邢秋麗，彭 湃，張嫦娟，王瑞琴，李 輝，唐 進

(1.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201)(2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

鈦及鈦合金板材拉深成形的影響因素與技術進步

邢秋麗1，彭 湃2，張嫦娟1，王瑞琴1，李 輝1，唐 進1

(1.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201)(2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

鈦及鈦合金相對鋁、鋼等金屬材料塑性差、極限變形量小、成形時回彈大，拉深成形相對困難。介紹了鈦及鈦合金拉深成形的影響因素及其對成形的影響，綜述了鈦及鈦合金拉深成形在各向異性控制、壓邊力控制、計算機模擬以及加熱方法等方面的技術進步，指出了未來研究人員應充分利用計算機模擬技術，對影響鈦及鈦合金沖壓成形的各種因素及其之間的相互關聯(lián)建立詳盡的數(shù)據庫，以便該成形工藝在鈦及鈦合金零部件的成形得到更廣泛的應用。

鈦及鈦合金；拉深成形；影響因素

0 引 言

鈦及鈦合金作為一種新型輕質金屬材料，具有密度小、比強度高、耐腐蝕、線膨脹系數(shù)低、無磁等優(yōu)點，被廣泛應用于航空航天、石油化工、海洋工程、醫(yī)療器械及武器裝備等領域。近年來，隨著鈦及鈦合金材料應用的日益廣泛和人們對其性能研究的日益深入，鈦及鈦合金沖壓成形工藝得到了研究者們越來越多的關注。

鈦及鈦合金沖壓加工是借助沖壓設備和模具，對鈦及鈦合金材料施加壓力，使其分離或塑性變形的一種先進的壓力加工方法。其優(yōu)點是成形尺寸范圍寬，質量穩(wěn)定，一致性好，材料消耗低，生產效率高，操作方便，易于實現(xiàn)機械化和自動化。被用于成形鈦合金板式熱交換器，飛機發(fā)動機罩，手機、手表、電腦外殼，生物假體，高爾夫球頭以及鍋、杯子和盛酒器等生活日用品。

但是由于鈦及鈦合金相對鋁、鋼等金屬材料塑性差、極限變形量小、成形時回彈量大，因此沖壓成形相對困難。鈦及鈦合金拉深成形是鈦及鈦合金沖壓成形工藝中的一種，本文重點介紹鈦及鈦合金板材拉深成形的影響因素及技術進步。

1 鈦及鈦合金板材拉深成形影響因素

鈦及鈦合金板材拉深成形是將具有一定厚度的平面板坯，借助沖壓設備和模具，制成厚度基本保持不變的開口空心形狀零件，如圖1所示。影響鈦及鈦合金板材拉深成形的因素很多，有材料自身的因素影響，如板材的晶粒度、塑性、強度、比強度、加工硬化指數(shù)n和各向異性等，還有工藝因素的影響，如拉深次數(shù)、溫度、速度、拉深力、模具、潤滑劑等。下面探討影響鈦及鈦合金拉深成形的幾個主要因素。

圖1 鈦及鈦合金筒形件拉深示意圖

1.1 材料自身因素的影響

1.1.1 板材晶粒尺寸的影響

大量研究[1-3]表明，晶粒大小對鈦及鈦合金板材的拉深成形性有著重要影響。嚴中令等人對0.6 mm厚的TA1純鈦板進行了冷拉深成形實驗，實驗中用于拉深成形的兩塊TA1純板材氧、氮、鐵等雜質含量基本一致，塑性、韌性等也相差不大[1]。實驗結果表明，晶粒尺寸為0.044 mm的純鈦板拉深性能優(yōu)于晶粒尺寸為0.015 6 mm的純鈦板[1]。彭鎖華對國產鈦板與原西德廠生產的鈦板分別進行了冷拉深實驗，實驗所用的國產鈦板與原西德廠生產的鈦板雜質含量基本相同，但晶粒大小有所區(qū)別，拉深結果表明[3]：晶粒過于細小的鈦板拉深成形性能較差；晶粒過于粗大的鈦板比晶粒細小的鈦板韌性塑性低，拉深成形性能也不好；晶粒尺寸適中略大的鈦板，比晶粒細小的鈦板成形減薄量小，也比晶粒粗大的鈦板塑性韌性高，表現(xiàn)出較好的拉深成形性能。毛衛(wèi)民的著作[2]中指出，晶粒度對拉深成形性能的影響是由于晶粒大小影響了厚向異性指數(shù)(r)，晶粒越大，r值就越高，垂直于板材法線方向的平面上的塑性流動性就會越強，板材的拉深成形性就會越好；但當晶粒度過大時，就會引起板材其他力學性能的變化，如塑性韌性會有所下降等，使得拉深成形性變差。因此將鈦及鈦合金板材的晶粒度控制在適當?shù)姆秶鷥?，才能獲得良好的拉深成形性能。

1.1.2 板材塑性的影響

鈦及鈦合金板材的塑性同樣是影響其拉深成形的重要因素。通常軟鋼和鋁板在拉深過程中不需要考慮塑性的影響，因為在極限拉深系數(shù)下其塑性仍有富余[4]。而對鈦及鈦合金而言，受其塑性的影響，變形能力有限，往往不能夠承受從毛坯直徑直接壓縮到筒形件直徑的變形。圖2所示為TC2鈦合金筒形件的照片，可以看到筒形件已經被拉裂。因此，預備拉深成形鈦及鈦合金毛坯要在其他各項性能指標滿足要求的前提下盡量提高其塑性。

圖2 拉深成形的TC2鈦合金筒形件照片

1.1.3 板材加工硬化指數(shù)的影響

加工硬化指數(shù)(n)表示在冷變形過程中材料的變形抗力(強度)隨變形程度增大而增大的性質[5]。加工硬化指數(shù)(n)對鈦及鈦合金的拉深成形也有很大的影響。加工硬化指數(shù)小，則變形容易集中，使斷裂發(fā)生地較快；相反，加工硬化指數(shù)大，則在先變形的地方會產生較大的加工硬化作用，阻止其繼續(xù)變形，使變形較均勻，不易產生局部開裂，有利于拉深成形[4]。圖3為不同n值的鋼板厚向應變分布情況[4]。由圖3可以看出，n值小的鋼板在拉深成形過程中中心部位厚向應變較大，外側部位厚向應變較小，容易造成局部減薄而發(fā)生開裂；n值大的鋼板中心部位與外側的厚向應變分布較為均勻，且厚向應變值不大，具有較好的拉深性能。為此，對于鈦及鈦合金板材的拉深，也應可以同過適當增加工硬化指數(shù)來提高其拉深成形性能。

圖3 不同n值的鋼板厚向應變分布圖

1.1.4 板材各向異性的影響

鐵、鋁等金屬為立方結構，其板材的平面各向異性小[6]。而鈦為密排六方結構，其滑移系相對立方結構少，并且隨晶胞中c軸與a軸晶格常數(shù)的比值(c/a)而變化[7]，因此鈦及鈦合金的各向異性較為明顯。各向異性的產生歸根結底就是由多晶體晶粒取向分布狀態(tài)明顯偏離隨機分布而產生的，也就是形成了織構。對于拉深工藝而言，通常使用厚向異性指數(shù)(r)與平面異性系數(shù)(Δr)來表述板材的各向異性。

(1)厚向異性指數(shù)

厚向異性指數(shù)(r)是板材在單向拉伸試驗中，垂直于板材法線的某一方向的正應變ε與板法線方向的正應變εN之比，即：r=ε/εN[6]。

純鈦板晶胞c軸與板面法向的夾角越小，r值就越大，并且一般情況下不論c軸的傾角為多大，純鈦板橫向的r值都比縱向的大[7]。較高的r值說明在板寬方向的變形抗力小，而在板厚方向的變形抗力大，隨著r值的增大純鈦板的拉深性能也會提高[7]。嚴中令等人[1]關于TA1純鈦板的拉深成形的研究表明：r值增加使得純鈦板的沖壓成形性得以改善。

(2)平面異性系數(shù)

平面異性系數(shù)(Δr)與厚向異性關系密切，平面異性系數(shù)表示厚向異性在板面不同方向的差值，即軋板面上的各向變形抗力的差值[8]。其表達式為：

式中,下標0、45、90分別為單向拉伸試樣的軸向與板材軋制方向的夾角(°)。

拉深件制耳的形成與Δr值的大小有關，一般來說為使板材變形均勻防止制耳，要求板材的Δr值盡量小[7]。文獻[8]指出：拉深成形時，Δr>0，在0°、90°方向會產生制耳；Δr<0，在45°方向產生制耳；并且制耳的最高峰總是位于r值最大的方向。Tetsuro Ohwue等人[9]利用有限單元法模擬了工業(yè)純鈦的拉深成形，并利用模擬的數(shù)據對純鈦進行了拉深成形，得到的結果與文獻[8]所述一致。

1.2 工藝因素的影響

影響鈦及鈦合金拉深成形的主要工藝因素有拉深次數(shù)、模具尺寸以及拉深溫度等。

1.2.1 拉深次數(shù)

在制定拉深工藝時，必須預先確定該拉深件是否能由一道工序加工出成品，或是需要幾道工序才能加工成。為了計算拉深次數(shù)，生產中引入了拉延系數(shù)這一概念，即每次拉深成形后筒形件的直徑與拉深前毛坯直徑之比，見圖4。圖中dn為拉伸件成品直徑，原板坯可通過n次拉深制得成品，表示為[10]：

式中,m1、m2、m3……mn為各次的拉延系數(shù)；D為毛坯直徑；d1、d2、d3……dn為各次工件半成品的直徑。

為了用最少的拉深次數(shù)完成一個拉深件，每次拉深應使材料的應力不超過其強度極限，當筒壁傳力區(qū)所產生的最大拉應力，達到危險斷面的有效抗拉強度時，危險斷面所瀕于拉斷的拉延系數(shù)，則稱為極限拉延系數(shù)[11]。

圖4 n次拉深成形筒形件的示意圖

在一般拉深成形過程中，可令m2≈m3≈…≈mn≈mm,則有:

若結果不是整數(shù),應取與其相臨的較大的整數(shù)[11]。在制定拉深工藝時，如果拉延系數(shù)取得過小，就會使拉深件起皺、斷裂或嚴重變薄[5]。有文獻表明[11]，部分鈦合金拉延系數(shù)的選取范圍如表1所示。

表1 部分鈦合金材料拉延系數(shù)的選取范圍

當Rd≤6t時，m取大值；Rd≥(7～8)t時，m取小值。Rd為凹模圓角半徑，t為拉深件厚度。當(t/D)×100≥0.62，m取小值；(t/D)×100<0.62，m取大值。

1.2.2 模具尺寸的影響

凹、凸模尺寸設計合理與否，關系到成形件的形狀和質量。凹凸模尺寸的設計主要在于確定凹凸模的形狀、直徑、高度、深度、凹凸模圓角半徑(r凹、r凸)以及凹凸模間隙(Z)。凹凸模具體的形狀尺寸要依據拉延系數(shù)而定，只有當確定了適當?shù)睦酉禂?shù)后，才能計算出拉深件的直徑，從而制定合理的凹凸模的直徑。凹凸模具形狀也必須配套，凹凸模的深度與高度設計必須超過拉深件成品的高度。此外，凹凸模圓角半徑對鈦及鈦合金的拉深成形也有重要的影響。根據實踐經驗，鈦及鈦合金拉深成形時r凹、r凸及凹凸模間隙(Z)一般可根據下式進行計算[2]：

r凹=(8～10)×S

r凸=(0.5～1.0)×r凹

Z=(1.2～1.25)×S

式中，S為鈦及鈦合金板厚，Z為凹模與凸模的間隙。有文獻[11]表明，提高凹模圓角半徑(r凹)可以降低極限拉延系數(shù)，提高板材拉深成形性能，但是r凹太大，就會削弱壓邊圈的作用，使壓邊圈在圓角處壓不住材料，導致起皺；適當提高凸模圓角半徑(r凸)，可使材料在凸模圓角處的彎曲阻力減小，降低極限拉延系數(shù)，提高板材的拉深成形性能，但是r凸太大，則導致筒底尺寸產生變化[11]。因此，在工件規(guī)格允許的范圍內可適當增大凹凸模圓角半徑，提高鈦及鈦合金板材的拉深成形性能。

1.2.3 拉深溫度

拉深溫度是影響鈦及鈦合金的拉深成形的重要工藝因素。由于受自身性能的影響，有的鈦及鈦合金拉深件不易冷拉深成形，必須熱拉深成形，即對模具或板坯進行加熱。已有研究結果表明[13]，工業(yè)純鈦從室溫加熱到200 ℃，r值會隨溫度的增加呈直線增加，使其拉深延伸率提高，從而提高純鈦板的拉深成形性。Jaan Ming Liu等人[14]研究了不同溫度不同壓邊力下工業(yè)純鈦拉深成形性能，結果示于圖5。從圖中可以看出，隨著溫度從室溫升高到400 ℃，筒壁的成形高度明顯提高，在400 ℃時拉深的筒壁高度是室溫時筒壁拉深高度的兩倍多；并且隨著溫度的升高純鈦板材的塑性也有了提高，在400 ℃時拉深所需的壓邊力也有明顯的降低，使純鈦拉深成形更加容易[14]。熊志卿[15]檢測了不同溫度下的1.0 mm厚TA2純鈦板、0.8 mm厚TC1鈦合金板和1.0 mm厚TC4鈦合金板極限拉深系數(shù)，結果表明1.0 mm厚TA2純鈦板較合適的拉深溫度為400～500 ℃，0.8 mm厚TC1鈦合金板約為600～650 ℃，1.0 mm厚TC4鈦合金板約為650～700 ℃。林兆榮[16]也檢測不同溫度下1.2 mm厚TC1鈦合金板和1.5 mm厚TC3鈦合金板的極限拉深系數(shù)，表明較合適的拉深溫度分別為600 ℃和650 ℃。程樹甲[17]研究了TA7鈦合金板材中溫成形工藝，結果表明在其所制定工藝下TA7鈦合金板較理想的拉深溫度為700～800 ℃。

圖5 工業(yè)純鈦在不同溫度與壓邊力下的拉深件形貌

2 鈦及鈦合金拉深成形技術進步

2.1 各向異性控制技術進步

鈦及鈦合金在經過壓力加工以及熱處理以后，在不同方向上的力學、電磁及耐腐蝕等方面的性能會表現(xiàn)出較大的差異，呈現(xiàn)出各向異性[2]，對鈦及鈦合金板材拉深成形性有較大的影響。如果可以控制鈦及鈦合金板材的各向異性，勢必可以提高其拉深成形性能。

M.H.Shipton等人[18]通過改變拉深溫度來改變工業(yè)純鈦板的各向異性，從而改變其拉深成形性。室溫下拉深成形IMI125與IMI230純鈦板，均在與軋制方向呈45°、135°、225°、315°角的方向上產生了制耳，如圖6所示；在600 ℃以上進行熱拉深時，由于滑移系發(fā)生改變(以柱面滑移為主)，使工業(yè)純鈦板的各向異性發(fā)生了改變，在與軋制方向呈90°、270°角的方向上產生制耳，制耳高度也有明顯增大，如圖7所示[18]。

圖6 IMI125和IMI230試樣室溫拉深后的厚向應變與制耳高度

圖7 IMI125試樣在550 ℃和730 ℃拉深的厚向應變與制耳高度

吳建軍等人針對具有顯著面內各向異性的TA2鈦板(M態(tài))，給出了材料厚向異性指數(shù)r值的三角函數(shù)分布規(guī)律[19]：

A=Acp+A2cos 2θ+A4cos 4θ

式中，A表示TA2板的任一機械性能，如r、Rp0.2、Rm等；Acp=(A90+A0+2A45)/4；A2=(A0-A45)/2；A4=(A90+A0-2A45)/4；A0、A45和A90分別表示與軋向呈0°、45°和90°的機械性能。在此基礎上，又基于勢流原理和邊界元法，提出了面內異性的鈦合金板材在拉深成形過程中，凸緣外邊界勢值按材料的各向異性規(guī)律分布的假設，并計算出了合理的毛坯形狀，通過在凹耳的方向上增大毛坯直徑，在凸耳的方向降低毛坯直徑，有效避免了凸耳現(xiàn)象的產生[19]。

多年來，國內外對鈦及鈦合金各向異性的研究并不充分，在實際生產中對鈦及鈦合金各向異性的控制還沒有形成體系，尤其是受各向異性影響較大的拉深工藝，如何通過控制鈦及鈦合金板材的各向異性來改善其成形性仍有待于進一步研究。

2.2 壓邊力控制技術

國外從20世紀80年代開始研究壓邊調節(jié)裝置，但到目前為止仍處于試驗和改進階段，尚未工業(yè)化應用[21]。1990年第一套壓邊力控制設備由Hardt等人[22]設計，該控制設備使壓邊圈上的壓邊力均相等，并自始至終保持在不起皺的最小值，以防破裂。1993年，德國斯圖加特大學的Siedert K等人[23]在單動液壓機上，用4個液壓缸在4個角點處施加壓邊力，并建立了多點壓邊力計算機控制系統(tǒng)，提出了分段壓邊的概念，如在盒形件拉深成形時，將壓邊圈分為8個部分—— 4個直邊段與4個圓角段，可根據成形需要，加載不同的壓邊力。2004年Tetsuya Yagami等人[24]應用108個壓邊單元分布在壓邊圈上來控制材料的流動。圖8為過去的整體壓邊與Tetsuya Yagami等人研制的108個壓邊單元的對比[24]。綜上可知，壓邊力控制研究為各國學者們研究的熱點，隨著近年壓邊力控制系統(tǒng)的控制單元越來越多，也越來越精確，因此制出可在生產上應用的壓邊力控制裝置也只是時間問題。

圖8 整體壓邊單元分布圖

2.3 加熱技術的進步

鈦及鈦合金通常需要熱拉深成形，即對模具或板坯進行加熱。最早，熱拉深成形鈦及鈦合金零件采用噴燈或焊槍之類的工具加熱鈦板毛坯，這種加熱方法溫度不均勻，并且不利于控制。后來人們用電爐加熱鈦毛坯到合適的溫度，然后迅速移至壓床上拉深成形，但是從加熱爐內取出會使鈦板毛坯快速冷卻，不能達到準確的拉深溫度。再后來人們又開始利用鈦及鈦合金的高電阻系數(shù)，采用自阻加熱法，但是這種加熱方法由于存在一系列的技術問題，幾乎沒有得到實際的應用[12]。目前鈦及鈦合金熱拉深成形是采用電熱元件加熱的方法，提高了溫度控制的準確性[25]。

2.4 計算機模擬技術的進步

隨著計算機技術的快速發(fā)展，計算機模擬在金屬塑性成形加工領域得到了非常廣泛的應用。20世紀60年代，Yamada[26]用彈塑性有限元法模擬了筒形件拉深成形。到了80年代，CAD和CAE等單元技術開始運用到板材拉深成形工藝分析、規(guī)劃與模具設計上。到了今天，國外已推出了不少板材拉深成形的有限元商品軟件，例如ABAQUS、MARC、AUTOFORM、DYNAFORM、PAM-STAMP等，并在許多國家的研究部門和生產企業(yè)中得到了應用。

計算機模擬以及有限元數(shù)值分析在鈦及鈦合金板材拉深成形上應用，可以使得技術人員在計算機上非常直觀地觀察到材料變形和流動的詳細過程，直觀地讀出應力應變的分布、板材拉深時的厚度變化、破裂以及褶皺的形成經過，獲得拉深成形的詳細參數(shù)，從而根據已有的實際經驗調整參數(shù)以及改進工藝，縮短試驗時間，解決拉深問題。

計算機模擬鈦及鈦合金的拉深成形取得了眾多研究成果。臺灣金屬工業(yè)研發(fā)中心的周金龍等人[27]利用有限元軟件(PAMSTAMP)模擬了工業(yè)純鈦拉深拉深成形過程，并根據模擬數(shù)據制作了模具，進一步的拉深成形試驗與模擬結果相吻合；西安交通大學的連芩等人[28]利用eta/DYNAFORM軟件模擬設計了下頜假體的凹凸模，計算了純鈦板下料的最佳初始結構，并對純鈦板下頜假體進行模擬拉深，進而分析了其變形結果和破裂極限，為鈦下頜假體沖壓成形提供了必要的理論支持。

3 結束語

影響鈦及鈦合金拉深成形的因素有材料自身的因素，如晶粒度大小、塑性、加工硬化指數(shù)以及各向異性等，有工藝方面的因素，如拉深次數(shù)、模具設計以及拉深溫度。

近年來，隨著計算機模擬技術和控制技術的應用，鈦及鈦合金的拉深成形有了很大的突破。未來，鈦及鈦合金的研究工作者應充分利用計算機模擬技術，對影響鈦及鈦合金沖壓成形的各種因素及其之間的相互關聯(lián)建立詳盡的數(shù)據資源，使材料消耗低、產品一致性好、生產效率高、操作方便、易于機械化和自動化的工藝方法在鈦及鈦合金零部件成形得到更廣泛的應用。

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InfluencingFactorsandTechnologyAdvancesofTitaniumAlloyPlateinDeepDrawing

Xing Qiuli1，Peng Pai2，Zhang Changjuan1，Wang Ruiqin1，Li Hui1，Tang Jin1

(1.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.，Xi’an 710201)(2.Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055)

Comparing with aluminum and steel, titanium and titanium alloys have relatively low plasticity, small deflection at ultimate load, strong resilience during shaping and difficulties in deep drawing. This paper introduced the influence factors of titanium and titanium alloys in deep drawing, and the technological advances of titaniumand titanium alloys in deep drawing, such as anisotropy control, blank holder force control, computer simulation and heating method. This paper also presented that the future researchers should make full use of computer simulation, set up a database on the influence factors of titanium and titanium alloys in deep drawing, to make the forming technology for titanium and titanium alloy drawing parts widely used.

titanium and titanium alloy; deep drawing; influencing factors.

2015-06-09

邢秋麗(1968—)，女，高級工程師。