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        TC1鈦合金端蓋零件熱拉深成形工藝研究

        2017-05-16 01:38:38李鵬亮李均紅
        航空制造技術(shù) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:壓邊圓角板材

        張 志 ,李鵬亮 , 孫 賓 ,李均紅

        (1. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院,北京100024;2.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100024;3.數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100024;4.四川成發(fā)航空科技股份有限公司,成都 610503)

        鈦合金板材常溫下屈強(qiáng)比(σ0.2/σb)大,彈性模量小,成形時(shí)其塑性變形范圍窄,回彈大,表現(xiàn)為易開(kāi)裂、零件尺寸精度難于控制。通常需要在550~750℃的高溫下成形(簡(jiǎn)稱(chēng)熱成形)[1]。熱成形是利用金屬材料加熱軟化,以降低板料的變形抗力,提高板料在成形過(guò)程中所能達(dá)到的變形程度,減少?gòu)椥曰貜?,提高零件的成形精度[2]。目前,國(guó)外航空航天工業(yè)中,鈦合金鈑金件90%以上是用熱成形工藝制造的[3]。

        Luo[4]和Yin[5]等采用數(shù)值模擬技術(shù)探討了壓邊力、溫度和成形速度等對(duì)TC1鈦合金薄板熱拉深成形工藝的影響;張凌云等[6]對(duì)TC1M鈦合金板材600℃溫度下杯形件拉深成形及回彈過(guò)程進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示熱拉深能有效地抑制卸載回彈;郭天文[7]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了溫度、應(yīng)變速率、壓邊間隙和摩擦系數(shù)對(duì)TC4鈦合金板材熱拉深的影響;徐萌萌[8]在此基礎(chǔ)上對(duì)TC1、TA15鈦合金板材的成形性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。本文根據(jù)某型TC1鈦合金端蓋零件薄壁、大拉深比的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于試驗(yàn)研究,分析影響其成形過(guò)程和成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素,為解決類(lèi)似零件的成形起到一定的指導(dǎo)作用。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 零件結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)

        圖1 端蓋零件及基本尺寸Fig.1 Structure of the part and its dimensions

        端蓋零件的形狀及基本尺寸如圖1所示,材料為T(mén)C1鈦合金,厚度為1.0mm,要求零件外觀光亮,無(wú)劃傷、起皺及氧化現(xiàn)象;同時(shí),由于零件的圓周及底部需焊接零件,對(duì)成形后零件的尺寸公差和位置精度要求較高。如果采用棒料或管材車(chē)削加工,零件壁厚太小,加工過(guò)程容易變形。采用板材熱拉深時(shí)外觀質(zhì)量差且尺寸難以保證,因此需要對(duì)端蓋零件的熱成形工藝進(jìn)行研究。

        從零件幾何特點(diǎn)分析,熱成形過(guò)程實(shí)際為板料在熱狀態(tài)下的拉深成形,其成形難點(diǎn)在于,首先是材料厚度為1.0mm,底部圓角為R=3mm,彎曲半徑為3倍料厚,航空材料手冊(cè)要求彎曲半徑不小于4倍料厚;其次,端蓋零件屬于深拉深件,零件直徑為274mm,高度為62mm。考慮到熱拉深工藝的特點(diǎn),要保證零件的最終高度同時(shí)考慮到后續(xù)工序留工藝余量,半成品的拉深高度應(yīng)大于80mm,經(jīng)計(jì)算拉深系數(shù)為1.62,已接近所用材料的拉深極限,屬于大拉深比零件,在成形過(guò)程中容易在圓角處產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。

        此外端蓋零件底部需要焊接加強(qiáng)框零件,對(duì)底部的平面度要求較高。在以往的生產(chǎn)過(guò)程中,鈦合金拉深零件與模具之間存在摩擦力,采用手工撬取的方法會(huì)導(dǎo)致零件底面在脫模過(guò)程容易產(chǎn)生翹曲變形,造成平面度不符合設(shè)計(jì)要求。

        1.2 試驗(yàn)材料

        TC1(Ti-2Al-1.5Mn)鈦合金是一種低合金化的(α+β)兩相組織鈦合金,主要合金元素為α相穩(wěn)定元素Al和β相穩(wěn)定元素Mn,具有良好的成形性能、焊接性能和工藝性能[9]。試驗(yàn)選用的退火態(tài)的TC1板材,實(shí)測(cè)厚度為1.05~1.06mm,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

        表1 TC1鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        1.3 試驗(yàn)裝置

        圖2 模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mould structure

        采用帶壓邊圈的拉深模具在RX-1上進(jìn)行拉深試驗(yàn),模具材料選擇不銹鋼1Cr18Ni9Ti,拉深模具采用倒裝式結(jié)構(gòu)(圖2),通過(guò)調(diào)節(jié)壓邊圈與凹模之間的間隙來(lái)調(diào)節(jié)拉深過(guò)程的壓邊力,利用油壓頂緊凹模與壓邊圈,通過(guò)調(diào)節(jié)上下缸的油壓實(shí)現(xiàn)不同速度的拉深。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 模具材料的影響

        熱成形模具應(yīng)根據(jù)零件的特點(diǎn)、要求和批量來(lái)選用不同的材料。前期的研究表明,不銹鋼1Cr18Ni9Ti在高溫下抗氧化性能好,并且高溫下的屈服強(qiáng)度仍可滿(mǎn)足壓力加工的需求[10],因此本文選擇了不銹鋼1Cr18Ni9Ti作為模具材料。在前期工藝試驗(yàn)中,當(dāng)拉深高度接近拉深極限時(shí),筒壁會(huì)出現(xiàn)拉傷(圖3(a)),后期雖經(jīng)簡(jiǎn)單打磨處理但拉傷嚴(yán)重部位仍無(wú)法消除(圖3(b));若通過(guò)打磨完全去除拉傷部分,零件的最小壁厚已低于0.85mm,無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11],1Cr18Ni9Ti在高溫下易與TC1發(fā)生焊合作用而導(dǎo)致零件擦傷,進(jìn)而導(dǎo)致零件報(bào)廢;此外,1Cr18Ni9Ti材質(zhì)較軟,零件拉深過(guò)程中易變形而導(dǎo)致壓邊力不均勻造成零件起皺。因此,1Cr18Ni9Ti適合淺拉深零件,對(duì)深拉深不利。

        圖3 零件側(cè)壁出現(xiàn)拉傷Fig.3 Abrasive damage of the part

        最終改用中硅鉬球墨鑄鐵作為模具材料。該種材料在中硅球鐵中加入合金元素鉬后,鉬固溶于鐵素體中,其固溶強(qiáng)化作用,同時(shí)可以促進(jìn)石墨化,細(xì)化石墨和基體組織,這可以提高鑄鐵的常溫機(jī)械性能,特別是提高了高溫機(jī)械性能(即紅硬性)。同時(shí),相對(duì)于昂貴的耐熱合金,中硅鉬球墨鑄鐵加工容易,模具的成本和周期均適應(yīng)成形溫度不高、小批量零件的生產(chǎn)。模具材料采用中硅鉬球墨鑄鐵,成形后的零件經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單打磨,在壁厚滿(mǎn)足要求的前提下,外觀質(zhì)量合格(圖4)。

        2.2 成形溫度的影響

        溫度是影響鈦合金成形性能的主要因素,隨著溫度的升高,鈦合金板料的塑性成形能力增強(qiáng),有利于提高拉深系數(shù);但同時(shí)材料的厚向異性指數(shù)減小,板材在厚度方向的變形越來(lái)越容易,拉深過(guò)程中危險(xiǎn)截面處減薄量增加,圓角處易于破裂。因而鈦合金的成形溫度并非越高越好,應(yīng)綜合考慮上述因素。

        試驗(yàn)過(guò)程中首先固定工藝參數(shù)(壓邊間隙為1.15mm,拉深速度為30mm/min),來(lái)研究不同溫度對(duì)拉深結(jié)果的影響。試驗(yàn)表明,在600~700℃之間均可拉深出表面質(zhì)量合格的端蓋零件,但零件的減薄位置由凸模圓角區(qū)過(guò)渡到凹模圓角與筒壁連接處,零件的最小壁厚也是不斷變化的。為此本文選用了600℃、625℃、650℃、675、700℃進(jìn)行拉深試驗(yàn),使用超聲測(cè)厚儀測(cè)量了成形后端蓋零件各部位的壁厚(圖5),取最小值進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。

        圖4 打磨完表面合格的零件Fig.4 Part with good surface quality after sanding

        圖5 零件各處壁厚檢測(cè)示意圖Fig.5 Scheme of the part wall thickness measurement

        圖6 不同溫度下零件最小壁厚Fig.6 Wall thickness at elevated temperatures

        可見(jiàn)零件的最小壁厚數(shù)值隨著溫度的升高先增大后減小,最大值出現(xiàn)在625℃,此時(shí)最小壁厚為1.02mm,最接近原始板材厚度(1.05~1.06mm),完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這是因?yàn)樵谠摐囟认?,TC1的延伸率約為140%,但抗拉強(qiáng)度仍有183MPa,在拉深過(guò)程中可以有效地抵抗徑向變形,從而防止危險(xiǎn)截面嚴(yán)重破壞。因此,最終選用的成形溫度為(620±10)℃。

        2.3 壓邊間隙的影響

        在鈦合金拉深成形過(guò)程中,壓邊間隙對(duì)成形質(zhì)量有一定的影響。如果間隙過(guò)小,材料與模具之間的摩擦力增大從而增加筒壁的拉應(yīng)力,引起零件筒壁的過(guò)度減薄,并且容易在成形件表面形成劃痕,增加打磨處理工序;間隙過(guò)大法蘭部分易起皺,此時(shí)法蘭部分材料不容易進(jìn)入變形區(qū),易導(dǎo)致圓角部分減薄。因此,本文選擇在620℃,壓邊間隙依次為1.1mm、1.15mm、1.2mm、1.25mm、1.3mm進(jìn)行了拉深試驗(yàn),測(cè)試了不同壓邊間隙對(duì)零件最小壁厚的影響。

        圖7 不同壓邊間隙時(shí)零件圓角位置的最小壁厚Fig.7 Minimum wall thickness of the corner area at different blank holder gaps

        圖8 不同壓邊間隙時(shí)零件Fig.8 Parts at different blank holder gaps

        從圖7可以看到,最小壁厚隨著壓邊間隙的增大先變大后變小,當(dāng)壓邊間隙為1.1mm和1.15mm時(shí),最小壁厚從0.96mm增加到0.98mm,但成形件表面有嚴(yán)重劃傷(圖8(a)),經(jīng)打磨處理后最小壁厚減小到0.92mm,無(wú)法滿(mǎn)足后續(xù)旋壓收口工序;當(dāng)壓邊間隙在1.3mm時(shí),法蘭部分起皺比較嚴(yán)重(圖8(b)),此時(shí)最小壁厚出現(xiàn)在測(cè)量點(diǎn)4(圖5),數(shù)值為0.93mm,同樣無(wú)法滿(mǎn)足后續(xù)工序。但壓邊間隙選擇1.2mm和1.25mm時(shí),成形零件表面只有輕微的劃傷(圖8(c)),經(jīng)打磨處理后最小壁厚約為1.0mm,完全滿(mǎn)足后續(xù)加工要求。因此,選擇壓板間隙為1.2mm和1.25mm,可以成形出質(zhì)量較好的端蓋零件。這是因?yàn)楫?dāng)壓邊間隙在1.2mm以下時(shí),板料法蘭部位的材料在流向直筒變形區(qū)受阻,塑性變形區(qū)主要集中在壓邊間隙處的材料,凹模圓角處不能持續(xù)得到補(bǔ)充材料,拉深過(guò)程中圓角部位材料會(huì)減??;當(dāng)壓邊間隙在1.25mm以上時(shí),由于間隙較大,法蘭部位容易起皺,當(dāng)起皺較為嚴(yán)重時(shí)法蘭部分材料不能進(jìn)入筒形變形區(qū),同樣圓角部位材料也會(huì)減薄。因此,過(guò)大或者過(guò)小的壓邊間隙均不利于材料的熱拉深成形。因此在壓邊間隙為1.2mm和1.25mm時(shí),板材的法蘭部位材料流入變形區(qū)的阻力降低,且壓邊力足夠防止法蘭部分材料起皺,成形出的零件尺寸和表面質(zhì)量較好。

        2.4 拉深速率的影響

        鈦合金屬于應(yīng)變速率敏感材料,應(yīng)變速率越低,越有利于板材的成形。但大的應(yīng)變速率有利于提高生產(chǎn)效率。因此,選擇既能滿(mǎn)足工藝要求又能提高生產(chǎn)效率的拉深速度至關(guān)重要。

        試驗(yàn)過(guò)程固定其他工藝參數(shù)(溫度為(620±10)℃,壓邊間隙為1.2mm),設(shè)定拉深速度為10mm/min、30mm/min、60mm/min、100mm/min。結(jié)果表明,采用 10mm/min和30mm/min進(jìn)行拉深時(shí),可獲得壁厚和表面質(zhì)量均符合要求的零件;采用60mm/min進(jìn)行拉深時(shí),零件的最小壁厚約為0.92mm,考慮到后續(xù)工序,可能無(wú)法滿(mǎn)足最終零件壁厚不低于0.90mm的要求;當(dāng)拉深速率提高到100mm/min時(shí),當(dāng)拉深進(jìn)行到一半時(shí)便發(fā)生斷裂,拉深無(wú)法繼續(xù)。因此,綜合考慮實(shí)際需求,選擇合理的拉深速度≤30mm/min。

        2.5 取件方式的影響

        在拉深成形過(guò)程中,由于模具材料與成形的金屬板材之間的熱膨脹系數(shù)差異,材料成形完成后冷卻過(guò)程中,模具和成形的零件的收縮量不同,導(dǎo)致模具和零件之間有較大的相互作用力,在零件出模時(shí)產(chǎn)生了很大的摩擦力,零件脫模困難,通常是在模具型腔內(nèi)部和板料表面涂潤(rùn)滑劑,拉深成形后采用手工撬取的方法脫模。由于施加的力量過(guò)大,過(guò)于集中,往往導(dǎo)致零件變形,表面劃傷甚至報(bào)廢。

        為此對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,在凸模中心增加專(zhuān)用氣道。通過(guò)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用氣道,向模具腔體內(nèi)通入持續(xù)的壓縮空氣,在對(duì)模具或零件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的同時(shí),通過(guò)均勻分布在型腔內(nèi)的氣壓產(chǎn)生向上的壓力,將零件吹出模具型腔。氣壓的作用可以產(chǎn)生向上的脫模力,使零件發(fā)生彈性變形減少與模具的接觸面積,從而使零件與模具的摩擦力降到最低。通過(guò)這種氣壓脫模方法,既可以降低脫模阻力,又可以使零件受力均勻,將零件變形降到最低。

        結(jié)合上述改進(jìn)措施,采用圖9所示的拉深模具,熱成形出了合格的進(jìn)/出口端蓋毛坯件零件底部平面度小于0.05mm(圖10)。

        3 結(jié)論

        設(shè)計(jì)了一套帶壓邊圈的拉深試驗(yàn)裝置,通過(guò)試驗(yàn)闡述了模具材料、溫度、壓邊間隙、拉深速度等對(duì)成形性能的影響,解決了零件取件底部平面度不滿(mǎn)足要求的問(wèn)題,得出如下結(jié)論:

        圖9 改進(jìn)后的拉深模具示意圖Fig.9 Schematic diagram of improved deep-drawing mould

        圖10 合格的端蓋零件Fig.10 Qualified part

        (1)熱拉深模具材料選擇中硅鉬球墨鑄鐵優(yōu)于 1Cr18Ni9Ti,成形溫度為(620±10)℃,壓邊間隙1.20~1.25mm,拉深速度不大于30mm/min,可以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)意的拉深結(jié)果。

        (2)改進(jìn)了模具結(jié)構(gòu),通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用氣道,采用空氣脫模的方式可實(shí)現(xiàn)筒底平面度小于0.05mm,為類(lèi)似零件的取件提供了工藝參考。

        參 考 文 獻(xiàn)

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