钛合金曲面类零件的热冲压工艺_胡云.pdf
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1、为了解决钛合金钣金件成形困难、易起皱、易破裂等问题,以异形曲面钛合金钣金件为研究对象,给出了热成形工艺方案。首先采用热冲压预制零件的主体部分,然后采用热校形工艺调整头部折弯边角度;进一步通过正交试验方法建立了正交试验组,采用极差分析法确定了各因素影响程度的主次关系,并得到了最优的工艺参数水平组合;最后,通过试验验证了工艺参数的有效性。研究结果表明:成形温度对钣金件成形质量的影响较大,温度过低,容易起皱,温度过高,软化严重,成形精度不高,TA15 钛合金的最优成形温度为 670;最优工艺参数组合下,钣金件厚度较均匀,最大偏差仅为 0.1 mm,说明热冲压成形工艺可以满足钛合金曲面类零件的厚度要求
2、。关键词:钛合金;热冲压成形;热校形工艺;异形曲面钣金件;成形温度DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.013中图分类号:TG386 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0095-04Hot stamping process of titanium alloy curved surface partsHu Yun1,Lin Bin2(1.Department of Intelligent Equipment,Changzhou College of Information Technology,Changzhou 213164,C
3、hina;2.Globe(Jiangsu)Co.,Ltd.,Changzhou 224199,China)Abstract:In order to solve the problems of difficult forming,easy wrinkling and easy cracking of titanium alloy sheet metal parts,for the special-shaped curved surface sheet metal parts of titanium alloy,the hot forming process scheme was given.Fi
4、rstly,the main part of parts was prefabricated by hot stamping,and then the bending angle of head was adjusted by hot sizing process.Furthermore,the orthogonal test groups were established by orthogonal test method,and the primary and secondary relationship for the influence degree of each factor wa
5、s determined by range analysis method to obtain the optimal combination of process parameters.Finally,the effectiveness of the process parameters was verified by tests.The research results show that the forming temperature has a great influence on the forming quality of sheet metal parts.If the temp
6、erature is too low,it is easy to wrinkle.If the temperature is too high,the softening is serious,and the form-ing accuracy is not high.The optimum forming temperature of TA15 titanium alloy is 670.Under the optimal process parameters,the thickness of sheet metal parts is relatively uniform,and the m
7、aximum deviation is only 0.1 mm.Thus,the hot stamping process can meet the thickness requirements of titanium alloy curved surface parts.Key words:titanium alloy;hot stamping;hot sizing process;special-shaped curved surface sheet metal parts;forming temperature收稿日期:2022-06-06;修订日期:2022-09-10作者简介:胡 云
8、(1975-),女,硕士,副教授E-mail:274054523 钛和钛合金是一种非常重要的金属材料,具有耐腐蚀性好、比强度高、中温性能好、可焊接、无磁性等优点,在航空、航天、特种作业等领域的应用比较广泛1-3。但是,钛合金仍具有一些缺点,例如:冷成形抗力大、塑性差、回弹大、常温不易成形,因此,通常采用热成形方法来加工钛合金钣金结构件4-5。以钛合金薄板为例,其成形过程是一个非常复杂的力学过程,需要考虑一系列非线性问题,包括:几何、材料、边界条件等。在整个热成形过程中,受摩擦因数、变形速度、成形温度等因素的影响,成形零件的表面精度、几何尺寸和力学性能均会出现不同程度的偏差6-7。通常情况下,钛
9、合金板材热成形过程中最常见的缺陷主要是破裂、起皱、回弹。目前,普遍使用有限元法来实现热成形工艺参数优化,并分析应力、应变的变化趋势,从而预测起皱、破裂等缺陷是否出现以及出现的位置。通过有限元分析可以发现,钛合金板材越厚越容易起皱,板材越薄越容易破裂8-10。但是,有限元分析建模过程比较理想化,往往无法准确模拟热成形过程。为解决此问题,本文以 TA15 钛合金曲面钣金件为研究对象,利用正交试验法来优化热成形参数,并通过试验来验证参数的合理性和准确性。1 零件工艺分析TA15 钛合金是一种近 型钛合金,铝元素含量比较高,其名义成分可表示为 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。文中所用试验件为 1.
10、5 mm 厚度的 TA15 钛合金板材。其几何特征可描述为:成形零件为一种异形曲面钣金件,外形尺寸约为 450 mm320 mm50 mm,如图 1 所示。图 1 零件图Fig.1 Part drawing零件外形比较复杂,其成形具有以下难点:(1)钛合金钣金件冷冲压时回弹明显,无法保证零件的尺寸精度,因此,需要采用热冲压成形。(2)试验件主体为曲面而非平面,需要专门设计成形模具。本文设计了如下成形方案,即首先采用热冲压预制零件的主体部分,然后采用热校形工艺调整各角度至精确值。2 正交试验参数优化通常情况下,钛合金板材热冲压成形质量的好坏仅仅使用单一指标评价是不合理的,因此,需进行多指标评价。
11、另外,热冲压成形质量受诸多因素影响,不同因素对指标的影响也不尽相同11。文中以最大增厚率和最大减薄率为评价指标,通过正交试验研究成形温度、变形速度、摩擦因数对评价指标的影响。为便于分析,不考虑各因素之间的相互作用,建立正交试验组。同时,利用极差分析法对各指标的影响因素进行主次排名,综合分析出最佳工艺参数组合。各影响因素水平如表 1 所示。不同试验方案及其对应的试验结果如表 2 所示。基于极差分析法对最大增厚率和最大减薄率这两个评价指标进行综合分析,其中,最大增厚率和最大减薄率均是越小越好。计算和分析结果如表 3 所示,其中,kj(j=1,2,3,4)为评价指标在某因素 j 水平表 1 正交试验
12、因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test水平因素A 变形速度/(mmmin-1)B 成形温度/C 摩擦因数115500.1226000.2336500.3447000.4表 2 正交试验方案及其结果Table 2 Schemes and results of orthogonal test方案因素评价指标A 变 形 速 度/(mmmin-1)B 成形温度/C 摩擦因数最大增厚率/%最大减薄率/%11116.4519.1822126.1221.8533136.1820.6644145.4526.5451225.8616.8862216.
13、2415.5373245.8620.1584236.5518.2291335.7213.76102345.4815.84113316.1515.87124326.2518.311314416.1413.53142436.0815.471534219.2816.87164415.7515.01下的试验结果之和,Kj(j=1,2,3,4)为评价指标在某因素 j 水平下的试验结果的平均值12。由表 3 可以看出,成形温度(影响因素 B)对最大增厚率和最大减薄率的影响最大,但是较优工艺参数是不同的。根据最大增厚率得到的最佳成形温度为 650,而最大减薄率对应的最佳成形温度为 700。综合考虑,选择较优
14、工艺参数水平为B3,即成形温度为 650。变形速度(影响因素 A)对最大减薄率的影响仅次于成形温度,最优工艺参数为 1 mmmin-1;但是,其对最大增厚率的影响最小,对应最优工艺参数为 2 mmmin-1。综合考虑,选择较优工艺参数水平为 A1,即变形速度为 1 mmmin-1。69锻压技术 第 48 卷表 3 极差分析结果Table 3 Range analysis results指标k 值和 K 值ABC最大增厚率/%k134.1724.2024.59k223.9224.5137.51k337.4723.6024.53k424.0047.2532.93K18.546.056.15K25.
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