TA15鈦合金異形曲面鈑金件熱壓成形工藝

劉 奇 李保永 秦中環(huán) 李 信 杜昊龍

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TA15鈦合金異形曲面鈑金件熱壓成形工藝

劉 奇 李保永 秦中環(huán) 李 信 杜昊龍

（北京航星機(jī)器制造有限公司，北京100013）

分析了某大尺寸TA15鈦合金異形曲面鈦合金鈑金件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并進(jìn)行成形工藝分析，制定了先熱壓預(yù)成形主體型面后熱壓校形折彎角小于90°折彎邊的工藝方案。通過(guò)有限元分析軟件FormingSuite進(jìn)行熱壓成形模擬，預(yù)估了易出現(xiàn)褶皺缺陷區(qū)域并提出坯料邊緣開工藝豁口解決方案；生成了毛坯并通過(guò)優(yōu)化得出最終下料尺寸。進(jìn)行了預(yù)成形及終校形模具設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)獲得了主體型面與檢測(cè)樣板間隙小于1mm、帶曲率折彎邊無(wú)褶皺、前側(cè)折彎角約85°折彎邊成形到位的鈑金件。試驗(yàn)證明FormingSuite有限元分析對(duì)鈦合金鈑金件熱壓成形工藝研究具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，先熱壓預(yù)成形主體型面后熱壓終校形工藝方案可行。

TA15鈦合金；熱壓成形；FormingSuite；有限元分析；模具設(shè)計(jì)；異形曲面鈑金件

1 引言

隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，鈦合金被廣泛應(yīng)用于飛行器制造方面。鈦合金具有比強(qiáng)度高、比剛性高、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)[1，2]。目前，部分飛行器用鈦合金鈑金件具有型面復(fù)雜、尺寸精度要求高的特點(diǎn)，且鈦合金板材室溫狀態(tài)具有以下特點(diǎn)[3]：強(qiáng)度較高（、），厚向異性指數(shù)（值）較大，所需成形力較高；屈強(qiáng)比（）大，塑性變形范圍較小，易破裂；鈦合金彈性模量較小，反應(yīng)沖壓回彈大?。ǎ┲递^大，成形后回彈嚴(yán)重。因此，鈦合金板材采用冷沖壓成形，難以獲得滿足型面和尺寸要求結(jié)構(gòu)件。熱壓成形是利用金屬板材在特定溫度下具有良好塑性的特點(diǎn)，采用很小的壓力實(shí)現(xiàn)板料與模具型腔貼合的工藝。板材熱壓成形技術(shù)在滿足零件精度的同時(shí)，也能避免起皺和裂紋等缺陷的產(chǎn)生，此技術(shù)比較適合大批量且型面復(fù)雜鈑金結(jié)構(gòu)件成形，在航空航天以及汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[4，5]，而針對(duì)文中類似飛行器用的鈦合金異形曲面鈑金件熱壓成形工藝研究目前還比較少。有限元分析可預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的起皺、破裂及隨后的回彈等缺陷，并較準(zhǔn)確地分析工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響，在工程應(yīng)用中越來(lái)越普遍[6～10]。本文針對(duì)TA15鈦合金復(fù)雜曲面件鈑金件，借助有限元分析軟件，優(yōu)化了板材下料尺寸圖，制定了先熱壓預(yù)成形鈑金件主體部分后熱校形負(fù)角度翻邊的工藝方案，并設(shè)計(jì)了預(yù)成形及終校形模具。

2 試驗(yàn)件特點(diǎn)及工藝分析

2.1 試驗(yàn)件特點(diǎn)

TA15合金是一種高Al含量的近α型鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。試驗(yàn)件所用TA15板材厚度為1.2mm，其典型幾何結(jié)構(gòu)特征如下：試驗(yàn)件為對(duì)稱異形曲面三側(cè)折彎鈑金件，外形三維尺寸約為1052mm×926mm×88mm，折彎邊1和折彎邊2處折彎角為90°，前側(cè)折彎邊3處折彎角為85°，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)件零件圖

2.2 工藝分析

3 有限元分析及模具設(shè)計(jì)

3.1 有限元分析

圖2 熱壓成形安全區(qū)域圖

利用UG軟件在零件圖基礎(chǔ)上考慮折彎邊1折彎角變化并保留加工余量建立了預(yù)成形試驗(yàn)件幾何模型，其中折彎邊1和折彎邊2長(zhǎng)度為40mm、折彎邊3長(zhǎng)度為50mm、折彎邊3的折彎角由85.3°改為101°、非折彎邊余量50mm。保存為igs格式后導(dǎo)入FormingSuite仿真軟件。對(duì)導(dǎo)入的試驗(yàn)件曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，弦偏差設(shè)為0.07，最大單元尺寸為28.72mm，成形溫度為720℃，材料選取材料庫(kù)TA15模型，成形后零件安全區(qū)域圖如圖2所示，可知折彎邊1和折彎邊2的區(qū)域1、2有一定起皺趨勢(shì)。針對(duì)區(qū)域1、2有起皺趨勢(shì)問(wèn)題，提出坯料邊緣開工藝豁口方案。其有限元分析安全區(qū)域圖如圖3所示，可知坯料邊緣開口后，起皺傾向區(qū)域明顯減小，只有區(qū)域3極小部位出現(xiàn)起皺傾向，幾乎可忽略。綜上，采用坯料邊緣開工藝豁口720℃條件下熱壓成形工藝方案可行。借助FormingSuite軟件坯料展開功能逆向反推毛坯如圖4a所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化獲得最終毛坯尺寸如圖4b所示。

圖3 熱壓成形安全區(qū)域圖

a 仿真軟件逆向反推毛坯

b 優(yōu)化后開工藝豁口毛坯尺寸

圖4 坯料圖

3.2 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)件熱壓預(yù)成形零件圖及試驗(yàn)件零件圖，分別設(shè)計(jì)了熱壓預(yù)成形模具及熱壓終校形模具。預(yù)成形模具如圖5所示，模具分為上模、下模、定位板以及定位銷四部分，坯料前后方向由定位板與定位銷限制定位，左右方向由定位銷限制定位，在下模的部位1和部位2兩處開有卸料槽，便于成形后取件。終校形模具如圖6所示，模具分為上模、下模以及固定板三部分，固定板用于固定預(yù)成形件而防止終校形時(shí)零件移動(dòng)。另外模具設(shè)計(jì)包括如下關(guān)鍵點(diǎn)：

圖6 終成形模具

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

a 坯料不開工藝豁口試驗(yàn)件??b 坯料開工藝豁口試驗(yàn)件

分別采用側(cè)邊不開工藝豁口坯料和開工藝豁口坯料進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)件如圖7所示，其中圖7a為不開工藝豁口試驗(yàn)件，圖7b為開工藝豁口試驗(yàn)件。由圖可知，坯料不開工藝豁口成形后帶曲率折彎邊出現(xiàn)明顯褶皺缺陷，而坯料開工藝豁口成形后帶曲率折彎邊無(wú)褶皺缺陷。帶曲率折彎邊受力狀態(tài)為切向壓應(yīng)力、法向壓應(yīng)力及徑向拉應(yīng)力，不開工藝豁口時(shí)壓應(yīng)力失穩(wěn)導(dǎo)致起皺缺陷產(chǎn)生。

一次，我在做作業(yè)，額前的一綹頭發(fā)掉下來(lái)遮住了眉，父親很自然地伸手替我捋。當(dāng)他的手指碰到我的額頭時(shí)，我本能地快速揮手擋開，他的手僵在空中，臉上的表情漸漸變得很沉很沉。

圖8 預(yù)成形件主體型面

a 預(yù)成形前側(cè)折彎邊??b 終校形前側(cè)折彎邊

采用帶工藝豁口坯料成形，先預(yù)成形獲得主體型面及兩側(cè)帶曲率折彎邊滿足尺寸要求的預(yù)成形件，后終校形前側(cè)折彎邊3。圖8為預(yù)成形后主體型面檢測(cè)圖，可知主體型面與檢測(cè)工裝間間隙小于0.1mm。圖9為前側(cè)折彎邊3為預(yù)成形和終校形對(duì)比。由圖知預(yù)成形后折彎邊3折彎角未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，終校形后折彎邊3與檢測(cè)工裝貼合滿足間隙小于0.5mm尺寸要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某大尺寸TC4鈦合金異形曲面鈦合金鈑金件進(jìn)行了有限元模擬及工藝分析，分別設(shè)計(jì)了熱壓預(yù)成形和終校形模具，并進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

a. 工藝試驗(yàn)獲得了滿足尺寸要求的試驗(yàn)件，先預(yù)成形主體型面及帶曲率折彎邊后終校形折彎角小于90°折彎邊的熱成形工藝方案可行；

b. 對(duì)于帶曲率折彎邊鈑金件熱成形模具設(shè)計(jì)，上下模間隙值取板材厚度可行；

c. 帶曲率折彎邊成形可通過(guò)坯料預(yù)留工藝豁口避免褶皺缺陷產(chǎn)生；

d. 試驗(yàn)結(jié)果同有限元分析結(jié)果一致，有限元模擬軟件FormingSuite有限元分析對(duì)鈦合金鈑金件熱壓成形工藝研究具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 王向東. 鈦的基本性質(zhì)、應(yīng)用及我國(guó)鈦工業(yè)概況[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2004：1～11

2 萊茵斯 C，皮特爾斯 M. 鈦與鈦合金[M]. 北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005

3 王向明，劉文珽. 飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010

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

5 顧俊海，劉蓓蓓，張驍，等. TC4鈦合金對(duì)接板零件熱成形工藝研究[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2016，45(4)：48～49，53

6 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[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(1)：42～46

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

8 徐萌萌. TC1、TA15 鈦合金板材成形性能及工藝研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2014

9 王大剛，賈春麗，楊微，等. 大型復(fù)雜鈦合金邊梁零件熱成形工藝研究[J]. 航空制造技術(shù)，2015，17：120～121，130

10 李軒穎，徐雪峰，付春林，等. 某型飛機(jī)鈦合金鈑金件熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2017，24(1)：92～97

Hot-press Forming Technology of TA15 Titanium Alloy Profiled Surface Sheet Metal Parts

Liu Qi Li Baoyong Qin Zhonghuan Li Xin Du Haolong

(Beijing Hangxing Technology Development Co., Ltd, Beijing 100013)

The structural characteristics of TA15 titanium alloy sheet metal with special shape are analyzed and the forming process is analyzed. The process that hot shape the bending edge of which bending angle is less than 90 ° after hot forming of the main body was developed. Through the finite element analysis software FormingSuite, the forming simulation is carried out. The shape of the fold defect is estimated band the blank edge open process gap solution is proposed; the blank is generated and the final cutting size is obtained by optimization. The preform and the final mold were designed. For the part prepared, the gap of the main surface and the test template was less than 1mm, the curvature bending edge without wrinkles, and the front bending edge of which bending angle is about 85° was forming in place. The experimental results show that the finite element analysis of Forming Suite has a strong guiding significance for the hot forming process of titanium alloy sheet metal parts and the forming process is feasible.

TA15 titanium alloy；hot-press forming；FormingSuite；finite elements analysis；mold design；profiled surface sheet metal parts

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國(guó)家重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2014ZX04001-141）。

劉奇（1990），碩士，材料加工工程專業(yè)；研究方向：金屬塑性成形。

2017-07-07