解文龍,馬 彥,陳帥峰,徐 勇,宋鴻武,張士宏

(1.中國科學(xué)院金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心, 沈陽 110016;2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司, 廣東 佛山 528311)

0 引言

鈦合金是一種廣泛運(yùn)用于航空航天、船舶、汽車以及醫(yī)療等眾多領(lǐng)域的重要金屬材料,強(qiáng)度高、密度低、良好的耐腐蝕性是鈦合金最典型的特性[1-4]。鈦合金在航空航天領(lǐng)域使用最多,占鈦合金產(chǎn)量的一半以上,因此鈦合金又被稱為典型的航空材料。隨著我國工業(yè)水平的高速發(fā)展,對于鈦合金的需求量也日益增加,而在鈦合金板材成形領(lǐng)域,室溫條件下的回彈問題一直是急需解決的問題[5],鈦合金板材成形回彈與眾多因素都是相關(guān)的,如材料性能、模具設(shè)計(jì)、成形工藝等。由于鈦合金板材在室溫條件下回彈嚴(yán)重,使得鈦合金零件精度與目標(biāo)零件尺寸總存在較大誤差,這對于產(chǎn)品裝配精度非常不利。因此對于鈦合金成形多采用熱成形的工藝方法,但是熱成形也面臨著許多缺點(diǎn)與不足,例如成本高、效率低、晶粒粗大等[6]。

相關(guān)研究表明,高速成形具有顯著的減小回彈的作用。潘龍等[7]針對2024-T3態(tài)鋁合金板材進(jìn)行了機(jī)械V形彎曲和電磁V形彎曲(高應(yīng)變速率彎曲)的實(shí)驗(yàn)研究,對比分析發(fā)現(xiàn),機(jī)械V形彎曲過程中出現(xiàn)明顯的橘皮和回彈翹曲現(xiàn)象,而電磁V彎曲成形件的翹曲回彈較小甚至被消除。劉大海等[8]研究了AA5052-O鋁合金板材和半硬態(tài)T3純銅的U形件磁脈沖輔助彎曲回彈控制及變形分析,結(jié)果表明,通過脈沖磁場力來調(diào)控彎曲角部位的應(yīng)力應(yīng)變分布作用以及板料與模具之間的高速沖擊效應(yīng),可有效降低回彈。林遵東[9]發(fā)現(xiàn)采用電磁輔助彎曲成形方法能夠有效地抑制TA32鈦合金彎曲件的回彈。航空航天領(lǐng)域中有許多TC4鈦合金鈑金零件具有大曲率半徑特征,本文中針對典型的具有大曲率半徑特征的封閉板材和開放板材成形后回彈進(jìn)行研究,分別采用準(zhǔn)靜態(tài)成形工藝和高應(yīng)變速率沖擊液壓成形工藝進(jìn)行研究,獲得高應(yīng)變速率成形對TC4鈦合金回彈的影響,為提高航空航天鈦合金零件成形的精度與鈦合金板材制造技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 回彈實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及設(shè)備

1.1 回彈實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文中將以TC4鈦合金板材為研究對象,分析航空航天鈦合金零件,設(shè)計(jì)了具有大曲率半徑特征的半球拉深成形和具有大曲率半徑特征的板條彎曲成形,半球形板材拉深成形屬于四周封閉試樣,而板條彎曲則屬于不封閉開放類試樣。研究表明,TC4鈦合金在不同應(yīng)變速率條件下的力學(xué)性能相差較大[10],相應(yīng)的其在不同應(yīng)變速率條件下TC4鈦合金鈑金產(chǎn)品成形后回彈也會有差別,因此設(shè)計(jì)了不同應(yīng)變速率成形上述兩類試樣,分別為采用準(zhǔn)靜態(tài)成形和沖擊液壓成形,通過工藝實(shí)驗(yàn)研究這2種不同類型試樣在室溫條件下的回彈規(guī)律,以便更深入了解TC4鈦合金板材在廣域應(yīng)變速率下的回彈規(guī)律。設(shè)計(jì)的封閉板材和開放板材以及所用模具示意圖如圖1所示。TC4鈦合金板厚度為1.2 mm,半球形板材拉深成形坯料直徑為155 mm;板條彎曲成形坯料長寬分別為146 mm和26 mm。

圖1 2種回彈試樣以及模具示意圖

1.2 回彈量定量化評價(jià)方法

由于兩類回彈試樣類型不同,在研究回彈時(shí),以式(1)和式(2)中的X和Y分別表示對半球拉深成形和板條彎曲進(jìn)行衡量回彈的程度,半球成形和彎曲成形卸載前后的回彈量計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 回彈量定量化評價(jià)方法

為了方便測出鈦合金板材回彈前后的高度差,在進(jìn)行該工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)采用雙層板進(jìn)行成形,即一塊TC4鈦合金坯料,一塊304不銹鋼坯料,實(shí)驗(yàn)時(shí),兩塊坯料重疊放置,由液體作用于TC4鈦合金坯料,再由TC4鈦合金坯料作用于304坯料,使其兩塊坯料同步成形。相比TC4鈦合金而言,304不銹鋼板料回彈量極小,因此忽略304板料的回彈量,即默認(rèn)304板料不發(fā)生回彈。成形完成之后把304板料與TC4鈦合金板料成形后的高度差作為鈦合金回彈前后的高度差,即鈦合金的回彈量。

半球拉深成形回彈量計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:X為半球形件回彈量;H0為半球形件回彈前的高度;H為半球形件回彈后的高度。

板條彎曲成形回彈量

(2)

式(2)中:Y為彎曲件的回彈量;R0為彎曲件回彈前的半徑;R為彎曲件回彈后的半徑。

1.3 回彈實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用準(zhǔn)靜態(tài)成形和沖擊液壓成形對2種不同類型零件進(jìn)行成形,并研究其回彈規(guī)律。對于半球拉深成形來說,由于其封閉的特征,準(zhǔn)靜態(tài)成形采用準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形,而對于板條彎曲成形,由于其不封閉開放的特征,準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形不適合成形此類零件,其準(zhǔn)靜態(tài)成形采用普通剛模沖壓。半球拉深準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形工藝實(shí)驗(yàn)采用350 t成形液壓機(jī)進(jìn)行,設(shè)備如圖3所示。

圖3 液壓成形機(jī)

沖擊液壓成形工藝實(shí)驗(yàn)在自行研制的高速沖擊液壓成形設(shè)備上進(jìn)行。沖擊液壓成形實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。該裝置工作原理為:高壓氣體瞬間釋放從而推動沖擊體高速運(yùn)動,高速運(yùn)動的沖擊體撞擊液室中的液體產(chǎn)生沖擊波,液體沖擊波作用于坯料使其瞬間貼膜成形,沖擊體的沖擊速度由測速儀精準(zhǔn)記錄并顯示。該裝置可進(jìn)行自下向上沖擊成形,即可以實(shí)現(xiàn)液室在板材下方,這樣解決了不封閉開放零件無法使用液壓成形的問題。

圖4 沖擊液壓實(shí)驗(yàn)裝置原理及實(shí)際圖

2 回彈實(shí)驗(yàn)方案

在準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形下和沖擊液壓成形下分別進(jìn)行半球拉深成形得出鈦合金板材在不同實(shí)驗(yàn)條件下的回彈情況。在進(jìn)行沖擊液壓工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)主要研究不同沖擊速度對TC4鈦合金板材在高應(yīng)變速率成形下回彈量的影響,而準(zhǔn)靜態(tài)成形可以作為沖擊速度為0的特殊情況。其實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 半球拉深成形回彈工藝實(shí)驗(yàn)方案

在普通剛模沖壓成形下和沖擊液壓成形下分別進(jìn)行板條彎曲成形得出鈦合金板材在不同實(shí)驗(yàn)條件下的回彈情況。其沖擊速度分別為0、35、40、44、47、52 m/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 半球拉深成形回彈結(jié)果及分析

按照半球拉深成形實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行半球拉深成形實(shí)驗(yàn),最后得到不同實(shí)驗(yàn)條件下TC4鈦合金板材半球形試樣,以壓邊力為62 MPa為例,不同沖擊速度回彈試樣回彈后實(shí)物圖片如圖5所示。

圖5 不同沖擊速度回彈試樣(壓邊力62 MPa)

為了準(zhǔn)確測量出TC4鈦合金半球形件的回彈量,本文采用手持式三維掃描儀如圖6(a)所示,分別對TC4鈦合金和304不銹鋼半球形試樣實(shí)物件進(jìn)行三維掃描,用此手持式三維掃描儀將工藝實(shí)驗(yàn)得到的所有試樣進(jìn)行掃描,經(jīng)三維掃描可獲得每個(gè)試樣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6(b)所示,然后將掃描結(jié)果通過軟件可以進(jìn)行精準(zhǔn)測量,將半球拉深回彈實(shí)驗(yàn)得到的TC4鈦合金和304不銹鋼半球形試樣通過三維掃描測量出半球形件的高度。準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形下和沖擊液壓成形下,不同沖擊速度對TC4鈦合金板材半球成形回彈影響規(guī)律如圖7所示。

圖6 手持式三維掃描儀及掃描結(jié)果

圖7 半球拉深成形回彈結(jié)果

可以看出,采用不同壓邊力對鈦合金板材進(jìn)行液壓成形工藝實(shí)驗(yàn)時(shí),增大壓邊力,鈦合金回彈增大,這是由于加大壓邊力使鈦合金成形量更小,塑性變形占比更小,所以回彈增大。

TC4鈦合金板材在沖擊液壓成形下的回彈量遠(yuǎn)小于其在準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形下的回彈量,這是由于沖擊速度越大,鈦合金變形量更大,塑性變形占比增加,所以回彈減小。并且隨著沖擊速度增大,其回彈量減小,但是隨著沖擊速度繼續(xù)增加,對回彈的抑制效果慢慢減緩。沖擊液壓成形可以很好抑制TC4鈦合金在室溫下的回彈,大大提高鈦合金的成形性能。

3.2 板條彎曲成形回彈結(jié)果及分析

按照板條彎曲成形實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行板條彎曲成形實(shí)驗(yàn)方案,得到不同沖擊速度下TC4鈦合金板條彎曲變形回彈試樣回彈后實(shí)物圖片如圖8所示。

圖8 不同沖擊速度板條彎曲回彈試樣

同樣將不同沖擊速度成形得到的彎曲回彈試樣通過手持式三維掃描儀進(jìn)行三維掃描,再通過軟件測量出彎曲件回彈后的半徑。根據(jù)彎曲回彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制曲線,得出在準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊液壓彎曲成形中,不同沖擊速度對彎曲回彈的影響規(guī)律如圖9所示。

圖9 板條彎曲成形回彈結(jié)果

通過對比分析板條彎曲成形回彈工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,當(dāng)采用準(zhǔn)靜態(tài)剛模成形時(shí),當(dāng)卸去載荷后,TC4鈦合金板條完全彈復(fù)。這是由于TC4鈦合金在室溫成形時(shí)極易回彈,而此板條又具備大曲率半徑的特征,塑性變形占比很少,導(dǎo)致了完全彈復(fù)。而在沖擊液壓成形中可以看出,隨著沖擊速度的增大,彎曲件的回彈量都逐漸減小。這同樣表明了沖擊液壓成形可以很好抑制TC4鈦合金在室溫下的回彈。

沖擊液壓成形中,隨著沖擊速度的增大,彎曲件的回彈量都逐漸減小,并且隨著應(yīng)變速率進(jìn)一步繼續(xù)增加,彎曲件開始出現(xiàn)負(fù)回彈,即往相反的方向進(jìn)行回彈。并且負(fù)回彈的大小與沖擊速度成正相關(guān),即速度越大,負(fù)回彈越嚴(yán)重。負(fù)回彈的產(chǎn)生是由于在高速沖擊條件下,板條彎曲成形過程中產(chǎn)生壓應(yīng)力,最后殘余壓應(yīng)力的釋放產(chǎn)生負(fù)回彈。

4 結(jié)論

本文中針對典型的具有大曲率半徑特征的封閉板材和開放板材成形后回彈進(jìn)行研究,分別采用準(zhǔn)靜態(tài)成形工藝和高應(yīng)變速率沖擊液壓成形工藝進(jìn)行研究,獲得高應(yīng)變速率成形對TC4鈦合金回彈的影響,得到的主要結(jié)論為:

1) 增大壓邊力,鈦合金回彈增大,這是由于加大壓邊力使鈦合金成形量更小,塑性變形占比更小,所以回彈增大。

2) 高應(yīng)變速率沖擊液壓成形回彈遠(yuǎn)小于準(zhǔn)靜態(tài)成形回彈,沖擊速度越大,鈦合金變形量更大,塑性變形占比增加,所以回彈減小。相比準(zhǔn)靜態(tài)條件下,沖擊液壓成形技術(shù)可以有效抑制TC4鈦合金板材在室溫下條件下的回彈。

3) 在一定沖擊速度范圍內(nèi),半球成形回彈與彎曲回彈都呈現(xiàn)沖擊速度增加,回彈減小的規(guī)律,即增加沖擊液壓成形的沖擊速度可減小回彈。然而隨著沖擊速度繼續(xù)增加到一定值時(shí),四周不封閉的板條彎曲出現(xiàn)負(fù)回彈現(xiàn)象。