TC4鈦合金筒形件熱校形仿真分析

姚少非，張宏彬，李 健，楊 成，楊 洋

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

圖1 筒形件尺寸圖Fig.1 Dimensionaldiagram of cylindrical workpiece

0 引言

圖1所示的TC4鈦合金筒形件為某高速飛行器的外部蒙皮，其圓度精度對飛行的氣動參數和穩(wěn)定性有較大影響[1]。該零件由鈦板滾彎后焊接成形，工序流程如圖2所示。由于TC4鈦板材料屈強比很大，室溫成形的零件回彈嚴重，成形精度差，該零件成型后圓度無法滿足±0.2mm的圖紙要求，故采用熱校形的方法來提高精度。熱校形方法是在模具的擠壓作用下使工件的尺寸符合設計要求，通過高溫保持來降低工件內部的殘余應力，減小回彈，以提高工件尺寸和形狀精度[2]。校形溫度、保溫時間是熱校形工藝的重要參數，本文通過仿真的方法來確定該零件的熱校形工藝參數。

圖2 筒形件成型工序流程圖Fig.2 Flowchart of forming process for cylindricalworkpiece

1 筒形件熱校形熱力耦合過程數值模擬

1.1 筒形件及校形模具的結構建模

用橢圓來表現筒形件的圓度，如圖3所示。圖3中，a、b分別為橢圓的長軸和短軸長度。圖紙要求筒形件尺寸為：內徑Φ200mm±0.2mm、厚度1.5mm。以要求尺寸為基礎將工件分為四種不同的橢圓，如表1所示。其中，一號、二號和三號筒形件內周長與圖紙要求基本相同，四號筒形件的內周長偏小。

圖3 筒形件橫截面尺寸Fig.3 Cross sectionaldimensions of cylindricalworkpiece

鈦合金筒形件的內徑尺寸要求為Φ200mm±0.2mm，可以根據下式計算模具材料在不同溫度下校形的模具尺寸[2]

式(1)中，R1為被脹筒形件的要求內徑尺寸，T為加熱溫度，T0為參考溫度，αT1、αT2分別為被脹形筒形件材料和模具材料在溫度T時的線膨脹系數。在本文計算中，R1＝100mm、T0＝25℃。以ZGCr25Ni20不銹鋼為圓形模具材料，在550℃、600℃、650℃和700℃四個溫度下校形所需的模具外半徑尺寸如表2所示。

表2 不同溫度下的模具尺寸Table 2 Mold sizes at different temperatures

1.2 熱力耦合有限元模型建模

表2中四個溫度下的模具都將對表1中的四種規(guī)格尺寸零件進行校形模擬，模擬的有限元模型為：在筒形件和模具中間高度垂直軸線截取一橫截面，由于模型左右對稱，取1／4模型進行分析，如圖4所示。

圖4 有限元模型Fig.4 Diagram of finite element model

ABAQUS模擬中采用隱式算法，選擇Standard求解器[3]，有限元模型的具體定義如下：

1)網格劃分：模具及工件沿厚度分為5個單元，零件劃分為157個單元，單元類型選擇沙漏控制的4節(jié)點雙線性平面應力縮減積分單元(CPS4R)。

2)材料屬性定義：模具材料的熱力性參數如圖5所示[4]，TC4鈦合金熱力學性能參數如圖6所示，TC4鈦合金線膨脹系數如圖7所示[5]。

圖5 ZGCr25Ni20不銹鋼熱力學參數Fig.5 Thermodynamic parameters of ZGCr25Ni20 stainless steel

圖6 TC4熱力學參數Fig.6 Thermodynamic parameters of TC4 Titanium alloy

圖7 TC4線膨脹系數Fig.7 Linear expansion coefficient of TC4 Titanium alloy

TC4鈦合金的蠕變性能采用經典的時間硬化本構模型，公式如下

表3 TC4鈦合金在不同溫度下的蠕變性能參數Table 3 Creep performance parameters of TC4 Titanium alloy at different temperatures

3)分析步設定：分析為對筒形件加熱、保溫、冷卻校形的分析。

4)初始、邊界及加載條件定義：模具、筒形件的溫度邊界條件如圖8所示。筒形件校形前是滾彎成形，故其內部存在初應力場，初應力場的獲得是由TC4板料彎曲模擬得到的，其模擬結果如圖9所示，將模擬的初應力作為校形松弛的初應力。

圖8 550℃～700℃的加熱曲線Fig.8 Heating curves at 550℃～700℃

5)交互作用定義：模具和筒形件在加熱膨脹的過程中要相互接觸并摩擦，選擇摩擦系數為0.1。

2 仿真結果分析

2.1 溫度對校形后殘余應力及校形精度的影響

圖9 筒形件彎曲應力云圖Fig.9 Bending stress nephogram of cylindrical workpiece

以550℃、600℃、650℃和700℃對二號筒形件校形仿真為例，圖10為四個溫度下二號筒形的內應力變化曲線圖?？傮w來看，四個溫度下的應力曲線是一致的：在升溫階段內應力隨著溫度的升高不斷下降，在保溫階段應力下降緩慢，在冷卻階段應力回升。

圖10 二號工件在不同溫度下的內應力變化曲線Fig.10 Internalstress change curves of No.2 workpiece at different temperatures

四個溫度下的應力松弛曲線對比可知，溫度對校形后殘余應力的影響非常大。在550℃和600℃校形時，由于達到溫度時的內部殘余應力較大，所以保溫時間對其殘余應力的下降有一定的作用，在550℃時其應力從186MPa下降到158MPa，在600℃時其應力從90MPa下降到69MPa。而在650℃和700℃校形時，由于到達溫度時的內部殘余應力已經很小，保溫階段對于消除殘余應力的作用并不大，在650℃時其應力從15.9MPa下降到9.5MPa，在700℃時其應力基本為0.05MPa保持不變。

四種溫度下校形后工件的最大半徑、最小半徑及其差值如表4所示。由表4可知，隨著溫度的升高，其校形精度不斷提高，在650℃時校形已達到零件所需的精度要求。

表4 二號工件在不同溫度下的校形后內半徑Table 4 Inner radius of No.2 workpiece after shape calibration at different temperatures

2.2 保溫時間對校形后殘余應力及校形精度的影響

由圖10可知，筒形件的殘余應力在達到校形溫度以后，隨著保溫時間的延長其內部應力不斷降低。但是隨著溫度的增加，這種松弛效果越來越不明顯。在650℃和700℃保溫時，應力幾乎沒有下降；而在低溫階段，其保溫時間對應力的下降有一定的影響。

圖11 一號工件在600℃時不同保溫時間的校形后殘余應力Fig.11 Residualstress of No.1 workpiece after shape calibration at 600℃for different holding times

以600℃校形為例討論保溫時間對筒形件校形后殘余應力及尺寸精度的影響，圖11為一號筒形件在600℃校形時分別保溫10min、30min、60min和180min后的殘余應力曲線圖。由圖11可知，隨著校形保溫時間的延長，殘余應力不斷下降，四個保溫時間下校形后的殘余應力分別為117MPa、113MPa、107MPa、95MPa。但總體上校形后的殘余應力比較大，隨著時間的延長，殘余應力的下降幅度并不大，不如提高溫度對于應力的消除作用明顯。表5中列出了四個保溫時間后的零件尺寸精度。同樣可以看到，隨著保溫時間的延長，尺寸精度在增加，但是增加不明顯，四個件的校形精度都沒有滿足工程要求。

表5 一號工件在600℃時不同保溫時間的校形后內半徑Table 5 Inner radius of No.1 workpiece after shape calibration at 600℃for different holding times

2.3 初始形狀對校形后殘余應力及校形精度的影響

不同內徑周長和圓度的筒形件在校形中與模具之間的撐脹程度不同，就會導致工件內部應力變化過程和校形后殘余應力的不同。本節(jié)就兩種情況進行分析，一為內徑周長不變而圓度不同時對校形后殘余應力和尺寸精度的影響，二是內徑周長偏小時對校形后殘余應力及尺寸精度的影響。

圖12給出了一號、二號和三號筒形件在550℃校形時的內應力曲線。由表1可知，這三個筒形件的內徑周長和圖紙要求的尺寸(Φ200mm)周長相同，而圓度不同。由圖12可知，校形開始時三個工件的內應力有所差異，這是其圓度不同裝模后變形程度不同導致的。但隨著溫度的升高，三者的內應力逐漸趨近，在30000s處已經趨于一致。由此可見，當初始圓度差異不大時，其對校形后的殘余應力影響很小。表6給出了三個筒形件校形后的尺寸，三個件的校形后尺寸和圓度相差很小?？梢姰敵跏甲冃尾町惒淮髸r，其對校形后的尺寸精度影響很小。

圖12 一號、二號、三號工件在550℃時的校形后內應力變化曲線Fig.12 Internalstress change curves of No.1，No.2 and No.3 workpiece after shape calibration at 550℃

表6 一號、二號和三號工件在550℃時的校形后內半徑Table 6 Inner radius of No.1，No.2 and No.3 workpiece after shape calibration at 550℃

圖13給出了二號和四號筒形件在550℃、600℃和650℃下校形的內應力曲線。由表1可知，二號件的內徑周長和圖紙要求相同，而四號件的內徑周長比圖紙尺寸偏小了0.79mm。由圖13可知，在開始時刻四號件的應力增大比二號件的大許多，而在升溫過程中差異逐漸減小，在30000s后基本一致，但總體上校形過程中四號件的內應力比二號件的偏大。另外，在52200s時刻(冷卻時刻)，四號件在各個溫度下都出現了應力突然下降的現象。這是由于四號件內徑偏小，模具對其的脹大作用顯著，筒形件內側的切向壓應力已經轉變?yōu)槔瓚?，整個厚度截面上的應力在松弛過程中趨向一致的拉應力。所以在冷卻過程中，工件與模具脫離接觸，筒形件回彈時出現應力突然下降的現象。對于內徑周長不變的筒形件校形過程，其內側切向應力方向并沒有發(fā)生變化，所以在冷卻過程中由于與外側應力形成的內彎矩制約并沒有出現突然彈性恢復，且隨著冷卻過程的進行其內應力不斷增加。從各個溫度對比可以看出，隨著溫度的升高，兩種筒形件的應力差異不斷減小，到650℃時已經基本相同。表7給出了四號筒形件在三個溫度下校形后的尺寸，三個內徑都比工程要求偏小，且隨著溫度的升高，其精度不斷提高。與表4對比可知，在同時滿足工程要求情況下，四號件的圓度更高?？梢娫诤线m溫度校形時，適當減小內徑周長會得到精度更高的工件。

圖13 二號、四號工件在不同溫度校形下的內應力變化曲線Fig.13 Internalstress change curves of No.2 and No.4 workpiece after shape calibration at different temperatures

表7 四號工件在不同溫度下的校形后內半徑Table 7 Inner radius of No.4 workpiec after shape calibration at different temperatures

3 結論

通過對校形溫度、保溫時間和筒形件初始形狀對校形精度及內應力影響的討論可以得知，溫度對于筒形件內應力的消除及校形尺寸精度的提高起著主導作用；保溫時間的影響在低溫階段有一定作用，在高溫階段作用微??；當筒形件的內徑周長與工程要求一致時，筒形件的初始圓度在差異不大的情況下，對殘余應力和校形精度的影響亦微?。粌葟街荛L比圖紙要求偏小時，可以得到圓度更高的筒形件。通過三個因素的討論，得出了筒形件校形的合適工藝參數：加熱至650℃、保溫30min。