北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 郎利輝 劉康寧

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 吳 為 劉寶勝

目前，隨著輕量化構(gòu)件在航空、航天、汽車、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對輕質(zhì)合金薄壁類零件的先進(jìn)成形工藝提出了越來越高的要求。現(xiàn)有加工方法存在諸多局限性，無法滿足日益苛刻的加工需求，為解決這一難題，各國研究機(jī)構(gòu)提出了多種工藝以提高輕量化零件的成形質(zhì)量。

鈦合金板材在室溫條件下屈強(qiáng)比大，彈性模量小，延伸率及成形極限較低，成形后零件易起皺、破裂，加工難度大，通常要在550℃～750℃條件下成形[1]。傳統(tǒng)鈦合金板材成形方法主要有超塑成形及熱沖壓工藝等[2]，但不可避免地帶來了諸多問題，如模具設(shè)計(jì)復(fù)雜、起皺減薄嚴(yán)重[3]、壁厚均勻性差、成形效率低等。

板材顆粒介質(zhì)成形工藝是由燕山大學(xué)趙長財(cái)?shù)萚4-5]提出的一種柔性成形方法，其利用耐高溫非金屬顆粒介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上剛性的凸模（或凹模）成形板材、管材類零件，可加工鋁合金、不銹鋼及鈦合金[1]等材料。國外紐倫堡大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)[6-7]對顆粒介質(zhì)成形工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對高強(qiáng)鋼等材料進(jìn)行了高溫條件下顆粒介質(zhì)成形試驗(yàn)。計(jì)算仿真分析結(jié)果已證明[8]，顆粒介質(zhì)成形工藝可有效降低鈦合金錐形類零件的起皺趨勢，提高成形性。

本文在顆粒介質(zhì)三軸圍壓試驗(yàn)及TA1鈦合金高溫單向拉伸試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對鈦合金筒形件進(jìn)行了500℃條件下的顆粒介質(zhì)拉深試驗(yàn)及成形后零件壁厚、輪廓尺寸計(jì)算模擬分析，驗(yàn)證了高溫顆粒介質(zhì)成形工藝對鈦合金板材的適用性及高溫顆粒介質(zhì)成形規(guī)律計(jì)算分析準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，高溫顆粒介質(zhì)成形工藝可以有效提高鈦合金零件的成形質(zhì)量。

1 材料性能試驗(yàn)

1.1 顆粒介質(zhì)三軸圍壓試驗(yàn)

三軸壓縮試驗(yàn)可以測定顆粒材料抗剪強(qiáng)度，側(cè)重于測量巖土、顆粒材料在三軸壓應(yīng)力條件下動(dòng)態(tài)受壓變形特征，相比于直剪試驗(yàn)，三軸圍壓試驗(yàn)中被測試材料的受力狀態(tài)更貼近于主動(dòng)式熱介質(zhì)成形中顆粒介質(zhì)。因此，為了測定顆粒材料Mohr-Coulomb摩擦模型參數(shù)，選擇三軸圍壓試驗(yàn)測定顆粒材料流動(dòng)特性及壓力傳遞規(guī)律。三軸圍壓試驗(yàn)結(jié)果繪制的強(qiáng)度包線如圖1所示。

從圖中可得，本文所選的非金屬顆粒材料Mohr-Coulomb摩擦模型粘聚力c=1.6255kPa，內(nèi)摩擦角φ=14.9352°，具有良好的流動(dòng)性，可對成形拉深力進(jìn)行有效傳遞。

1.2 TA1鈦合金高溫單向拉伸試驗(yàn)

圖1 三軸圍壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Result of triaxial compression tests

圖2 TA1板材不同條件下真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-strain curves of TA1 sheet under different conditions

為了獲取TA1材料高溫條件下拉伸性能，利用ZWICK單向拉伸試驗(yàn)機(jī)，對1mm厚TA1板材進(jìn)行了500℃，不同應(yīng)變速率條件下的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變試驗(yàn)曲線，如圖2所示?？梢钥吹?，在500℃條件下，應(yīng)變速率越低，其最大延伸率越高；而不同應(yīng)變速率對其材料的硬化曲線影響不顯著。

2 TA1鈦合金筒形件高溫顆粒介質(zhì)試驗(yàn)

高溫顆粒介質(zhì)成形試驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的YRJ-50板材實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。壓邊圈盛料腔內(nèi)徑80mm，凹模內(nèi)徑85mm，TA1合金板材厚度1mm，壓邊間隙選用1.2mm，高溫顆粒介質(zhì)成形試驗(yàn)?zāi)＞呤疽鈭D如圖3所示。在500℃條件下，對坯料直徑為180mm，160mm的TA1板材進(jìn)行了不用拉深深度的顆粒介質(zhì)成形試驗(yàn)。

圖3 高溫顆粒介質(zhì)成形試驗(yàn)?zāi)＞呤疽鈭DFig.3 Diagram of experimental equipment for hot granular medim forming

在高溫條件下，選用膠體石墨水劑作為潤滑劑，涂抹在坯料表面，等晾干后備用。石墨水劑不僅起到潤滑的作用，在高溫條件下還能有效防止鈦合金板材表面氧化現(xiàn)象。顆粒介質(zhì)裝料高度選為70mm，成形過程采用恒拉深速率控制，拉深速率選擇為5mm/min。

成形后零件如圖4所示，在軟凸模作用下，坯料底部自由變形區(qū)呈大圓角特征。文獻(xiàn)[8]分析指出，在厚度方向壓應(yīng)力作用下，自由變形區(qū)坯料處雙向拉應(yīng)力狀態(tài)，可有效防止不均勻變形導(dǎo)致的失穩(wěn)，抑制起皺趨勢?？梢钥吹剑邷仡w粒介質(zhì)成形出的零件具有較好的表面質(zhì)量。

圖4 500℃不同拉深深度鈦合金零件Fig.4 TA1 parts by hot granular medium forming process at 500℃

3 高溫介質(zhì)成形數(shù)值仿真及對比

為了驗(yàn)證顆粒介質(zhì)流動(dòng)過程仿真計(jì)算準(zhǔn)確性，利用ABAQUS軟件對顆粒介質(zhì)筒形件成形進(jìn)行了仿真分析，成形過程采用軸對稱模型，TA1板材厚度1mm，試驗(yàn)溫度選擇為500℃。利用高溫單向拉伸試驗(yàn)獲取的鈦合金材料參數(shù)及三軸圍壓試驗(yàn)中獲取顆粒介質(zhì)傳壓參數(shù)，建立了如圖5所示的仿真計(jì)算模型。計(jì)算分析結(jié)果如圖6所示，可以看到，在熱顆粒介質(zhì)成形過程中，最小壁厚出現(xiàn)在通底部中央?yún)^(qū)域，壁厚值從該區(qū)域到零件邊緣均勻增大，具有較好的壁厚均勻性。

對成形高度H=58.3mm及H=81.5mm的零件進(jìn)行了外形尺寸三維坐標(biāo)測量及剖開后零件壁厚分布測量，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。相應(yīng)成形條件下對比結(jié)果如圖7所示。由圖可知，模擬曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合較好，反映出從三軸圍壓試驗(yàn)及高溫單向拉深試驗(yàn)中獲取的材料參數(shù)可以較為精確地表征高溫條件下顆粒介質(zhì)及TA1鈦合金板材的流動(dòng)變形規(guī)律。

圖5 高溫顆粒介質(zhì)成形計(jì)算模型Fig.5 Numerical model of hot granular medium forming process

4 結(jié)論

（1）高溫顆粒介質(zhì)成形技術(shù)利用固體顆粒代替剛性模具可以實(shí)現(xiàn)鈦合金零件的高溫加工成形，成形溫度可達(dá)500℃以上；

（2）仿真計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫顆粒介質(zhì)成形工藝成形出的鈦合金筒形零件具有較好的壁厚均勻性；

（3）在厚度方向壓應(yīng)力作用下，鈦合金零件成形過程起皺趨勢被有效抑制，成形質(zhì)量得到提高。

圖6 仿真計(jì)算結(jié)果Fig.6 Results of numerical simulation

圖7 外形尺寸壁厚對比圖Fig.7 Comparison of shape dimension and thickness distribution between numerical simulation and experimental results

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