大型復(fù)雜鈦合金邊梁零件熱成形工藝研究

首都航天機(jī)械公司 王大剛 賈春莉 楊 微 梁 闊 王景苑 房玉華

鈦合金結(jié)構(gòu)零件因其重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無(wú)磁性、可焊接等優(yōu)異的綜合性能，首先在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)翼蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、機(jī)身的框梁等。最近幾年鈦合金在航天器以及導(dǎo)彈中也被大量應(yīng)用。但鈦合金材料冷成形時(shí)的塑性變形能力差、成形抗力較大、回彈嚴(yán)重，常溫成形困難，一般采用熱成形制造鈦合金鈑金結(jié)構(gòu)件。熱成形是充分利用鈦合金材料在加熱狀態(tài)下的軟化與蠕變性能，提高塑性，以降低成形力和改善成形性、避免開(kāi)裂、減少回彈。加熱成形是目前鈦及鈦合金零件成形的主要方法[1]。

采用有限元法可在試驗(yàn)之前對(duì)影響熱成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，估算板料在成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變的變化及分布，所需成形的載荷情況；也可預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的起皺、破裂及隨后的回彈等缺陷；可以比較準(zhǔn)確地分析各種工藝參數(shù)對(duì)熱成形過(guò)程的影響，因此越來(lái)越多地應(yīng)用于工程實(shí)踐中[2-3]。

1 零件成形性分析

邊梁零件用于某型號(hào)航天飛行器中，該零件左右對(duì)稱，采用TC4鈦合金材料，壁厚2mm，其長(zhǎng)度達(dá)2.2m，在零件中部彎曲過(guò)度，兩側(cè)邊存在扭曲，屬于大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，如圖1所示。零件成形難度主要有兩點(diǎn)：一是側(cè)壁在零件中部彎曲部位出現(xiàn)褶皺，此部位在成形過(guò)程中受到兩側(cè)壓應(yīng)力作用，材料容易在此堆積而出現(xiàn)褶皺；二是側(cè)壁存在回彈，其兩側(cè)壁受其他部位約束少，在熱狀態(tài)下，由于受模具的限制能夠保持型面，而當(dāng)零件從模具中取出后，在降溫過(guò)程中兩側(cè)壁呈自由狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放，因此會(huì)呈現(xiàn)不同程度的回彈，最終導(dǎo)致產(chǎn)品型面尺寸精度較差。因此為得到尺寸精度高、表面質(zhì)量好的零件，先采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化及模具回彈補(bǔ)償量計(jì)算，然后設(shè)計(jì)制造模具，最終成形出合格零件。

圖1 邊梁模型及尺寸Fig.1 Model and size of beam

2 有限元數(shù)值模擬

由于擬定的實(shí)際加工環(huán)境為恒溫環(huán)境，在數(shù)值模擬中不考慮因溫度差而產(chǎn)生的溫度場(chǎng)，溫度的改變對(duì)成形的影響由改變材料模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，幾何模型的尺寸根據(jù)實(shí)際材料的熱膨脹量而調(diào)整。

2.1 模型的建立

采用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA建立凸模、凹模和板料模型，然后將模型導(dǎo)入ABAQUS，假定模具為剛體，板料則為可變性殼體，并對(duì)凸凹模及板料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，板料單元類型采用四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元S4R，最終得到的模型如圖2所示。

2.2 材料模型

材料模型參數(shù)由高溫單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果給出，其中材料密度為4.5g/cm3，泊松比為0.3。

2.3 邊界條件及接觸定義

圖2 熱成形幾何模型Fig.2 Geometric model of hot forming

對(duì)凹模施加固定約束，凸模施加位移約束。設(shè)定板料為接觸變形體，模具為離剛體，板料和模具間為干摩擦，符合庫(kù)倫摩擦定理，材料和模具之間不能穿透[4-5]。

2.4 模擬結(jié)果

針對(duì)影響成形的工藝參數(shù)，包括凸模摩擦系數(shù)、凹模圓角半徑、凸凹模間隙、成形溫度，以材料的減薄率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)方案，試驗(yàn)計(jì)劃表如圖3所示，對(duì)電纜罩不同工藝參數(shù)下的成形過(guò)程進(jìn)行了有限元分析。

圖3 正交試驗(yàn)方案表Fig.3 Orthogonal test table

以減薄率為設(shè)計(jì)目標(biāo)得到正交實(shí)驗(yàn)極差結(jié)果，極差結(jié)果顯示出各因素對(duì)成形減薄率的影響程度的大小，其中成形溫度對(duì)減薄率的影響最大，其次為凹模圓角半徑，凸模摩擦系數(shù)和凸凹模間隙影響差不多。通過(guò)對(duì)幾種模擬結(jié)果的分析及權(quán)衡，最終選定的工藝參數(shù)如下：溫度700℃、凸凹模間隙1.1t、凹模圓角半徑為5mm、凸模摩擦系數(shù)0.2，此工藝參數(shù)下模擬結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出在零件中部彎曲位置的側(cè)壁出現(xiàn)了褶皺，褶皺雖然處于零件工藝余量上，但是會(huì)對(duì)零件本身產(chǎn)生影響，因此為了避免此位置起皺，下料時(shí)在此位置開(kāi)出一缺口。從Mise應(yīng)力圖上可以看出，最大應(yīng)力主要集中在兩彎曲邊根部，而從壁厚分布圖上可以看出，成形后零件壁厚均勻，減薄量很小，最大減薄量為3%，總體成形效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Results of numerical simulation

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 工藝方案制定

通過(guò)有限元數(shù)值確定的工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)選取成形溫度700℃，成形壓力55t，保溫保壓5min，實(shí)驗(yàn)在1200t精密熱成形機(jī)上進(jìn)行。結(jié)合數(shù)值模擬得出的凸凹模間隙及模具回彈補(bǔ)償量，并考慮模具材料及鈦合金的熱膨脹系數(shù)，設(shè)計(jì)并制造模具，模具三維模型如圖5所示。

圖5 模具三維模型Fig.5 3D model of mould

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在數(shù)值模擬給定的毛料基礎(chǔ)上，在模擬結(jié)果中起皺位置開(kāi)缺口，在模具上面涂覆氮化硼做為潤(rùn)滑劑，然后進(jìn)行試驗(yàn)，成形后的零件如圖6所示，從圖中可以看出，零件表面質(zhì)量好，不存在起皺。

圖6 成形后的邊梁零件Fig.6 Beam part after hot forming

在零件上選取了7個(gè)典型截面，并制造了切面內(nèi)樣板，對(duì)成形的4個(gè)零件型面進(jìn)行檢驗(yàn)，分別記錄了零件7個(gè)不同截面位置直邊和斜邊與樣板的間隙，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出成形的零件精度較高，與樣板最大間隙為0.2mm，證明選取的工藝參數(shù)合理。

表1 零件與樣板間隙實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）進(jìn)行熱成形有限元數(shù)值模擬能科學(xué)快捷地預(yù)測(cè)成形缺陷、優(yōu)化模具型面與工藝參數(shù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)TC4鈦合金復(fù)雜邊梁零件的熱沖壓成形工藝仿真, 獲得了合理的模具設(shè)計(jì)依據(jù)及工藝參數(shù)，具有很大的參考價(jià)值。

（2）通過(guò)試驗(yàn)研究及工藝優(yōu)化，獲得了TC4鈦合金邊梁零件熱成形工藝參數(shù)，并且通過(guò)毛料形狀優(yōu)化，消除了零件起皺，對(duì)此類零件的成形具有指導(dǎo)意義。

[1] 理有親,林兆榮,陳春奎,等. 鈦板沖壓成形技術(shù). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1986.

[2] 楊偉俊,李東升,李小強(qiáng),等.復(fù)雜形狀鈦合金熱成形零件工藝仿真及參數(shù)優(yōu)化研究.塑性工程學(xué)報(bào),2009,16(1)：42～46.

[3] 張濤, 李琦, 何露,等. TC2 鈦合金異型件熱成形工藝研究.航空制造技術(shù),2011,16：57～59.

[4] 郭天文. TC4 鈦合金板材熱拉深成形數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2008：17～34.

[5] 徐清華. TC4 合金大型筒構(gòu)件成形工藝 的數(shù)值模擬研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2012：24～25.