等溫熱成形鈦合金零件尺寸精確控制方法

                                             
                                                等溫熱成形鈦合金零件尺寸精確控制方法

  為了研究等溫熱成形鈦合金零件尺寸的精確控制方法, 分析了鈦合金零件等溫熱成形過程, 確定了影響零件尺寸的主要因素為熱膨脹、 回彈及切割變形, 并研究了其影響機理及控制措施。以某鈦合金零件為例, 仿真分析了其熱膨脹和回彈變形, 基于熱膨脹和回彈機理, 提出了熱膨脹和回彈補償量方法及計算公式, 并進行了實驗驗證。結果表明, 成形后零件與設計基本一致, 證明熱膨脹和回彈補償方法可行。通過對熱膨脹和回彈的精確補償, 有效提高了零件精度, 提高了調試效率, 實現了精確控制等溫熱成形鈦合金零件尺寸。

  鈦合金由于具有比強度高、 耐腐蝕性好及使用溫度高 等優點, 其使用量在航空產品上越來越大 , 如飛機的帶板、 隔框、 大型壁板、 航空發動機整流罩及葉片等均大量采用鈦合金材料 。在室溫條件下, 鈦合金屈強比高、 塑性差及成形后回彈量大, 故鈦合金不宜在室溫條件下進行塑性成形。而在高溫條件下, 鈦合金塑性顯著增強, 成形后回彈相對較小, 因此熱成形成為鈦合金鈑金零件的主要成形方式 。

 

 鈦合金等溫熱成形是將模具和坯料加熱到一定溫度 (一般在 600~900 ℃ ) 沖壓成所需零件, 等溫熱成形具有成形后零件質量較好、 適用范圍廣、 適合批量生產等特點, 因此是鈦合金鈑金零件的主要成形工藝。 

 

 由于鈦合金等溫熱成形過程溫度較高, 導致影響成形的因素與普通室溫沖壓有所不同。經過對鈦合金熱拉伸實驗發現,溫度和應變速率與鈦合金塑性、 變形抗力均有關。郭天文研究發現不同溫度下 TC4 板材拉深系數不同, 而小極限拉深系數是在 770 ℃ 。雖然鈦合金在高溫時塑性提高, 但是仍有回彈, 如馮毅雄等經過回彈補償后試制出合格的某大號圓管零件, 熊煒等采用 900 ℃ 超塑成形試制的葉片加強邊零件仍有很小回彈。YAN X M 等研究發現成形溫度越高, V 形件回彈越小。雖然回彈會影響最終零件尺寸, 但是影響零件尺寸的還有熱膨脹和切割變形等因素, 而目前均鮮見有關于回彈、 熱膨脹和切割變形等影響零件尺寸因素控制方法的研究。等溫熱成形過程中對零件狀態檢測不方便, 單件生產成本相對較高, 若不能準確對回彈和熱膨脹等因素進行計算控制, 則可能增加修模次數, 導致調試成本增大。 

 

 鈦合金零件等溫熱成形的影響因素較多, 如何精確控制零件尺寸是重點, 本文根據鈦合金特點, 結合實際生產經驗, 歸納總結了影響等溫熱成形鈦 合金零件尺寸的因素, 并提出了應對方法。以某 TC4 鈦合金零件為例, 仿真分析了零件成形及熱膨脹, 提出了熱膨脹補償和回彈補償方法及計算公式。利用文中方法, 可快速、 精確控制成形后零件尺寸, 從而降低生產成本。 根據等溫熱成形原理和實際經驗, 影響等溫熱成形最終零件尺寸的主要因素有模具加工精度、 熱膨脹、 回彈以及切割變形等。考慮現有數控機床精度較高, 一般均可保證輪廓精度在±0. 05 mm 以內, 因此模具加工精度對鈑金零件尺寸影響可忽略。故本文主要討論熱膨脹、 回彈及切割變形等對等溫熱成形鈦合金零件尺寸的影響及控制方法。

 

 1. 1 熱膨脹對零件尺寸的影響 

由于鈦合金等溫熱成形模具材料本身屬性, 受熱后模具尺寸整體會膨脹變大, 導致在成形溫度下模具尺寸與冷態時不同, 且隨著溫度升高、 零件尺寸越大越顯著。以等溫熱成形常用模具材料 ZGCr25Ni20 耐熱不銹鋼為例, 20 ~ 800 ℃ 的線膨脹系數為 18. 5×10 -6 ℃ -1 , 以 TC4 半徑零件常用熱成形溫度 800 ℃計算, 模具工作時相比常溫 25 ℃時 膨脹量為 0. 014338 mm -1 , 即長度為 100 mm 的模具在工作時實際尺寸約為 下熱膨脹量相對較大 101. 434 mm, 可見高溫狀態 。 

 

 零件本身在受熱時也會膨脹變形, 以常用鈦合金 TC4 材料為例, 20 ~ 600 ℃ 的線膨脹系數為 10× 10 -6 ℃ -1 , 故在 800 ℃成形時相比常溫 25 ℃成形時膨脹量為 0. 00775 mm -1 , 即長度為 100 mm 的零件在 800 ℃工作時實際尺寸約為 100. 775 mm。 

 

 綜上可知在高溫狀態下成形零件時, 模具和坯料及成形后毛坯件均相對室溫時膨脹變形較顯著, 且模具和零件由于材質不同, 導致膨脹量不同, 若不考慮熱膨脹造成的影響則會造成最終零件尺寸產生較大誤差。因此需進行熱膨脹補償, 使得熱成形后零件在冷卻后尺寸與設計一致。 

 

 1. 2 回彈對零件尺寸的影響 

鈦合金在高溫下雖然塑性明顯提高, 變形抗力明顯降低, 在一定溫度和變形速率條件下具有超塑性能 , 但是, 由于鈑金成形的固有特性, 熱成形零件在成形完成外力卸載后均有不同程度回彈。經過研究, 當溫度較高、 變形速率較小時, 零件成形后回彈相對較小。YANG X M 等研究表明, 900 ℃ 折彎相比 750 ℃ 降低了折彎角, 回彈減小了約 50%, 但是 90°彎曲角仍然有 0. 5°回 彈, 且回彈方向與室溫成形類似, 均為變形方向反向回彈。此外, 回彈還與保溫時間等因素有關 。 

 

 可見對于鈦合金等溫熱成形, 雖然回彈相對室溫成形降低很多, 但是仍然不能忽視, 尤其對于尺寸較大零件。解決回彈主要是通過回彈反向補償。

 

 1. 3 切割變形對零件尺寸的影響 

零件切割后變形是由于內部殘余應力在切割過程中釋放導致零件局部變形, 一般可通過去應力熱處理后再切割大大降低切割變形, 此外亦可控制切割方式和切割順序適當減小切割變形。鈦合金等溫熱成形由于成形溫度較高, 成形后零件內部殘余應力較小, 故切割變形一般較小。由于控制鈦合金切割變形的主要措施是去應力熱處理和切割方式等, 與常溫成形零件類似, 故本文不作詳細研究。