中較少被考慮。

工法拿捏： Grade 4的機械特性使其冷加工性能更接近某些鈦合金，而非純鈦家族的其他成員。這意味著，若非設計強制要求高強度，工程師更傾向於選擇Grade 2或Grade 3以簡化工法流程、降低成本和風險。這是一個重要的工程決策權衡，說明材料的選擇不僅取決於最終性能，也取決於其加工可行性與成本效益。

 

第三章：鈦合金等級的CNC彎管性能分析

 

3.1 Grade 5 (Ti-6Al-4V)

CNC冷彎適用性：極差。

這是最廣泛應用的鈦合金，其強度與重量比極高，但在冷彎方面存在根本性矛盾 ²⁰。研究資料明確指出，Grade 5（國內稱TC4）難以冷彎 ²⁰。其高達860 MPa的屈服強度和14-15%的斷裂伸長率，導致在冷彎過程中會產生嚴重的應力回彈和開裂缺陷 ¹³。

根本原因分析： Grade 5的α+β雙相微觀結構是其難以冷加工的根本原因 ¹²。由於α相的冷變形能力比β相差，如果採用冷镦成形（與冷彎類似的工藝），極易產生折疊、裂紋、內部空洞等缺陷 ¹²。

推薦工藝：熱彎。 由於冷彎的極大挑戰與高缺陷風險，熱彎是處理Grade 5的首選甚至唯一推薦工法 ⁷。熱彎工法可將材料加熱至600−800∘C（β相轉變區），以顯著降低其屈服強度並提高其塑性，從而避免開裂 ⁷。軍用標準規定，鈦合金管熱彎的模具半徑應為R=5∼6×D（D為管徑），以防止回彈變形 ⁷。這證明，對於Grade 5，放棄冷彎而選擇熱彎是確保產品品質的關鍵。

 

3.2 Grade 9 (Ti-3Al-2.5V)

CNC冷彎適用性：良好。

Grade 9的強度介於純鈦和Grade 5之間，但因其合金含量較低，因此比Grade 5更容易冷加工 ¹¹。這種α+β鈦合金的微觀結構中含有比Grade 5更多的α元素，使其具有更強的成形性，可以進行冷軋和彎曲 ¹¹。

材料設計的權衡： Grade 9的設計理念是為了在不犧牲過多強度（仍高於純鈦）的前提下，顯著提高其加工性能。這種聰明的權衡使其成為航空液壓管路系統和自行車車架的熱門選擇 ²³。其優異的冷加工性與中等強度，使其在需要彎曲成形性高的管狀應用中表現出色。

 

3.3 Grade 7 (Ti-0.15Pd)

CNC冷彎適用性：優秀。

Grade 7的機械性能與Grade 2相似，但添加了少量鈀，使其在還原酸等極端腐蝕性環境中表現出卓越的耐腐蝕性。由於鈀的少量添加對其基礎的機械性能影響有限，可以推斷其冷彎性能與Grade 2相當，甚至略優。其主要挑戰並非來自於冷彎工藝本身，而是其相對較高的材料成本。

典型應用： Grade 7主要用於化工產業的設備，特別是需要抵抗強腐蝕的管路系統。

 

3.4 Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI)

CNC冷彎適用性：相對Grade 5有所改善，但仍面臨挑戰。

Grade 23是Grade 5的超低間隙元素（ELI）版本 ¹³。通過降低氧、氮、碳和鐵等雜質含量，其韌性、延展性與斷裂韌性得到顯著提高 ¹³。這使得它比Grade 5更適合冷加工，但在高強度本質下，應力回彈仍然是主要挑戰。

ELI的價值： Grade 23的真正價值不在於簡化冷彎，而在於其對生物相容性、高循環疲勞強度和低溫韌性的巨大提升 ¹³。醫療植入物、航空航太結構等關鍵應用對材料的純淨度要求極高，以避免因雜質導致的疲勞裂紋。儘管其冷彎可行性略有提升，但為了確保最高品質和可靠性，製造商通常會採用最嚴格的工法控制，而非單純追求簡化的冷彎。

 

第四章：CNC彎管技術挑戰與工程解決方案

 

4.1 回彈的預測與補償

應力回彈是高強度鈦材冷彎的固有特性，其補償是確保尺寸精度的核心任務 ⁶。

• 過彎法（Over-bending）： 這是最常見的實務方法，即有意將管材彎曲至超過目標角度，以補償回彈 ⁷。
• 回彈數據庫與預補償算法： 針對常用材料，系統地記錄各種工藝參數（彎曲半徑、壁厚等）下的回彈數據，建立回彈數據庫 ¹⁷。或者透過電腦輔助工程（CAE）模擬來預測回彈，從而減少反覆試驗的成本 ⁷。
• 高階設備： 投資具備即時角度測量與自動補償功能的CNC彎管機 ¹⁷。這些機器在彎曲過程中透過雷射或探頭實時測量角度，並在行程內調整滑塊深度，有效消除材料批次差異造成的影響 ¹⁷。

 

4.2 管材內部支撐技術

為防止冷彎過程中管材壁厚變薄、起皺和塌陷，內部支撐技術是必要的輔助工法 ⁷。

• 芯軸（Mandrel）： 芯軸是彎管工藝中最重要的輔助工具之一。分段球頭芯軸能夠從內部支撐管材，有效防止管壁在彎曲內側發生塌陷或起皺 ⁴。這對於彎曲半徑小或壁厚較薄的管材尤其重要 ⁷。
• 填料： 對於芯軸無法到達或不適用的大型、複雜管件，可以採用填料（如沙子、樹脂或低熔點合金）來提供內部支撐，確保彎曲後的截面形狀不發生畸變 ⁷。

 

4.3 模具與工藝參數優化

• 合理選擇彎曲半徑： 彎曲半徑對力的作用和結構強度有顯著影響 ⁴。經驗法則表明，最小彎曲半徑應不小於管材外徑的2-3倍（即R≥2D∼3D），以避免過度變形或開裂 ⁷。對於硬質材料，半徑應至少為3D或更大 ⁷。
• 熱彎工法探討： 對於Grade 5等高強度難加工鈦合金，熱彎是不可或缺的工法 ⁷。關鍵參數包括加熱溫度（Grade 5需加熱至600−800∘C）和保溫時間（每毫米壁厚約5分鐘）⁷。熱彎能大幅降低材料屈服強度，提高塑性，從而實現高質量的成形。
• 預處理與後處理： 在進行彎管前，對管材進行退火或正火等預處理，可以提高其加工質量 ⁷。對於某些冷彎工件，如需要消除殘留應力以防止微裂紋，則可在彎曲後進行低溫退火等
  後處理 ⁷。

 

第五章：綜合結論與最終建議

 

5.1 鈦材料等級CNC冷彎性能綜合比較

下表總結了不同等級鈦材料的關鍵機械性能、CNC冷彎可行性、主要挑戰與推薦工法，為工程師和設計者提供一份清晰的決策參考。

材料等級	屈服強度 (MPa)	斷裂伸長率 (%)	CNC冷彎可行性	主要挑戰	推薦工法
Grade 1 (CP)	170	≥24	極佳	極少	冷彎
Grade 2 (CP)	≥240	≥20	優秀	輕微回彈	冷彎
Grade 3 (CP)	≥380	≥18	良好	較高回彈	冷彎
Grade 4 (CP)	≥483	≥15	較差	回彈顯著、易開裂	冷彎（工法精細）、或熱彎
Grade 5 (Ti-6Al-4V)	860∼950	14∼15	極差	嚴重回彈、易開裂/折疊	熱彎
Grade 7 (Ti-0.15Pd)	≥240	≥20	優秀	輕微回彈	冷彎
Grade 9 (Ti-3Al-2.5V)	450∼600	≥15	良好	較高回彈	冷彎
Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI)	795∼860	14∼15	較差	嚴重回彈、易開裂	冷彎（工藝精細）、或熱彎

 

5.2 針對應用場景的選擇建議

基於上述分析，材料與工法的選擇應基於應用需求進行權衡：

• 若應用場景需要極致的成形性、延展性與耐腐蝕性（如板式熱交換器、化工管道），且對強度要求不高，建議選擇純鈦等級中的Grade 1或Grade 2。這兩種材料的冷彎工法簡單可靠，能夠大幅降低製造成本與風險。
• 若需要兼顧中等強度與冷加工性（如航空液壓管路系統、自行車車架），建議選擇Grade 9。該合金是為此類應用量身定制的，其優異的冷加工性使其成為平衡性能與加工效率的理想選擇。
• 若應用場景對材料的強度與輕量化有極高要求（如飛機發動機部件、承重結構件），則必須選擇Grade 5。儘管其冷彎可行性極差，但其卓越的機械性能是不可替代的。此時，應將熱彎視為標準工法，並透過精確控制溫度與保溫時間來確保產品質量。
• 若應用場景需要高強度、高韌性及卓越的生物相容性（如醫療植入物、低溫部件），建議選擇Grade 23。雖然其冷彎工法複雜，但其超低間隙元素的純淨度所帶來的生物相容性與疲勞壽命，使其成為無法取代的關鍵材料。此類應用的加工應嚴格遵循最佳實踐，並採用先進的工法控制技術以避免任何潛在缺陷。

(照片分享: Grade 2彎頭使用於管線系統、化工設備)

 

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