应变速率对钛合金板材室温回弹行为的影响
0 引言
钛合金是一种广泛运用于航空航天、船舶、汽车以及医疗等众多领域的重要金属材料,强度高、密度低、良好的耐腐蚀性是钛合金最典型的特性[1-4]。钛合金在航空航天领域使用最多,占钛合金产量的一半以上,因此钛合金又被称为典型的航空材料。随着我国工业水平的高速发展,对于钛合金的需求量也日益增加,而在钛合金板材成形领域,室温条件下的回弹问题一直是急需解决的问题[5],钛合金板材成形回弹与众多因素都是相关的,如材料性能、模具设计、成形工艺等。由于钛合金板材在室温条件下回弹严重,使得钛合金零件精度与目标零件尺寸总存在较大误差,这对于产品装配精度非常不利。因此对于钛合金成形多采用热成形的工艺方法,但是热成形也面临着许多缺点与不足,例如成本高、效率低、晶粒粗大等[6]。
相关研究表明,高速成形具有显著的减小回弹的作用。潘龙等[7]针对2024-T3态铝合金板材进行了机械V形弯曲和电磁V形弯曲(高应变速率弯曲)的实验研究,对比分析发现,机械V形弯曲过程中出现明显的橘皮和回弹翘曲现象,而电磁V弯曲成形件的翘曲回弹较小甚至被消除。刘大海等[8]研究了AA5052-O铝合金板材和半硬态T3纯铜的U形件磁脉冲辅助弯曲回弹控制及变形分析,结果表明,通过脉冲磁场力来调控弯曲角部位的应力应变分布作用以及板料与模具之间的高速冲击效应,可有效降低回弹。林遵东[9]发现采用电磁辅助弯曲成形方法能够有效地抑制TA32钛合金弯曲件的回弹。航空航天领域中有许多TC4钛合金钣金零件具有大曲率半径特征,本文中针对典型的具有大曲率半径特征的封闭板材和开放板材成形后回弹进行研究,分别采用准静态成形工艺和高应变速率冲击液压成形工艺进行研究,获得高应变速率成形对TC4钛合金回弹的影响,为提高航空航天钛合金零件成形的精度与钛合金板材制造技术发展提供参考。
1 回弹实验设计及设备
1.1 回弹实验设计
本文中将以TC4钛合金板材为研究对象,分析航空航天钛合金零件,设计了具有大曲率半径特征的半球拉深成形和具有大曲率半径特征的板条弯曲成形,半球形板材拉深成形属于四周封闭试样,而板条弯曲则属于不封闭开放类试样。研究表明,TC4钛合金在不同应变速率条件下的力学性能相差较大[10],相应的其在不同应变速率条件下TC4钛合金钣金产品成形后回弹也会有差别,因此设计了不同应变速率成形上述两类试样,分别为采用准静态成形和冲击液压成形,通过工艺实验研究这2种不同类型试样在室温条件下的回弹规律,以便更深入了解TC4钛合金板材在广域应变速率下的回弹规律。设计的封闭板材和开放板材以及所用模具示意图如图1所示。TC4钛合金板厚度为1.2 mm,半球形板材拉深成形坯料直径为155 mm;板条弯曲成形坯料长宽分别为146 mm和26 mm。
图1 2种回弹试样以及模具示意图
Fig.1 Diagram of two kinds of springback parts and die structure
1.2 回弹量定量化评价方法
由于两类回弹试样类型不同,在研究回弹时,以式(1)和式(2)中的X和Y分别表示对半球拉深成形和板条弯曲进行衡量回弹的程度,半球成形和弯曲成形卸载前后的回弹量计算示意图如图2所示。
图2 回弹量定量化评价方法
Fig.2 Quantitative evaluation method of springback
为了方便测出钛合金板材回弹前后的高度差,在进行该工艺实验时采用双层板进行成形,即一块TC4钛合金坯料,一块304不锈钢坯料,实验时,两块坯料重叠放置,由液体作用于TC4钛合金坯料,再由TC4钛合金坯料作用于304坯料,使其两块坯料同步成形。相比TC4钛合金而言,304不锈钢板料回弹量极小,因此忽略304板料的回弹量,即默认304板料不发生回弹。成形完成之后把304板料与TC4钛合金板料成形后的高度差作为钛合金回弹前后的高度差,即钛合金的回弹量。
半球拉深成形回弹量计算公式为
(1)
式(1)中:X为半球形件回弹量;H0为半球形件回弹前的高度;H为半球形件回弹后的高度。
板条弯曲成形回弹量
(2)
式(2)中:Y为弯曲件的回弹量;R0为弯曲件回弹前的半径;R为弯曲件回弹后的半径。
1.3 回弹实验设备
采用准静态成形和冲击液压成形对2种不同类型零件进行成形,并研究其回弹规律。对于半球拉深成形来说,由于其封闭的特征,准静态成形采用准静态液压成形,而对于板条弯曲成形,由于其不封闭开放的特征,准静态液压成形不适合成形此类零件,其准静态成形采用普通刚模冲压。半球拉深准静态液压成形工艺实验采用350 t成形液压机进行,设备如图3所示。
图3 液压成形机
Fig.3 Hydroforming machine
冲击液压成形工艺实验在自行研制的高速冲击液压成形设备上进行。冲击液压成形实验装置如图4所示。该装置工作原理为:高压气体瞬间释放从而推动冲击体高速运动,高速运动的冲击体撞击液室中的液体产生冲击波,液体冲击波作用于坯料使其瞬间贴膜成形,冲击体的冲击速度由测速仪精准记录并显示。该装置可进行自下向上冲击成形,即可以实现液室在板材下方,这样解决了不封闭开放零件无法使用液压成形的问题。
图4 冲击液压实验装置原理及实际图
Fig.4 Principle and actual diagram of impact hydroforming device
2 回弹实验方案
在准静态液压成形下和冲击液压成形下分别进行半球拉深成形得出钛合金板材在不同实验条件下的回弹情况。在进行冲击液压工艺实验时主要研究不同冲击速度对TC4钛合金板材在高应变速率成形下回弹量的影响,而准静态成形可以作为冲击速度为0的特殊情况。其实验方案如表1所示。
表1 半球拉深成形回弹工艺实验方案
Table 1 Experimental scheme of springback of semiglobe drawing
在普通刚模冲压成形下和冲击液压成形下分别进行板条弯曲成形得出钛合金板材在不同实验条件下的回弹情况。其冲击速度分别为0、35、40、44、47、52 m/s。
3 实验结果分析
3.1 半球拉深成形回弹结果及分析
按照半球拉深成形实验方案进行半球拉深成形实验,最后得到不同实验条件下TC4钛合金板材半球形试样,以压边力为62 MPa为例,不同冲击速度回弹试样回弹后实物图片如图5所示。
图5 不同冲击速度回弹试样(压边力62 MPa)
Fig.5 Springback specimen with different impact velocity (Holding force:62 MPa)
为了准确测量出TC4钛合金半球形件的回弹量,本文采用手持式三维扫描仪如图6(a)所示,分别对TC4钛合金和304不锈钢半球形试样实物件进行三维扫描,用此手持式三维扫描仪将工艺实验得到的所有试样进行扫描,经三维扫描可获得每个试样的点云数据如图6(b)所示,然后将扫描结果通过软件可以进行精准测量,将半球拉深回弹实验得到的TC4钛合金和304不锈钢半球形试样通过三维扫描测量出半球形件的高度。准静态液压成形下和冲击液压成形下,不同冲击速度对TC4钛合金板材半球成形回弹影响规律如图7所示。
图6 手持式三维扫描仪及扫描结果
Fig.6 Handheld 3D scanner and scan results
图7 半球拉深成形回弹结果
Fig.7 Springback result of semiglobe drawing
可以看出,采用不同压边力对钛合金板材进行液压成形工艺实验时,增大压边力,钛合金回弹增大,这是由于加大压边力使钛合金成形量更小,塑性变形占比更小,所以回弹增大。
TC4钛合金板材在冲击液压成形下的回弹量远小于其在准静态液压成形下的回弹量,这是由于冲击速度越大,钛合金变形量更大,塑性变形占比增加,所以回弹减小。并且随着冲击速度增大,其回弹量减小,但是随着冲击速度继续增加,对回弹的抑制效果慢慢减缓。冲击液压成形可以很好抑制TC4钛合金在室温下的回弹,大大提高钛合金的成形性能。
3.2 板条弯曲成形回弹结果及分析
按照板条弯曲成形实验方案进行板条弯曲成形实验方案,得到不同冲击速度下TC4钛合金板条弯曲变形回弹试样回弹后实物图片如图8所示。
图8 不同冲击速度板条弯曲回弹试样
Fig.8 Springback specimen of lath bending with different impact velocity
同样将不同冲击速度成形得到的弯曲回弹试样通过手持式三维扫描仪进行三维扫描,再通过软件测量出弯曲件回弹后的半径。根据弯曲回弹实验结果绘制曲线,得出在准静态和冲击液压弯曲成形中,不同冲击速度对弯曲回弹的影响规律如图9所示。
图9 板条弯曲成形回弹结果
Fig.9 Springback result of lath bending
通过对比分析板条弯曲成形回弹工艺实验结果,可以看出,当采用准静态刚模成形时,当卸去载荷后,TC4钛合金板条完全弹复。这是由于TC4钛合金在室温成形时极易回弹,而此板条又具备大曲率半径的特征,塑性变形占比很少,导致了完全弹复。而在冲击液压成形中可以看出,随着冲击速度的增大,弯曲件的回弹量都逐渐减小。这同样表明了冲击液压成形可以很好抑制TC4钛合金在室温下的回弹。
冲击液压成形中,随着冲击速度的增大,弯曲件的回弹量都逐渐减小,并且随着应变速率进一步继续增加,弯曲件开始出现负回弹,即往相反的方向进行回弹。并且负回弹的大小与冲击速度成正相关,即速度越大,负回弹越严重。负回弹的产生是由于在高速冲击条件下,板条弯曲成形过程中产生压应力,最后残余压应力的释放产生负回弹。
4 结论
本文中针对典型的具有大曲率半径特征的封闭板材和开放板材成形后回弹进行研究,分别采用准静态成形工艺和高应变速率冲击液压成形工艺进行研究,获得高应变速率成形对TC4钛合金回弹的影响,得到的主要结论为:
1) 增大压边力,钛合金回弹增大,这是由于加大压边力使钛合金成形量更小,塑性变形占比更小,所以回弹增大。
2) 高应变速率冲击液压成形回弹远小于准静态成形回弹,冲击速度越大,钛合金变形量更大,塑性变形占比增加,所以回弹减小。相比准静态条件下,冲击液压成形技术可以有效抑制TC4钛合金板材在室温下条件下的回弹。
3) 在一定冲击速度范围内,半球成形回弹与弯曲回弹都呈现冲击速度增加,回弹减小的规律,即增加冲击液压成形的冲击速度可减小回弹。然而随着冲击速度继续增加到一定值时,四周不封闭的板条弯曲出现负回弹现象。
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