钛(tai)合(he)金挤(ji)压(ya)薄壁(bi)型(xing)材(cai)变曲率(lv)拉弯成(cheng)形(xing)工艺(yi)

钛(tai)及钛合(he)金因(yin)具(ju)有密度(du)小(xiao)、耐热(re)性好(hao)和(he)比强度(du)高等优点,在航空航天、石油(you)化工(gong)、海(hai)洋工(gong)业(ye)以(yi)及(ji)生(sheng)物医学等领(ling)域(yu)得到(dao)广(guang)泛(fan)应(ying)用[1-2]。TC2钛(tai)合(he)金(jin)属(shu)于700MPa等级(ji)的高(gao)塑(su)性近α型钛(tai)合金,在具(ju)有较(jiao)高强度的(de)同时具(ju)有良(liang)好(hao)的(de)塑(su)性,由于合(he)金(jin)成(cheng)分(fen)中(zhong)Al元素的(de)含量(liang)较(jiao)高,因(yin)而具(ju)备(bei)较(jiao)高(gao)的(de)强度(du)和(he)热(re)强(qiang)性(xing),在(zai)热态(tai)和有限冷态下均(jun)展(zhan)现(xian)良(liang)好的(de)成(cheng)形(xing)性(xing)能(neng),主(zhu)要(yao)用(yong)于(yu)板材(cai)结(jie)构(gou)件(jian)、焊(han)接(jie)件(jian)和各种(zhong)导(dao)管的(de)制(zhi)造(zao)[3-5]。钛(tai)合金型(xing)材(cai)属于(yu)具(ju)有特(te)定截面形状(zhuang)的结构(gou)材料(liao),广(guang)泛(fan)应用于(yu)航(hang)空制(zhi)造领(ling)域,主要用于框、梁(liang)、长桁(heng)等零件的(de)制(zhi)造,利用(yong)型材近(jin)净(jing)成形(xing)的(de)特(te)点,可(ke)以显(xian)著提(ti)高(gao)零件的(de)加(jia)工效(xiao)率(lv),降(jiang)低(di)材(cai)料损耗[6-7]。国产(chan)TC2钛合金(jin)薄(bao)壁型材(cai)主(zhu)要(yao)采(cai)用(yong)热(re)挤(ji)压工(gong)艺制备,由(you)于(yu)壁(bi)厚(hou)较薄(bao)且挤(ji)压温(wen)度较高(gao),成形过程(cheng)中(zhong)对于(yu)挤(ji)压(ya)模(mo)具冲刷(shua)强烈(lie),型材受环(huan)境(jing)温(wen)度及润滑(hua)程(cheng)度(du)影(ying)响(xiang)较(jiao)大,导致(zhi)型材成品的(de)尺(chi)寸(cun)精度(du)较(jiao)差,壁(bi)厚(hou)均匀性控(kong)制(zhi)不(bu)够(gou)理想[8],直接(jie)影响后(hou)续成(cheng)形及(ji)加工(gong)过(guo)程。

型材(cai)拉弯(wan)成(cheng)形(xing)是大(da)圆(yuan)周、大曲率(lv)外形(xing)零(ling)件(jian)常(chang)用(yong)的加(jia)工工艺(yi),能够有(you)效控(kong)制零件的成形精度(du),但(dan)是,成(cheng)形过程受(shou)型材截(jie)面(mian)形(xing)状(zhuang)、壁(bi)厚均(jun)匀(yun)性(xing)和回(hui)弹(dan)性(xing)影(ying)响(xiang)较大(da),且(qie)型(xing)材(cai)拉(la)弯(wan)过程中(zhong)应力、应变(bian)分(fen)布(bu)不(bu)均匀(yun),容易导致(zhi)开裂、褶皱(zhou)等(deng)缺(que)陷的产(chan)生[9-11]。本文(wen)选择(ze)截(jie)面形状(zhuang)为等(deng)边L形的国产(chan)TC2钛合(he)金挤压薄壁(bi)型材(cai),采(cai)用(yong)不(bu)同工艺拉(la)弯成形(xing),对(dui)成(cheng)形过程中型(xing)材(cai)表(biao)面状(zhuang)态、回弹等情况(kuang)进行(xing)对(dui)比分(fen)析,同(tong)时,考(kao)虑壁厚尺寸(cun)均(jun)匀(yun)性(xing)对于(yu)拉弯(wan)过程的影响,最(zui)终确定(ding)最(zui)优拉(la)弯成形(xing)工艺。

1、试(shi)验材料及方法

1.1　材(cai)料信(xin)息(xi)及工(gong)艺(yi)要(yao)求(qiu)

对热(re)挤压(ya)工艺制备(bei)的退火(huo)态TC2钛(tai)合金薄壁型(xing)材(cai)进(jin)行(xing)拉弯工艺试验(yan),挤压(ya)成形后采用(yong)手工打磨(mo)方(fang)式对(dui)外(wai)形尺寸进(jin)行(xing)修(xiu)整(zheng)。选取的(de)退(tui)火态TC2钛(tai)合(he)金型材的(de)截面厚(hou)度为(wei)1.6mm,室温力(li)学性能如(ru)表(biao)1所示(shi)(取(qu)样方(fang)向(xiang)为(wei)纵向),尺寸要(yao)求(qiu)及(ji)允许偏(pian)差(cha)如表(biao)2所(suo)示(shi),型(xing)材截(jie)面(mian)形(xing)状及(ji)拉(la)弯(wan)零件(jian)示意(yi)图(tu)如(ru)图(tu)1所示。

1.2　模拟仿(fang)真(zhen)试验

采(cai)用(yong)ABAQUS/explicit对型材(cai)拉(la)弯(wan)成形过(guo)程进行(xing)模拟(ni)仿真(zhen)。

建立的(de)有(you)限元模(mo)型(xing)如(ru)图(tu)2所(suo)示(shi),建模(mo)过程如(ru)下(xia):

(1)使用(yong)CATIA软件绘制模(mo)具及(ji)型材模型(xing),并导(dao)入(ru)ABAQUS中(zhong);

(2)材(cai)料(liao)属(shu)性(xing)设定如图(tu)2a和(he)图(tu)2b所示,对于(yu)TC2钛合金(jin),其(qi)密度(du)为(wei)4550kg·m^-3、屈服(fu)强度(du)为(wei)620MPa、杨(yang)氏模量为45GPa、泊(po)松比(bi)为(wei)0.41;

(3)材料塑性变形过(guo)程模拟如(ru)图(tu)2c所示,选择Johnson-Cook型(xing)本构(gou)模(mo)型(xing),其中(zhong)初始(shi)屈服应(ying)力(li)A=566.9MPa、硬化(hua)模(mo)量(liang)B=496.1MPa、应变(bian)率(lv)系(xi)数C=0.064、硬(ying)化(hua)指(zhi)数(shu)n=0.182[12-13];

(4)拉(la)弯(wan)模(mo)具设计(ji)为刚(gang)体,型(xing)材(cai)与模(mo)具的切(qie)向接(jie)触采用罚函(han)数(shu)法(fa),摩(mo)擦(ca)因(yin)数为(wei)0.1,法(fa)向(xiang)接(jie)触(chu)采(cai)用(yong)硬接(jie)触(chu);

(5)使(shi)用C3D4型网(wang)格(ge)对模(mo)具及(ji)型材(cai)进行(xing)网(wang)格划(hua)分(fen);

(6)分析(xi)步选(xuan)择(ze)为(wei)“动力(li),显(xian)示(shi)”。时(shi)间(jian)长度为0.005s,时间缩放(fang)系数(shu)为1,线(xian)性体积粘性(xing)参(can)数为(wei)0.06,二(er)次(ci)体积(ji)粘性参(can)数为1.2;

(7)场(chang)输(shu)出分别(bie)选择(ze)应力(li)、应(ying)变(bian)、位(wei)移(yi)、作用(yong)力与(yu)接触(chu),输(shu)出(chu)频率选(xuan)择(ze)间(jian)隔(ge)为500的(de)均匀时(shi)间(jian)间(jian)隔输(shu)出(chu);

(8)模拟过(guo)程(cheng)中(zhong),沿型(xing)材(cai)轴向施加(jia)预拉伸力(li)并(bing)保(bao)持稳定,分(fen)别选(xuan)择载(zai)荷(he)为20、23、26和(he)29MPa进(jin)行模(mo)拟(ni)试(shi)验(yan);

(9)模拟(ni)过(guo)程中,模(mo)具(ju)完(wan)全(quan)固定(ding),通过控(kong)制端头(tou)的轨(gui)迹运动(dong)模拟(ni)型材(cai)拉弯过程(cheng),以拉(la)弯过程(cheng)中的应(ying)力、应(ying)变情(qing)况作为分析对象。

1.3　拉弯(wan)验(yan)证(zheng)试验(yan)

选择4根(gen)型材(cai)开(kai)展拉(la)弯工(gong)艺验(yan)证试(shi)验,使(shi)用数(shu)显游标卡(ka)尺在每根型材上每(mei)隔10mm测(ce)量1次(ci)腹(fu)板与(yu)缘板的(de)壁厚(hou)尺寸,测量精(jing)度为0.01mm。型(xing)材(cai)拉(la)弯使(shi)用ПГР-7M型(xing)250 kN拉弯机,按(an)照单(dan)件长度(du)为(wei)2700mm切(qie)取(qu)型材坯(pi)料(liao),根(gen)据零件(jian)图纸要(yao)求刻(ke)划弯边高度(du)线,使用(yong)普(pu)通(tong)立式铣(xi)床(chuang)铣(xi)切弯边,尺寸公差(cha)为0~0.5mm。拉弯成形(xing)过程采用(yong)预(yu)拉伸和两(liang)次(ci)冷 拉(la)弯(wan)相(xiang)结合(he)的(de)方式,通过(guo)预(yu)拉(la)伸(shen)过(guo)程(cheng)使(shi)型(xing)材产生(sheng)一(yi)定(ding)的(de)预(yu)拉(la)伸变(bian)形量,然后(hou)再(zai)分别(bie)按(an)照(zhao)模具(ju)形(xing)状(zhuang)成(cheng)形(xing)出大(da)曲率半(ban)径和局(ju)部(bu)小(xiao)曲率(lv)半(ban)径。型材拉弯(wan)试验(yan)参(can)数如(ru)表3所(suo)示(shi)。

选择(ze)不同的预(yu)拉伸力(li)、1次(ci)冷(leng)拉(la)伸力(li)和2次冷(leng)拉伸(shen)力对(dui)型(xing)材(cai)进行拉(la)弯成形(xing),成(cheng)形(xing)后测量(liang)拉弯件缘(yuan)板内(nei)轮(lun)廓与(yu)拉弯(wan)模(mo)具之间(jian)的(de)间隙(xi),并(bing)研(yan)究型(xing)材(cai)尺(chi)寸(cun)均匀(yun)性(xing)及(ji)成(cheng)形工(gong)艺参数对拉(la)弯(wan)成形(xing)后(hou)开裂(lie)、褶皱和回(hui)弹等(deng)质量(liang)问(wen)题的(de)影(ying)响,确(que)定(ding)最优拉弯工艺(yi)。

2、试(shi)验(yan)结果(guo)分(fen)析及(ji)讨(tao)论(lun)

2.1　模(mo)拟(ni)仿(fang)真(zhen)试(shi)验结(jie)果分(fen)析

选择(ze)1次(ci)冷(leng)拉伸力(li)分别为20、23、26和29MPa进(jin)行(xing)模(mo)拟仿真试验,最大应力(li)和(he)等(deng)效应变(bian)结果(guo)分(fen)别如(ru)图3和图4所示(shi)。

由(you)仿真试(shi)验(yan)结果(guo)可知,拉(la)伸过程中(zhong)型材(cai)腹板(ban)内侧(ce)应力(li)集中较(jiao)为明(ming)显,由(you)于(yu)型材中心始终(zhong)保(bao)持(chi)与(yu)模具(ju)贴(tie)合,因此,最大(da)应(ying)力出现在中心(xin)点(dian)两侧(ce)的拉(la)弯主(zhu)要(yao)变形(xing)区(qu)域。1次冷拉(la)伸(shen)力在(zai)20、23、26和(he)29MPa间逐渐(jian)增(zeng)大的过(guo)程中(zhong),腹(fu)板(ban)变(bian)形(xing)最(zui)大应(ying)力(li)呈现(xian)出先下(xia)降后升(sheng)高(gao)的(de)趋(qu)势(shi),其(qi)对(dui)应情(qing)况如(ru)图(tu)5所(suo)示。

分(fen)析图(tu)5可知(zhi):当(dang)1次(ci)冷拉伸力为20MPa时(shi),最大(da)应(ying)力达到(dao)峰(feng)值1135MPa,型材(cai)拉(la)弯(wan)过(guo)程中(zhong)将受(shou)到(dao)较(jiao)大的(de)变(bian)形(xing)抗力,可能(neng)引起(qi)较(jiao)为(wei)严(yan)重的回(hui)弹(dan);当(dang)1次(ci)冷拉伸力(li)为(wei)23MPa时,最大(da)应力为(wei)最低值1116MPa,由(you)于(yu)国(guo)产型(xing)材的(de)尺寸精(jing)度较差,厚度分(fen)布不(bu)均(jun)匀,在较(jiao)低(di)的变(bian)形(xing)阻力下(xia)可能(neng)产生(sheng)不均匀褶皱(zhou)现象(xiang);当1次(ci)冷拉伸(shen)力为26和(he)29MPa时(shi),最大应力分别(bie)为(wei)1119和1126MPa,其(qi)拉(la)伸变形(xing)情(qing)况(kuang)可通过后续拉弯(wan)试(shi)验予以(yi)验(yan)证(zheng)和分(fen)析。

2.2　拉(la)弯(wan)验(yan)证试(shi)验结(jie)果(guo)分析(xi)

2.2.1　壁(bi)厚(hou)尺寸测(ce)量(liang)结(jie)果(guo)分析

考(kao)虑(lv)型材(cai)壁(bi)厚(hou)尺(chi)寸均(jun)匀(yun)性对(dui)拉(la)弯(wan)成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)有(you)着直接(jie)影响(xiang),对(dui)4根(gen)型(xing)材的(de)壁厚(hou)尺寸(cun)进行了详(xiang)细测(ce)量(liang),测(ce)量结果(guo)如图(tu)6所示。由于型材(cai)挤(ji)压成形后采用手(shou)工(gong)打磨(mo)的方式(shi)对(dui)外(wai)形和壁厚进行修(xiu)整(zheng),其壁厚(hou)尺寸的(de)波动(dong)性较(jiao)大,存(cun)在(zai)局(ju)部(bu)壁厚(hou)尺寸(cun)偏小(xiao)、均匀(yun)性(xing)较差(cha)等问题。

2.2.2　预(yu)拉(la)伸(shen)及(ji)1次冷拉(la)伸(shen)试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)分(fen)析

对(dui)于(yu)1号型(xing)材,根(gen)据(ju)尺(chi)寸(cun)测(ce)量结果可知(zhi)其壁厚最薄处(chu)仅(jin)为1.39mm,为确保(bao)1次冷(leng)拉(la)伸(shen)成(cheng)形(xing)合格率(lv),预(yu)拉伸(shen)力(li)以及1次冷拉伸(shen)力均(jun)选(xuan)择20MPa,预(yu)拉(la)伸变(bian)形量为0.8%,控制(zhi)拉弯(wan)变形速度(du),使其(qi)逐步(bu)缓慢(man)成(cheng)形(xing),成(cheng)形(xing)过程中(zhong)最大拉(la)力降(jiang)至(zhi)18MPa,直至(zhi)最(zui)终(zhong)卸(xie)载(zai),取下(xia)型材(cai)目(mu)视(shi)检(jian)查(cha)未(wei)发现(xian)裂纹和褶(zhe)皱(zhou),但(dan)该型材(cai)出现(xian)明显回(hui)弹,未(wei)成(cheng)形到位(wei)。

对于(yu)2号(hao)型材,其(qi)缘板壁(bi)厚测量(liang)值波(bo)动(dong)较大,壁厚(hou)最薄处仅为(wei)1.42mm,最厚处(chu)达到1.84mm,为(wei)保(bao)证(zheng)成(cheng)形后(hou)的(de)尺寸并降(jiang)低(di)回弹(dan),预拉伸(shen)力(li)和1次(ci)冷拉伸(shen)力(li)均(jun)选择(ze)23MPa,预(yu)拉伸(shen)变(bian)形量为(wei)0.9%,控制(zhi)型材(cai)冷变(bian)形速(su)度,使(shi)其逐(zhu)步缓(huan)慢成形(xing)直(zhi)至最(zui)终卸载,取下(xia)型材(cai)目(mu)视(shi)检(jian)查(cha)未(wei)发现裂(lie)纹(wen),但局(ju)部(bu)出现(xian)褶(zhe)皱现象(xiang)。

对于3号(hao)型(xing)材,其缘板壁厚测(ce)量值均接近指(zhi)标上公(gong)差(cha)。考(kao)虑其(qi)壁(bi)厚较(jiao)厚且(qie)尺寸(cun)均匀(yun)性(xing)较(jiao)好(hao),为(wei)进一步(bu)避(bi)免成形(xing)后(hou)起(qi)褶(zhe),预(yu)拉伸(shen)力(li)和1次(ci)冷拉伸力(li)均(jun)选择(ze)26MPa,预拉伸(shen)变(bian)形(xing)量(liang)为(wei)1.0%,缓慢(man)成形(xing)直(zhi)至(zhi)最终卸载,取(qu)下(xia)型(xing)材(cai)目(mu)视检(jian)查未(wei)发现(xian)裂(lie)纹(wen)和起(qi)皱(zhou)。对(dui)于(yu)4号型材,其壁厚(hou)测量(liang)值均(jun)符(fu)合表(biao)2的尺(chi)寸(cun)及公差(cha)要(yao)求(qiu),尺(chi)寸均匀(yun)性较好(hao),因(yin)此(ci),进一(yi)步提高预拉伸力(li)和(he)1次(ci)冷拉伸(shen)力(li)至29MPa,预(yu)拉(la)伸(shen)变(bian)形量为(wei)1.5%,缓(huan)慢成(cheng)形(xing)直(zhi)至最(zui)终卸(xie)载(zai),取(qu)下型(xing)材目视检(jian)查未(wei)发(fa)现(xian)裂纹(wen)、起皱和(he)明(ming)显回弹(dan),一次(ci)成形良(liang)好(hao)。

2.2.3　2次(ci)冷(leng)拉(la)伸(shen)试(shi)验结(jie)果分(fen)析

对1次冷(leng)拉成(cheng)形后(hou)的(de)型材进(jin)行(xing)局部小曲率(lv)半(ban)径(jing)2次(ci)拉(la)弯(wan),成形至最(zui)终(zhong)尺寸。为避免型(xing)材在2次冷拉弯过(guo)程(cheng)中出(chu)现(xian)断裂,确保拉弯成形的合(he)格(ge)率(lv),尽(jin)量(liang)降低(di)2次冷拉伸(shen)力(li),设定(ding)的2次冷(leng)拉(la)伸(shen)力为15MPa,拉(la)弯成形后(hou)的实物图如(ru)图(tu)7所示。1号(hao)型材由(you)于(yu)第(di)1次(ci)冷拉伸后存(cun)在(zai)较(jiao)为明显(xian)的回(hui)弹,第(di)2次冷拉(la)伸后未成(cheng)形(xing)到(dao)位(wei)。2号(hao)型(xing)材成(cheng)形效果(guo)稍好,但(dan)存在局部(bu)褶(zhe)皱(zhou)。3号、4号型材(cai)均(jun)能够拉弯成形至(zhi)最终(zhong)尺寸(cun),但(dan)4号(hao)型材(cai)表面存(cun)在局(ju)部褶(zhe)皱(zhou),3号型材的(de)贴模(mo)程度高(gao)、表(biao)面无褶皱。

对(dui)拉弯(wan)成形后(hou)的(de)型材(cai)进行成形(xing)尺(chi)寸精度分析(xi),拉弯(wan)试(shi)验件(jian)缘板(ban)内轮(lun)廓(kuo)与(yu)拉(la)弯(wan)模(mo)具(ju)之(zhi)间(jian)的(de)间(jian)隙(xi)测(ce)量(liang)示意(yi)图(tu)如(ru)图(tu)8所(suo)示,其中,R0,R13,R-13为测(ce)量(liang)点编号,按-13,-12,-11,…,0,…,11,12,13顺(shun)序编号(hao),R13和(he)R-13为(wei)型(xing)材(cai)边(bian)缘(yuan),与模具(ju)间(jian)隙最(zui)大(da),R0为型(xing)材中(zhong)间,与模(mo)具间(jian)隙(xi)最(zui)小。

间(jian)隙(xi)测(ce)量结(jie)果如(ru)图(tu)9所示。1号型(xing)材的回(hui)弹较大(da),其(qi)缘(yuan)板靠(kao)近(jin)拉(la)弯夹持(chi)端(duan)的(de)内轮(lun)廓与拉弯模(mo)具之(zhi)间的间(jian)隙尺寸(cun)较大,局(ju)部(bu)间隙甚(shen)至(zhi)超(chao)过150mm,无(wu)法(fa)通过(guo)后(hou)续(xu)真空(kong)热校形(xing)进(jin)行(xing)修(xiu)整。2号(hao)、3号(hao)和(he)4号型材的(de)回弹相(xiang)对较(jiao)小,其缘板(ban)内轮(lun)廓(kuo)与(yu)拉弯(wan)模(mo)具之(zhi)间的(de)间隙(xi)较小(xiao),最(zui)终成(cheng)形(xing)零件与模具(ju)的贴(tie)合度(du)较(jiao)好。

3、结(jie)论(lun)

(1)采(cai)用热(re)挤(ji)压(ya)工艺(yi)制备(bei)的国(guo)产(chan)TC2钛(tai)合(he)金(jin)薄壁(bi)型(xing)材(cai)拉弯成(cheng)形(xing)工(gong)艺窗(chuang)口(kou)较(jiao)窄,选(xuan)择(ze)较(jiao)小的预(yu)拉(la)伸(shen)力(li)和1次(ci)冷拉(la)伸力(li)可(ke)以(yi)避免型(xing)材拉(la)弯(wan)过(guo)程中发生(sheng)断(duan)裂,但是(shi)增(zeng)大(da)了(le)型(xing)材(cai)成形后(hou)发(fa)生回(hui)弹(dan)和起(qi)褶(zhe)的风险(xian),不(bu)利(li)于最(zui)终成(cheng)形。

(2)当(dang)预(yu)拉(la)伸力(li)和(he)1次冷(leng)拉(la)伸力(li)为(wei)23~29MPa时,预拉伸(shen)变(bian)形(xing)量(liang)在0.9%~1.5%之间(jian),2次(ci)冷拉(la)伸(shen)力(li)为(wei)15MPa时(shi),型(xing)材成形良好,未(wei)出现(xian)开(kai)裂(lie)、局部褶(zhe)皱(zhou)和回(hui)弹(dan)等严(yan)重(zhong)缺(que)陷(xian)。

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