大型复杂钛合金边梁零件热成形工艺研究

2015-05-31首都航天机械公司王大刚贾春莉王景苑房玉华

航空制造技术 2015年17期

首都航天机械公司王大刚贾春莉杨微梁阔王景苑房玉华

钛合金结构零件因其重量轻、比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁性、可焊接等优异的综合性能，首先在航空领域得到广泛应用，如机翼蒙皮、发动机的叶片、机身的框梁等。最近几年钛合金在航天器以及导弹中也被大量应用。但钛合金材料冷成形时的塑性变形能力差、成形抗力较大、回弹严重，常温成形困难，一般采用热成形制造钛合金钣金结构件。热成形是充分利用钛合金材料在加热状态下的软化与蠕变性能，提高塑性，以降低成形力和改善成形性、避免开裂、减少回弹。加热成形是目前钛及钛合金零件成形的主要方法[1]。

采用有限元法可在试验之前对影响热成形的工艺参数进行优化，估算板料在成形过程中的应力、应变的变化及分布，所需成形的载荷情况；也可预测成形过程中的起皱、破裂及随后的回弹等缺陷；可以比较准确地分析各种工艺参数对热成形过程的影响，因此越来越多地应用于工程实践中[2-3]。

1 零件成形性分析

边梁零件用于某型号航天飞行器中，该零件左右对称，采用TC4钛合金材料，壁厚2mm，其长度达2.2m，在零件中部弯曲过度，两侧边存在扭曲，属于大型复杂钛合金构件，如图1所示。零件成形难度主要有两点：一是侧壁在零件中部弯曲部位出现褶皱，此部位在成形过程中受到两侧压应力作用，材料容易在此堆积而出现褶皱；二是侧壁存在回弹，其两侧壁受其他部位约束少，在热状态下，由于受模具的限制能够保持型面，而当零件从模具中取出后，在降温过程中两侧壁呈自由状态，内应力逐渐释放，因此会呈现不同程度的回弹，最终导致产品型面尺寸精度较差。因此为得到尺寸精度高、表面质量好的零件，先采用有限元数值模拟进行工艺参数的优化及模具回弹补偿量计算，然后设计制造模具，最终成形出合格零件。

图1 边梁模型及尺寸Fig.1 Model and size of beam

2 有限元数值模拟

由于拟定的实际加工环境为恒温环境，在数值模拟中不考虑因温度差而产生的温度场，温度的改变对成形的影响由改变材料模型来实现，几何模型的尺寸根据实际材料的热膨胀量而调整。

2.1 模型的建立

采用三维设计软件CATIA建立凸模、凹模和板料模型，然后将模型导入ABAQUS，假定模具为刚体，板料则为可变性壳体，并对凸凹模及板料进行网格划分，板料单元类型采用四节点四边形壳单元S4R，最终得到的模型如图2所示。

2.2 材料模型

材料模型参数由高温单向拉伸试验结果给出，其中材料密度为4.5g/cm3，泊松比为0.3。

2.3 边界条件及接触定义

图2 热成形几何模型Fig.2 Geometric model of hot forming

对凹模施加固定约束，凸模施加位移约束。设定板料为接触变形体，模具为离刚体，板料和模具间为干摩擦，符合库伦摩擦定理，材料和模具之间不能穿透[4-5]。

2.4 模拟结果

针对影响成形的工艺参数，包括凸模摩擦系数、凹模圆角半径、凸凹模间隙、成形温度，以材料的减薄率为设计目标，设计4因素3水平的正交实验方案，试验计划表如图3所示，对电缆罩不同工艺参数下的成形过程进行了有限元分析。

图3 正交试验方案表Fig.3 Orthogonal test table

以减薄率为设计目标得到正交实验极差结果，极差结果显示出各因素对成形减薄率的影响程度的大小，其中成形温度对减薄率的影响最大，其次为凹模圆角半径，凸模摩擦系数和凸凹模间隙影响差不多。通过对几种模拟结果的分析及权衡，最终选定的工艺参数如下：温度700℃、凸凹模间隙1.1t、凹模圆角半径为5mm、凸模摩擦系数0.2，此工艺参数下模拟结果如图4所示。从图中可以看出在零件中部弯曲位置的侧壁出现了褶皱，褶皱虽然处于零件工艺余量上，但是会对零件本身产生影响，因此为了避免此位置起皱，下料时在此位置开出一缺口。从Mise应力图上可以看出，最大应力主要集中在两弯曲边根部，而从壁厚分布图上可以看出，成形后零件壁厚均匀，减薄量很小，最大减薄量为3%，总体成形效果良好，符合设计要求。