熱拉深鈦合金盒形件法蘭褶皺分析

孫曉龍， 涂璞， 葛新， 朱蓮萍， 孫小峰， 莊新村

（1.上海飛機(jī)制造有限公司， 上海 201324；2.上海交通大學(xué) 塑性成形技術(shù)與裝備研究院， 上海 200030）

0 引 言

鈦合金TC4因比強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，一般采用加熱成形[1]。按照承力特征，可以分為鈦合金鈑金件和鈦合金結(jié)構(gòu)件，對(duì)于鈑金件成形一般采用熱沖壓工藝。鈦合金熱沖壓需將模具整體放置于設(shè)備中加熱，其中模具在設(shè)備中加熱到600 ℃以上，板料通過模具的傳熱到一定溫度后成形[2]。板料熱成形工藝存在潛在工藝缺陷[3]，帶法蘭盒形件成形時(shí)可能遇到的問題主要是法蘭區(qū)域的褶皺和杯壁區(qū)域的裂紋[4]。仿真作為一種有效手段，可以預(yù)測(cè)金屬流動(dòng)行為，預(yù)測(cè)褶皺及裂紋缺陷，作為優(yōu)化工藝參數(shù)的重要依據(jù)[5]，在汽車制造的B柱[6]及防撞梁[7]的熱成形工藝開發(fā)過程中，使用Autoform針對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，縮短了零件成形工藝的研發(fā)周期。

法蘭區(qū)域的褶皺是拉深成形的典型缺陷，影響因素較多，壓邊力、潤(rùn)滑條件、坯料形狀及模具結(jié)構(gòu)都對(duì)褶皺的產(chǎn)生有一定影響[8-10]?；谶@些影響因素，一些改進(jìn)褶皺產(chǎn)生的方式也得到相應(yīng)的關(guān)注，采用模具零件表面微處理可以改善拉深過程中法蘭區(qū)域的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低褶皺的產(chǎn)生[11]。調(diào)大壓邊力可以避免法蘭褶皺的產(chǎn)生，但壓邊力過大可能導(dǎo)致裂紋[12]。入模圓角和拉深筋是影響褶皺產(chǎn)生的重要模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，縮小入模圓角可降低褶皺產(chǎn)生的概率，在拉深模上設(shè)置拉深筋也可降低褶皺的產(chǎn)生。以民用飛機(jī)上TC4鈦合金法蘭盒形件為研究對(duì)象，針對(duì)其熱拉深過程中出現(xiàn)的法蘭區(qū)域褶皺問題及相應(yīng)的影響因素進(jìn)行研究。

1 TC4盒形件熱拉深工藝仿真

1.1 TC4盒形件結(jié)構(gòu)特征

選取的鈦合金盒形件材料為TC4，零件形狀如圖1所示，為錐體法蘭盒形件，壁厚為0.8 mm，長(zhǎng)度為328 mm，寬度為226 mm，深度為66 mm，杯底圓角半徑為R7 mm，法蘭區(qū)域的圓角半徑為R5 mm。考慮零件深度特征，為防止杯底出現(xiàn)裂紋，采取兩工序拉深成形，第一、二道分別拉深33 mm。初始零件坯料選擇厚0.8 mm，長(zhǎng)400 mm，寬346 mm，圓角半徑為R80 mm，研究壓邊力和坯料形狀對(duì)褶皺產(chǎn)生的影響。

圖1 鈦合金盒形件結(jié)構(gòu)及拉深工藝

1.2 TC4盒形件拉深工藝仿真模型

選用Simufact.forming軟件對(duì)盒形件的拉深過程進(jìn)行仿真，成形溫度選用675 ℃，材料模型選用式（1）所示的軟件自帶GMT材料模型[13]，摩擦模型選擇摩擦系數(shù)為0.2的庫(kù)倫摩擦模型[14]。幾何模型如圖2所示，主要涵蓋凸模、凹模和壓邊圈3個(gè)零部件。

圖2 盒形件拉深仿真幾何模型

其中，δF為流變應(yīng)力，MPa；φ為應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變率；參數(shù)C1為10 018.6，C2為-0.005，n1為0.003，n2為-3.373，l1為0.000 4，l2為-0.408，m1為-0.000 3，m2為0.375。

2 基于仿真的成形影響因素分析

利用仿真模型對(duì)成形過程中的壓邊力及坯料形狀進(jìn)行分析。坯料1選擇簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方形、四周倒角的形式，坯料2選擇展開料拓展邊緣的橢圓形坯料，壓邊力選取20、80 kN兩組條件。

2.1 坯料形狀對(duì)成形的影響

圖3所示為相同壓邊力（80 kN）及潤(rùn)滑條件（庫(kù)倫摩擦模型，系數(shù)0.2）下不同坯料的兩道拉深接觸應(yīng)力的仿真結(jié)果。由圖3可見，兩道拉深深度都為33 mm時(shí)，坯料1的法蘭區(qū)域長(zhǎng)度方向存在凹陷，寬度方向的凹陷不明顯，坯料2的法蘭區(qū)域長(zhǎng)度和寬度方向無凹陷。

圖3 不同坯料盒形件的接觸應(yīng)力仿真結(jié)果

圖4所示為不同坯料的兩道拉深厚度分布仿真結(jié)果。由圖4可見，兩道拉深深度都為33 mm時(shí)，坯料1的預(yù)制坯寬度杯壁區(qū)域厚度相比坯料2的預(yù)制坯更薄，總拉深深度為66 mm時(shí)，坯料1的零件寬度杯壁區(qū)域及杯底區(qū)域的厚度相比坯料2的零件更薄。

圖4 不同坯料的盒形件厚度分布仿真結(jié)果

2.2 壓邊力對(duì)成形的影響

圖5所示為相同潤(rùn)滑條件下坯料2不同壓邊力的第一道沖壓工序接觸應(yīng)力的仿真結(jié)果。在壓邊力為20 kN時(shí)，法蘭區(qū)域有明顯褶皺，如圖5（b）所示，而壓邊力為80 kN時(shí)，法蘭區(qū)域無明顯褶皺，如圖5（c）所示。因此在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中需選用合適的壓邊力參數(shù)，避免法蘭區(qū)褶皺的產(chǎn)生。

圖5 不同壓邊力條件下盒形件第一道沖壓工序接觸應(yīng)力仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證及分析

3.1 不同坯料的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同坯料的仿真結(jié)果下料進(jìn)行熱成形試驗(yàn)，得到圖6所示的成形結(jié)果。使用坯料1成形時(shí)，兩道拉深的法蘭區(qū)域的大小與圖4中仿真結(jié)果符合度較高，法蘭區(qū)域有不明顯的褶皺印，第二道拉深中法蘭區(qū)域的褶皺在原有坯料的基礎(chǔ)上繼承。使用坯料2的兩道拉深法蘭區(qū)域的結(jié)果與圖4中仿真結(jié)果的符合度同樣較高，并且其法蘭區(qū)域無明顯褶皺。

圖6 不同坯料的盒形件成形試驗(yàn)結(jié)果

3.2 不同壓邊力的試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)不同壓邊力條件的第一道拉深的仿真結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，得到圖7所示的結(jié)果，在20 kN的壓邊力條件下，杯形法蘭區(qū)域存在明顯的褶皺，其結(jié)果與圖5中仿真結(jié)果高度符合，而在80 kN的壓邊力條件，其試驗(yàn)結(jié)果的法蘭區(qū)域褶皺得到了較大的改善，這與仿真結(jié)果相符。

圖7 不同壓邊力條件的盒形件第一道拉深試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

聚焦TC4材質(zhì)的帶法蘭盒形件的拉深工藝，針對(duì)拉深過程中零件法蘭區(qū)域的褶皺問題開展了仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了坯料的形狀及壓邊力條件對(duì)褶皺產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論。

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，TC4熱拉深仿真模型可以預(yù)測(cè)拉深過程中零件形狀，對(duì)于褶皺產(chǎn)生的影響因素可以進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

（2）TC4熱成形的預(yù)制坯在使用零件展開坯料時(shí)，法蘭區(qū)域的面積與最終零件的接近程度較高，可以避免材料變形導(dǎo)致的余料不足現(xiàn)象，同時(shí)使用展開坯料時(shí)，拉深結(jié)果的局部變形劇烈區(qū)域的減薄程度相比規(guī)整坯料更小。

（3）在拉深時(shí)使用展開坯料作為預(yù)制坯相對(duì)使用規(guī)整圓角坯料而言，相同壓邊力和潤(rùn)滑條件下，法蘭區(qū)域更不易出現(xiàn)褶皺。

（4）在相同潤(rùn)滑條件及坯料狀態(tài)下，使用更大的壓邊力可以獲得更好的法蘭區(qū)域的成形效果，避免褶皺的產(chǎn)生。