TC4鈦合金管氣壓校圓工藝的研究淺談

楊會榮

【摘 要】鈦合金TC4材料由于有較高的屈服強度，且彈性模量低，在常溫下存在成型困難，回彈大，塑性變形范圍窄等特點，導致成型時容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。特別是在較薄件，尺寸精度要求高的條件不容易實現(xiàn)。論文針對管外徑為219mm，厚度為1mm的，長度為1000mm，其圓度公差要求±0.10mm，直線度公差為0.5mm的管進行成型工藝研究。以提高成品率，降低制造成本，創(chuàng)新一種制造新途徑。

【Abstract】Titanium alloy TC4 has the characteristics of high yield ratio， low elastic modulus， molding difficulty at room temperature， high springback and narrow plastic deformation range and so on， which make it is easy to appear cracks and other defects in forming. Especially for thin parts， it is not easy to realize under the condition of requiring high dimensional accuracy. In this paper， the forming process of the tube with outer diameter of 219mm， thickness of 1mm， length of 1000 mm， roundness tolerance requirement of ±0.10mm and straightness tolerance of 0.5mm is studied， so as to improve the rate of final products， reduce the manufacturing cost and innovate a new way of manufacturing.

【關(guān)鍵詞】鈦合金TC4;應力應變;溫度;壓力

【Keywords】titanium alloy TC4; stress-strain; temperature; pressure

【中圖分類號】TG301? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2018）12-0184-02

1 基本材料選取

材料：鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于（α+β）型鈦合金，圖1所示為其組織。

2 材料基本性能簡介

具有良好的綜合力學機械性能，使用溫度為300～350℃。比強度大。TC4的強度sb=1.012GPa，密度g=4.4×103，比強度sb/g=23.5，而合金鋼的比強度sb/g小于18。 鈦合金熱導率低。 鈦合金的熱導率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導率l=7.955W/m·K。與一般鈦合金相比，鈦鋁金屬間化合物的最大優(yōu)點是在較高的溫度條件下仍能保持良好的機械性能和耐腐蝕性能，其中部分合金的最高使用溫度達到816℃，個別合金使用溫度達到982℃，重量輕，耐高溫，高強度，抗蠕變性能好使其成為未來海洋裝備和航空裝備最具競爭力的材料。鈦無毒、無重金屬析出，強度高且具有和人體較好的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，例如人體的骨關(guān)節(jié)，連接件，固定板等可用作植入人體的植入物等。目前，在醫(yī)學領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。

3 材料應變、時間和溫度的模擬關(guān)系

應變和溫度的關(guān)系，在815℃速率和流變峰值應變圖如圖2：

如圖3所示：在試驗高溫過程的拉伸，材料由于相應的應變所對應的應力先是很快達到頂值，然后又逐漸下降;并且隨著對應應變的增加，后期曲線逐漸變得平緩。保溫時間為0～16min范圍內(nèi)，應變應力曲線在短時間內(nèi)變化很大，圖形形成急速上升。

4 建立數(shù)學模型及模具相關(guān)參數(shù)的模擬選取

在建立有限元模擬狀態(tài)之中，建立了合金材料模擬變形的變動應力，與宏觀熱力參數(shù)之間的關(guān)系，為了獲得相應的數(shù)值模擬最終狀態(tài)數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。文章通過對比指數(shù)模擬，串聯(lián)模擬，以及并聯(lián)模型Johnson-Cook，還有Kumar 5種高溫基本類型關(guān)系的經(jīng)驗公式，對高溫拉伸試驗數(shù)據(jù)的收集整理，最終采用Kumar模型在溫度為：850～930℃，變化速率為：4×10-4～1×10-2s-1，實際應變?yōu)檎鎸嵶冃蔚姆秶鷥?nèi)，模擬建立了合金的高溫本構(gòu)方程的數(shù)學表達式如下：

聯(lián)立以上可求模具內(nèi)徑，加工氣壓。

在此基礎上根據(jù)FEA的計算結(jié)果，確定了上下模具的結(jié)構(gòu)和尺寸。以上設計不考慮鈦管加工減薄量和加工過程是恒溫。

5 結(jié)論

通過以上模擬計算和模具的模擬設計研究，為制造強度高，公差要求嚴的零部件提供了一種新的成型方案。