張 志 ,李鵬亮 , 孫 賓 ,李均紅
(1. 中國航空制造技術研究院,北京100024;2.塑性成形技術航空科技重點實驗室,北京100024;3.數(shù)字化塑性成形技術及裝備北京市重點實驗室,北京100024;4.四川成發(fā)航空科技股份有限公司,成都 610503)
鈦合金板材常溫下屈強比(σ0.2/σb)大,彈性模量小,成形時其塑性變形范圍窄,回彈大,表現(xiàn)為易開裂、零件尺寸精度難于控制。通常需要在550~750℃的高溫下成形(簡稱熱成形)[1]。熱成形是利用金屬材料加熱軟化,以降低板料的變形抗力,提高板料在成形過程中所能達到的變形程度,減少彈性回彈,提高零件的成形精度[2]。目前,國外航空航天工業(yè)中,鈦合金鈑金件90%以上是用熱成形工藝制造的[3]。
Luo[4]和Yin[5]等采用數(shù)值模擬技術探討了壓邊力、溫度和成形速度等對TC1鈦合金薄板熱拉深成形工藝的影響;張凌云等[6]對TC1M鈦合金板材600℃溫度下杯形件拉深成形及回彈過程進行了研究,結果顯示熱拉深能有效地抑制卸載回彈;郭天文[7]采用數(shù)值模擬和試驗研究了溫度、應變速率、壓邊間隙和摩擦系數(shù)對TC4鈦合金板材熱拉深的影響;徐萌萌[8]在此基礎上對TC1、TA15鈦合金板材的成形性能進行了詳細的研究。本文根據(jù)某型TC1鈦合金端蓋零件薄壁、大拉深比的結構特點,基于試驗研究,分析影響其成形過程和成形質量的關鍵因素,為解決類似零件的成形起到一定的指導作用。
圖1 端蓋零件及基本尺寸Fig.1 Structure of the part and its dimensions
端蓋零件的形狀及基本尺寸如圖1所示,材料為TC1鈦合金,厚度為1.0mm,要求零件外觀光亮,無劃傷、起皺及氧化現(xiàn)象;同時,由于零件的圓周及底部需焊接零件,對成形后零件的尺寸公差和位置精度要求較高。如果采用棒料或管材車削加工,零件壁厚太小,加工過程容易變形。采用板材熱拉深時外觀質量差且尺寸難以保證,因此需要對端蓋零件的熱成形工藝進行研究。
從零件幾何特點分析,熱成形過程實際為板料在熱狀態(tài)下的拉深成形,其成形難點在于,首先是材料厚度為1.0mm,底部圓角為R=3mm,彎曲半徑為3倍料厚,航空材料手冊要求彎曲半徑不小于4倍料厚;其次,端蓋零件屬于深拉深件,零件直徑為274mm,高度為62mm??紤]到熱拉深工藝的特點,要保證零件的最終高度同時考慮到后續(xù)工序留工藝余量,半成品的拉深高度應大于80mm,經計算拉深系數(shù)為1.62,已接近所用材料的拉深極限,屬于大拉深比零件,在成形過程中容易在圓角處產生破裂現(xiàn)象。
此外端蓋零件底部需要焊接加強框零件,對底部的平面度要求較高。在以往的生產過程中,鈦合金拉深零件與模具之間存在摩擦力,采用手工撬取的方法會導致零件底面在脫模過程容易產生翹曲變形,造成平面度不符合設計要求。
TC1(Ti-2Al-1.5Mn)鈦合金是一種低合金化的(α+β)兩相組織鈦合金,主要合金元素為α相穩(wěn)定元素Al和β相穩(wěn)定元素Mn,具有良好的成形性能、焊接性能和工藝性能[9]。試驗選用的退火態(tài)的TC1板材,實測厚度為1.05~1.06mm,其化學成分見表1。
表1 TC1鈦合金的化學成分(質量分數(shù)) %
圖2 模具結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mould structure
采用帶壓邊圈的拉深模具在RX-1上進行拉深試驗,模具材料選擇不銹鋼1Cr18Ni9Ti,拉深模具采用倒裝式結構(圖2),通過調節(jié)壓邊圈與凹模之間的間隙來調節(jié)拉深過程的壓邊力,利用油壓頂緊凹模與壓邊圈,通過調節(jié)上下缸的油壓實現(xiàn)不同速度的拉深。
熱成形模具應根據(jù)零件的特點、要求和批量來選用不同的材料。前期的研究表明,不銹鋼1Cr18Ni9Ti在高溫下抗氧化性能好,并且高溫下的屈服強度仍可滿足壓力加工的需求[10],因此本文選擇了不銹鋼1Cr18Ni9Ti作為模具材料。在前期工藝試驗中,當拉深高度接近拉深極限時,筒壁會出現(xiàn)拉傷(圖3(a)),后期雖經簡單打磨處理但拉傷嚴重部位仍無法消除(圖3(b));若通過打磨完全去除拉傷部分,零件的最小壁厚已低于0.85mm,無法滿足設計要求。經查閱相關文獻[11],1Cr18Ni9Ti在高溫下易與TC1發(fā)生焊合作用而導致零件擦傷,進而導致零件報廢;此外,1Cr18Ni9Ti材質較軟,零件拉深過程中易變形而導致壓邊力不均勻造成零件起皺。因此,1Cr18Ni9Ti適合淺拉深零件,對深拉深不利。
圖3 零件側壁出現(xiàn)拉傷Fig.3 Abrasive damage of the part
最終改用中硅鉬球墨鑄鐵作為模具材料。該種材料在中硅球鐵中加入合金元素鉬后,鉬固溶于鐵素體中,其固溶強化作用,同時可以促進石墨化,細化石墨和基體組織,這可以提高鑄鐵的常溫機械性能,特別是提高了高溫機械性能(即紅硬性)。同時,相對于昂貴的耐熱合金,中硅鉬球墨鑄鐵加工容易,模具的成本和周期均適應成形溫度不高、小批量零件的生產。模具材料采用中硅鉬球墨鑄鐵,成形后的零件經過簡單打磨,在壁厚滿足要求的前提下,外觀質量合格(圖4)。
溫度是影響鈦合金成形性能的主要因素,隨著溫度的升高,鈦合金板料的塑性成形能力增強,有利于提高拉深系數(shù);但同時材料的厚向異性指數(shù)減小,板材在厚度方向的變形越來越容易,拉深過程中危險截面處減薄量增加,圓角處易于破裂。因而鈦合金的成形溫度并非越高越好,應綜合考慮上述因素。
試驗過程中首先固定工藝參數(shù)(壓邊間隙為1.15mm,拉深速度為30mm/min),來研究不同溫度對拉深結果的影響。試驗表明,在600~700℃之間均可拉深出表面質量合格的端蓋零件,但零件的減薄位置由凸模圓角區(qū)過渡到凹模圓角與筒壁連接處,零件的最小壁厚也是不斷變化的。為此本文選用了600℃、625℃、650℃、675、700℃進行拉深試驗,使用超聲測厚儀測量了成形后端蓋零件各部位的壁厚(圖5),取最小值進行對比,如圖6所示。
圖4 打磨完表面合格的零件Fig.4 Part with good surface quality after sanding
圖5 零件各處壁厚檢測示意圖Fig.5 Scheme of the part wall thickness measurement
圖6 不同溫度下零件最小壁厚Fig.6 Wall thickness at elevated temperatures
可見零件的最小壁厚數(shù)值隨著溫度的升高先增大后減小,最大值出現(xiàn)在625℃,此時最小壁厚為1.02mm,最接近原始板材厚度(1.05~1.06mm),完全滿足設計要求。這是因為在該溫度下,TC1的延伸率約為140%,但抗拉強度仍有183MPa,在拉深過程中可以有效地抵抗徑向變形,從而防止危險截面嚴重破壞。因此,最終選用的成形溫度為(620±10)℃。
在鈦合金拉深成形過程中,壓邊間隙對成形質量有一定的影響。如果間隙過小,材料與模具之間的摩擦力增大從而增加筒壁的拉應力,引起零件筒壁的過度減薄,并且容易在成形件表面形成劃痕,增加打磨處理工序;間隙過大法蘭部分易起皺,此時法蘭部分材料不容易進入變形區(qū),易導致圓角部分減薄。因此,本文選擇在620℃,壓邊間隙依次為1.1mm、1.15mm、1.2mm、1.25mm、1.3mm進行了拉深試驗,測試了不同壓邊間隙對零件最小壁厚的影響。
圖7 不同壓邊間隙時零件圓角位置的最小壁厚Fig.7 Minimum wall thickness of the corner area at different blank holder gaps
圖8 不同壓邊間隙時零件Fig.8 Parts at different blank holder gaps
從圖7可以看到,最小壁厚隨著壓邊間隙的增大先變大后變小,當壓邊間隙為1.1mm和1.15mm時,最小壁厚從0.96mm增加到0.98mm,但成形件表面有嚴重劃傷(圖8(a)),經打磨處理后最小壁厚減小到0.92mm,無法滿足后續(xù)旋壓收口工序;當壓邊間隙在1.3mm時,法蘭部分起皺比較嚴重(圖8(b)),此時最小壁厚出現(xiàn)在測量點4(圖5),數(shù)值為0.93mm,同樣無法滿足后續(xù)工序。但壓邊間隙選擇1.2mm和1.25mm時,成形零件表面只有輕微的劃傷(圖8(c)),經打磨處理后最小壁厚約為1.0mm,完全滿足后續(xù)加工要求。因此,選擇壓板間隙為1.2mm和1.25mm,可以成形出質量較好的端蓋零件。這是因為當壓邊間隙在1.2mm以下時,板料法蘭部位的材料在流向直筒變形區(qū)受阻,塑性變形區(qū)主要集中在壓邊間隙處的材料,凹模圓角處不能持續(xù)得到補充材料,拉深過程中圓角部位材料會減??;當壓邊間隙在1.25mm以上時,由于間隙較大,法蘭部位容易起皺,當起皺較為嚴重時法蘭部分材料不能進入筒形變形區(qū),同樣圓角部位材料也會減薄。因此,過大或者過小的壓邊間隙均不利于材料的熱拉深成形。因此在壓邊間隙為1.2mm和1.25mm時,板材的法蘭部位材料流入變形區(qū)的阻力降低,且壓邊力足夠防止法蘭部分材料起皺,成形出的零件尺寸和表面質量較好。
鈦合金屬于應變速率敏感材料,應變速率越低,越有利于板材的成形。但大的應變速率有利于提高生產效率。因此,選擇既能滿足工藝要求又能提高生產效率的拉深速度至關重要。
試驗過程固定其他工藝參數(shù)(溫度為(620±10)℃,壓邊間隙為1.2mm),設定拉深速度為10mm/min、30mm/min、60mm/min、100mm/min。結果表明,采用 10mm/min和30mm/min進行拉深時,可獲得壁厚和表面質量均符合要求的零件;采用60mm/min進行拉深時,零件的最小壁厚約為0.92mm,考慮到后續(xù)工序,可能無法滿足最終零件壁厚不低于0.90mm的要求;當拉深速率提高到100mm/min時,當拉深進行到一半時便發(fā)生斷裂,拉深無法繼續(xù)。因此,綜合考慮實際需求,選擇合理的拉深速度≤30mm/min。
在拉深成形過程中,由于模具材料與成形的金屬板材之間的熱膨脹系數(shù)差異,材料成形完成后冷卻過程中,模具和成形的零件的收縮量不同,導致模具和零件之間有較大的相互作用力,在零件出模時產生了很大的摩擦力,零件脫模困難,通常是在模具型腔內部和板料表面涂潤滑劑,拉深成形后采用手工撬取的方法脫模。由于施加的力量過大,過于集中,往往導致零件變形,表面劃傷甚至報廢。
為此對模具結構進行改造,在凸模中心增加專用氣道。通過設計的專用氣道,向模具腔體內通入持續(xù)的壓縮空氣,在對模具或零件進行強制冷卻的同時,通過均勻分布在型腔內的氣壓產生向上的壓力,將零件吹出模具型腔。氣壓的作用可以產生向上的脫模力,使零件發(fā)生彈性變形減少與模具的接觸面積,從而使零件與模具的摩擦力降到最低。通過這種氣壓脫模方法,既可以降低脫模阻力,又可以使零件受力均勻,將零件變形降到最低。
結合上述改進措施,采用圖9所示的拉深模具,熱成形出了合格的進/出口端蓋毛坯件零件底部平面度小于0.05mm(圖10)。
設計了一套帶壓邊圈的拉深試驗裝置,通過試驗闡述了模具材料、溫度、壓邊間隙、拉深速度等對成形性能的影響,解決了零件取件底部平面度不滿足要求的問題,得出如下結論:
圖9 改進后的拉深模具示意圖Fig.9 Schematic diagram of improved deep-drawing mould
圖10 合格的端蓋零件Fig.10 Qualified part
(1)熱拉深模具材料選擇中硅鉬球墨鑄鐵優(yōu)于 1Cr18Ni9Ti,成形溫度為(620±10)℃,壓邊間隙1.20~1.25mm,拉深速度不大于30mm/min,可以實現(xiàn)滿意的拉深結果。
(2)改進了模具結構,通過設計專用氣道,采用空氣脫模的方式可實現(xiàn)筒底平面度小于0.05mm,為類似零件的取件提供了工藝參考。
參 考 文 獻
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