某型號(hào)飛機(jī)鈦合金鈑金件熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化研究

王奕閏 徐煒 王丹

摘 要：鈦合金鈑金件熱沖壓成形過程中容易受到多種工藝參數(shù)的影響，使用傳統(tǒng)的成形方式容易造成各種缺陷，于是文章對(duì)成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用有限元模型和極差分析法，從而分析成形溫度、摩擦系數(shù)和變形速度對(duì)零件壁厚分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)最優(yōu)工藝參數(shù)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3、變形速度設(shè)置為1mm·min-1、成形溫度設(shè)置為675℃，該工藝參數(shù)條件下有利于降低成形零件的缺陷發(fā)生率，從而提高成形零件的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鈦合金;鈑金件;熱沖壓;成型工藝;參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TG306; V250.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2020）10-0173-05

Abstract：Titanium alloy sheet metal parts are easily affected by various process parameters during the hot stamping process. Using traditional forming methods is easy to cause various defects， so the paper optimizes the forming process parameters. The finite element model and range analysis method are used to analyze the influence of forming temperature， friction coefficient and deformation speed on the wall thickness distribution of parts. The experimental results show that when the optimal process parameter friction coefficient is set to 0.3， the deformation speed is set to 1mm·min-1， and the forming temperature is set to 675℃， this process parameter is conducive to reducing the incidence of defects of the formed parts， thereby improving the quality of the formed parts.

Key words：titanium alloy; sheet metal parts; hot stamping; molding process; parameter optimization

0? ? ?引言

金屬薄板沖壓成形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，潤滑條件、成形溫度和變形速度等都會(huì)影響到成形的大小尺寸、力學(xué)性能等[1-2]。采用有限元分析方法能夠使得在熱沖壓成形工藝之前對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)測(cè)出板料的應(yīng)力應(yīng)變等狀況，并且還能夠預(yù)測(cè)成形過程中的相關(guān)缺陷[3-4]。文章將對(duì)某型飛機(jī)鈦合金件為研究對(duì)象，其屬于一個(gè)非常復(fù)雜的軸對(duì)稱零件，如果使用傳統(tǒng)的方式對(duì)其進(jìn)行沖壓將會(huì)難以達(dá)到要求[5]。于是使用在相同溫度下板料和模具的熱沖壓形成工藝，由于該過程中會(huì)造成各種問題，最終造成鈑金件壁厚不均勻。于是有必要對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到較好的加工效果。于是文章將通過有限元模型分析，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 有限元模型

文章進(jìn)行有限元模擬所使用的軟件為ABAQUS，由于零件屬于軸對(duì)稱，所以文章將對(duì)其一半進(jìn)行模擬，于是后文中提到的零件都只是整個(gè)零件的一半。獲得熱沖壓有限元模型如圖1所示，圖中標(biāo)明了組成部分，其中需要板料為塑性，厚度為1.016mm，另外兩個(gè)部分為剛性。

在沖壓過程中，不是每個(gè)金屬都可用作沖壓件，只有成形性能比較好的材料才比較適合[6]。文章研究的鈦合金鈑金件使用的材料為TC4鈦合金，在不同溫度下，通過對(duì)材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，在不同溫度之下，材料的變形速度都在1～4mm·s-1之間，然而普通的沖壓工作速度在20～30mm·s-1之間，所以相對(duì)兩件，該材料的變形速度非常小。文章將加工環(huán)境設(shè)置為恒溫，于是選擇不考慮溫度差產(chǎn)生的溫度場(chǎng)的模擬，于是將零件在成形過程中受到變形速度和溫度的影響通過改變材料的模型進(jìn)行事先。

在模擬成型過程中，其中凹面和板料分別是固定和釋放所有自由度，而凸膜是施加邊界條件時(shí)使用設(shè)定位移的方式進(jìn)行。另外，凹膜和凸膜在于板料進(jìn)行接觸時(shí)都是用面-面接觸，其中涉及到摩擦系數(shù)，使用的庫倫摩擦模型進(jìn)行設(shè)置。

2 模型鈦合金板金件影響因素

圖2即為成形零件的一半。破裂和起皺屬于熱沖壓過程中最容易出現(xiàn)的問題。于是分析溫度、摩擦系數(shù)和沖壓速度對(duì)零件壁厚的影響。

圖3即為零件缺陷危險(xiǎn)區(qū)的分布狀態(tài)。從圖中可看出，模擬所獲得的成形件在凸緣處有出現(xiàn)破裂的趨勢(shì)，在彎折變形區(qū)容易發(fā)生起皺。

1）溫度對(duì)成形零件的影響。溫度會(huì)對(duì)金屬材料成形中的塑性性能造成直接的影響[7]。文章將對(duì)600℃、650、675℃和700℃下金屬材料的壁厚變化率進(jìn)行分析，于是將摩擦系數(shù)和變形速度設(shè)置為恒定值，分別為0.1和1mm·min-1，最終變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)溫度不斷增加之后，最大減薄率和增厚率的變化趨勢(shì)都是不斷降低，而其中的最大增厚率的變化趨勢(shì)相對(duì)比較小。

2）變形速度對(duì)成形零件的影響。當(dāng)鈦合金板料在熱沖壓成型過程中，變形速度會(huì)影響到材料內(nèi)部的流動(dòng)速度，于是就會(huì)對(duì)成形零件造成一定的影響。于是文章將分析在不同變形速度上壁厚變化率的變化趨勢(shì)。于是將其摩擦系數(shù)和成形溫度分別設(shè)置為0.1和700℃，得到如圖5所示的結(jié)果。從圖中可看出，當(dāng)變形速度不斷增加時(shí)，最大減薄率和增厚率的變化趨勢(shì)都是不斷增加即壁厚變化率與變形速度成正比關(guān)系，而其中最大增厚率的變化趨勢(shì)比較小。

3）摩擦系數(shù)對(duì)成形零件的影響。有研究表明，摩擦系數(shù)與材料內(nèi)部的流動(dòng)阻力成正比關(guān)系，于是會(huì)影響到零件的成形過程[9]。于是當(dāng)摩擦系數(shù)比較大時(shí)，模具和材料表面的流動(dòng)性就會(huì)比較差。于是研究不同摩擦系數(shù)下壁厚率的變化趨勢(shì)，將其變形速度和成形溫度分別設(shè)置為1mm·min-1和700℃，圖6即為不同摩擦系數(shù)下壁厚率的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)摩擦系數(shù)不斷增加時(shí)，其中最大增厚率不斷增加，且當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.3時(shí)，最大增厚率發(fā)生非常明顯的增加，而最大減薄率的變化趨勢(shì)非常小。從而可以說明，增大摩擦系數(shù)容易造成零件發(fā)生起皺現(xiàn)象。

3 優(yōu)化正交參數(shù)

鈦合金板材經(jīng)過沖壓之后形成的零件會(huì)受到多種因素的影響，并且每個(gè)因素的影響程度存在差異，且在零件成形過程中需要用好多的指標(biāo)的進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)影響因素對(duì)每個(gè)指標(biāo)的影響也會(huì)不同，所以需要一個(gè)多指標(biāo)試驗(yàn)，文章將主要研究最大和增厚率和減薄率，然后再不同水平之下進(jìn)行數(shù)值模擬。

文章建立實(shí)驗(yàn)組的方式為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在模擬過程中不考慮每個(gè)因素之間的交互作用，需要將不同指標(biāo)的影響因素進(jìn)行主次分析，目的在于得到一個(gè)最優(yōu)的工藝參數(shù)，于是使用的極差分析法。表1為因素水平表，表2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方案。

表3為試驗(yàn)結(jié)果分析，從圖中可以看出，不同影響因素對(duì)不同指標(biāo)的影響程度存在較大差異，每一個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)組合也存在差異，于是為了得到最優(yōu)工藝參數(shù)，需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)判，最后選擇最優(yōu)組合。

從表3中可以看出，成型溫度對(duì)最大增厚率和減薄率的影響最大，然后其中最優(yōu)工藝參數(shù)卻存在差異，所以需要對(duì)其進(jìn)行綜合分析。最大增厚率的最佳溫度為A3，最大減薄率的最佳溫度為A4，圖7為各因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖，于是在圖中對(duì)比兩個(gè)最佳溫度，采用多數(shù)傾向原則，于是選擇A3作為最優(yōu)成形溫度。

對(duì)最大減薄率影響第2大的因素是變形速度，對(duì)最大增厚率影響第3的是變形速度，使用不同指標(biāo)分別有兩個(gè)最優(yōu)變形速度，最大減薄率和最大增厚率的最優(yōu)速度分別為B1和B2，于是同樣在圖7中進(jìn)行對(duì)比，使用多數(shù)傾向原則，最后選擇B1作為最優(yōu)變形速度。

摩擦系數(shù)對(duì)最大厚薄率的影響強(qiáng)度正好與變形速度相反，其中對(duì)最大增厚率的排名為第2，而對(duì)最大減薄率的排名為第3。兩個(gè)不同指標(biāo)的最優(yōu)摩擦系數(shù)也不相同，最大減薄率和最大增厚率的最優(yōu)速度分別為C1和C3。同理上述綜合分析方式，最后選擇作C3為最優(yōu)摩擦系數(shù)。

于是通過上述分析，最終選擇A3 B1 C3這樣的組合方式作為熱沖壓成形工藝的最優(yōu)參數(shù)組合，即摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，變形速度設(shè)置為1mm·min-1，成形溫度設(shè)置為675℃。

4? ? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上文分析之后能夠得到鈦合金鈑金件熱沖壓成形工藝的最優(yōu)參數(shù)，但是為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝參數(shù)的有效性，于是通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)果，圖8即為模擬結(jié)果，從而觀察到優(yōu)化參數(shù)之后的工藝有助于降低最大薄厚率，從而降低成形零件的破裂和起皺問題。

圖9為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中包含工藝參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比，從圖中可以看出，在工藝參數(shù)優(yōu)化之前，零件在折彎變形1區(qū)域中有較為嚴(yán)重的減薄，在區(qū)域2出現(xiàn)了起皺，而經(jīng)過優(yōu)化處理之后，沒有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，并且其壁厚減薄率比較低。于是可以得出結(jié)論，經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化之后，所獲得的成形零件不容易發(fā)生起皺和破裂問題，有助于提高鈑金件成形的質(zhì)量。

5? ? ?結(jié)語

通過對(duì)鈦合金鈑金熱沖壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即優(yōu)化之后的工藝參數(shù)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，變形速度設(shè)置為1mm·min-1，成形溫度設(shè)置為675℃，有助于提高成形零件的質(zhì)量。另外，三種影響因素中成形溫度對(duì)板料壁厚的影響最為顯著，所以在加工過程中，需要嚴(yán)格重視成形溫度。

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