1、 西安航空职业学院 毕业论文 基于有限元分析的 TA15 钛合金三轴滚弯工艺研究 姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师 : 摘 要： 为进一步研究 TA15板材 三轴 冷滚弯成形规律，基于金属板料成形有限元模拟成形软件 PamStamp2G，对 TA15 板材冷滚 弯过程进行了虚拟正交模拟仿真试验，分析了板料宽度、摩擦系数、下压行程、滚弯速度等成形参数对板材滚弯后回弹的影响规律，以及预测滚弯成形过程中可能出现的直线段，并给出 TA15 板材滚弯的优选工艺参数、回弹系数。同时开展了相关工艺试验，通过对比模拟结果与试验数据，发现两者趋势基本一致，结果较为吻合，验证了 Pam
2、Stamp2G 有限元仿真在 TA15 口盖冷滚弯成形过程中应用的有效性和可行性 ，并用于指导航天产品的生产。 关键词： TA15 钛合金；三轴冷滚弯；有限元 1、 引言 钛合金材料比普通的结构材料，如铝合金、镁合金等， 具有高的比强度、优异的耐蚀性、高耐热性能、无磁性等优点，更能满足航天飞行器在高温环境下的强度和刚度要求。 TA15 合金 是一种加相钛合金，使用温度比相钛合金高，常温塑性比相钛合金高，因此在航天飞行器制造过程中的应用不断推广。在常温条件下， TA15 合金屈强比大，板材的抗拉强度与屈服强度十分接近，其塑性变形范围窄小，成形过程中变形稍大就有可能产生破坏， 板材成形加工困难；
3、同时 TA15 合金弹性模量小，仅为钢材的一半左右，由于 0.2/E 比钢大， 变形中绝大部分为弹性变形，成形后回弹严重，质量不够稳定，零件一致性较 差 。 在研制阶段，基于质量稳定和技术进步的需求 ，通常采用热成形或热校形的方式解决 技术和质量 问题 。 采用钛合金薄板弯曲成筒 形或半筒形 弧形件是航天领域一种常见结构形式 1，这种结构选用热成形方案，成本高、效率低，难以满足批生产的需求，有必要研究钛合金常温滚弯成形。板料的滚弯加工过程分为成形和回弹过程 2，整个过程是一个接触非线性、 材料 非线性、几何非线性和边界条件非线性等多重因素的 复杂过程，变形过程难以用解析方法分析，在成形过程中加
4、载的精度、材料均匀性对弯曲质量都产生很大的影响。 目前在 国内，钛合金滚弯成形的理论 研究多采用两轴、四轴滚弯 TC4、 TC1 等材料，三轴滚弯技术一般采用试错法调整参数，本文 基于金属板料成形有限元模拟成形软件 PamStamp2G， 针对 TA15 钛合金板材滚弯成形进行 虚拟正交模拟仿真试验 ，研究 成形参数 与卸载 回弹 的关系，并进行试验验证。 2、钛合金板材冷滚弯几何模型 滚弯是属于自由弯曲的一种成形方法，三辊弯板机是最为普遍的滚弯成形设备。板材的滚弯可以看成是三辊弯板机对板材作连续的三点弯曲的过程。加工时将被加工板材的一端送入三辊弯板机的上、下轴辊之间，然后对上辊施加一向下的位
5、移，使位于下方的板材产生一定的弯曲变形。当下辊被驱动作回转运动时，由板材与轴辊之间的摩擦力形成的啮入力矩使板材实现进给；当板材依次通过上辊的下方即变形区时，板材也就获得了内压外拉的塑性弯曲变形；卸载后，工作弯曲变形中的弹性部分回弹消失，残余塑性变形既是零件最终成形。 在板材滚弯成形的加工中，板材与辊弯机组成的力学系统可抽象为一自由梁受三个集中载荷作用的力学模型，如图 1 所示，其中 r1 为上辊半径， r2 为下辊半径， a 为上辊与下辊圆心水平距离。 图 1. 钛合金板材冷滚弯示意图 3、钛合金板材冷滚弯有限元模型的建立 为了研究 TA15 板材的冷滚弯 成形性能，采用金属板料成形专业有限元
6、模拟成形软件PamStamp2G，对成形过程进行模拟仿真，通过有限元模拟分析研究滚弯成形过程中零件的应力应变状态和成形过程中出现的回弹现象，同时预测滚弯的成形参数，从而指导生产成形工艺设计，避免出现滚弯过程中的抱死、弹平、扭曲等缺陷。为了使计算计算结果接近实际情况，对厚度为 1.5mm 的 TA15 材料做了室温拉伸试验，得到的材料的基本性能参数如表 1 所示。 表 1 TA15 板材室温拉伸基本性能参数 杨氏模量（ GPa） 泊松比 密度 （ Kg/mm3） 加工硬化指数 厚向异性指数 r0 r45 r90 114 0.33 4.43e-6 0.2935 0.612 1.121 0.442
7、整个仿真过程分为三个阶段，即基于显式算法的上轴下压、滚弯塑性成形阶段，和基于隐式算法的卸载回弹阶段。成形过程的有限元数值模拟的建模过程中，在保证模拟计算精度的前提下为节约计算时间忽略了模具的弹性性质，将上辊定义为凸模、两下辊定位两凹模，并将凸模和凹模简化为刚性约束面，而将板料设为可变形体，采用四节点二维壳单元自适应划分网格，并在 板料弯曲范围局部细化单元尺寸以提高其变形仿真精度，为了更好地与实际滚弯试验进行比较分析，选用了精度较高的正交各向异性材料模型，其中所建有限元模型如图 2 至图 4 所示，图 2 为 300mm 板材模型，图 3 为 200mm 板材模型，图 4 为 80mm 板材模型
8、。 图 2. 滚弯成形 300mm 板材 有限元分析模型 图 3. 滚弯成形 200mm 板材 有限元分析模型 图 4. 滚弯成形 80mm 板材 有限元分析模型 4 工艺参数对弯曲半径的影响 4.1 虚拟正交试验方案 冷滚弯成形模拟仿真涉及的工艺参数主要有板料宽度，摩擦系数，下压行程，滚弯速度等。每一个工 艺参数都可以选择不同的水平，如果在工艺设计的过程中每一种方案都进行模拟或试验，费时费力。 为了探究 板料宽度，摩擦系数，下压行程，滚弯速度等 对 弯曲半径 的影响， 基于数值模拟手段采用正交试验方法，选取合理的正交试验表，获取合理的工艺参数。根据正交试验理论初步选取四因素三水平进行分析，分
9、别为 F1板料宽度（水平 300、 200、 80mm），F2 摩擦系数（水平 0.1、 0.2、 0.3 mm）， F3 下压行程（水平 15 mm、 14.5 mm、 14mm）， F4 滚弯速度（水平 0.0036、 0.0072、 0.0184rad/ms）， 选取质量指标为成形半径。虚拟正交试验方案设计如表 2 所示。 表 2 对 1.5 mm 厚板材滚弯虚拟试验方案及实施结果表 试验号 因素 F1 F2 F3 F4 虚拟试验方案 质量指标 R 1 1 1 1 1 1111 2 1 2 2 2 1222 3 1 3 3 3 1333 4 2 1 2 3 2123 5 2 2 3 1
10、2231 6 2 3 1 2 2312 7 3 1 3 2 3132 8 3 2 1 3 3213 9 3 3 2 1 3321 4.2 滚弯件 虚拟正交试 验 按照上述虚拟试验方案，对 2.0mm 厚板材的滚弯过程，进行了虚拟正交试验仿真分析。根据表 2 所示虚拟试验方案，经过数次数值模拟结果分析选取合理的工艺参数，然后进行试验验证。这样只进行少量的工艺方案试验达到优选工艺参数的目的。按照上述正交试验方案进行一系列成形数值模拟试验， 9 种工艺参数下数值模拟结果数据提取如表 3 所示 表 3 对 2.0mm 厚板材滚弯虚拟试验方案及实施结果表 试验号 因素 F1 F2 F3 F4 虚拟试验方
11、案 质量指标 R 1 1 1 1 1 1111 299.4 2 1 2 2 2 1222 264.8 3 1 3 3 3 1333 208.8 4 2 1 2 3 2123 238.3 5 2 2 3 1 2231 221.5 6 2 3 1 2 2312 264.1 7 3 1 3 2 3132 198.42 8 3 2 1 3 3213 256.2 9 3 3 2 1 3321 241.9 采用直观分析法，就工艺参数对半径影响的结果进行分析，计算 S、 s 和 R，结果如表 4，其中中 S1、 S2、 S3 为分别表示各个因素水平数相同的各次试验结果总和， s1、 s2、 s3 为各因素
12、s 的平均值， 表示各因素的水平对试验指标的好坏， R 为各因素的极差。根据表 2 影响因素极差 Q 的大小可知：各工艺参数对弯曲半径指标影响的主次顺序为： F4 滚弯速度 F3 下压行程 F1 板料宽度 F2 摩擦系数。 表 4 对 2.0mm 厚板材滚弯虚拟正交试验直观分析计算表 F1 F2 F3 F4 S1 773 736.12 819.7 762.8 S2 723.9 742.5 745 727.32 S3 696.52 714.8 628.72 465 s1 257.6666667 245.3733333 273.2333333 254.2666667 s2 241.3 247.5
13、248.3333333 242.44 s3 232.1733333 238.2666667 209.5733333 155 R 25.49333333 9.233333333 63.66 99.26666667 将上述数据绘制成影响因素对弯曲半径的影响趋势曲线，如图 5 所示，图中曲线显示：在试验方案中，选出各因素水平的最优组合为 3321 方案。即 F1 板料宽度（ 80mm）， F2 摩擦系数（ 0.3 mm）， F3 下压行程（ 14.3 mm）， F4 滚弯速度（ 0.0072rad/ms）；因素影响的大小排序：F4F3F1F2。在实际试验中可以首选 15mm 下压行程，再根据成形结果
14、逐步调整，直至成形半径接近 R240 目标，摸索行程参数对弯曲半径的影响规律。成形半径 随着 下压行程 和 成形速度 的增大而 减小 增大，其中 半径 受 成形速度 的影响较大，在 速度 小于 0.0072rad/ms 时 降低 较平缓、 速度 大于 0.0072rad/ms 时 降低较 快。随着 下压 行程的增大， 成形半径 几乎呈线性 减小 。 图 5. 各因素对 1.5mm 厚板材弯曲半径的影响趋势曲线 4.3 模拟仿真结果分析 根据虚拟正交试验优选结 果，提取了最优组合方案仿真的内外表面主应力主应变云图，计算结果如图 6，图中输出了滚弯后板材内外表面弧长方向（切向）的等效应力、应变分布
15、图。图中显示，在零件成形的过程中，滚弯的始端和末端各有一段 30mm-40mm 的直线段，这是由于三辊滚床本身的结构尺寸所限定的，滚弯零件端头直线段的最小尺寸。模拟的结果与实际加工在直线段问题方面表现出一致性。直线段的应变量数值与其他部分不同，但不影响变形结果。去掉始末两端 30mm-40mm 的直线段，剩余的部分为零件的参与变形的主体部分，应力应变的云图中变化区域集中于此部分。 图 6（ a）和图 6（ b）为冷滚弯过程的主应力云图，图 6（ a）为板材内表面主应力，在滚弯部位为负值，受到压应力，在滚弯完毕，回弹过程结束后内表面受到的残余应力为正值，为拉应力。图 6（ b）为板材外表面主应力
16、，滚弯部位为正值，受到拉应力，回弹后的残余应力为负值。图 6（ c）和图 6（ d）为冷滚弯过程的主应变云图，回弹后，内表面应变量在 -1.1022%左右，为压缩变形。外表面应变量在 1.1862%左右，为拉伸变形。内外表面的应变量远远小于材料标准规定的材料延伸率 10%，且分布相对均匀，说明在滚弯过程中不会产生褶、开裂等现象 ，板材整体应变程度均匀，能够克服料厚不均匀、平面度差、局部松弛等滚弯过程中常见的缺陷。 （ a）冷滚弯主应力云图 (内表面 ) （ b）冷滚弯主应力云图 (外表面 ) （ c）冷滚弯主应变云图 (内表面 ) （ d）冷滚弯主应变云图 (外表面 ) 图 6. 滚弯后应力应
17、变图 4.4 冷滚弯成形试验和有限元仿真结果验证 根据仿真结果优选的压下量参数，进行了成形试验，加工了厚 1.5mm、宽度 80mm 的试验件，实物效果如图 7 所示，其中厚 1.5mm 成形所用上轴下压行程 15.8 mm。为验证仿真分析的可靠性，进 行了应变和直径测量：在滚弯成形前，采取激光打标的方式在厚 1.5mm、宽度 80mm的试验件打上应变测量网格，网格由 1 的圆形按 100 50 的阵列排列，可对成形试验件的应变和直径进行测量。 图 7. 厚度 1.5mm 试验件 对 1.5mm厚的试验件的应变进行测量，结果如图 8所示， 100个内表面网格的弦长为 98.1，100 个外表面
18、网格的弦长为 100.3，根据弦长弧长关系进行了计算，得到平均应变为外表面伸长 1.04%、内表面压缩 -1.19%。实测外表面应变与仿真结果数值 1.1862%、 -1.1022%基本趋于一致，符合性较好，可以将仿真结果用于判断材料是否产生裂纹；实测外表面应变比仿真结果低高，说明滚弯成形仿真存在一定的偏差，仿真结果的压应变运用安全系数较高，经过试验，验证滚弯过程中内表面压应力未造成材料内表面的裂纹、褶皱等缺陷。 图 8. 试验件应变测量及计算结果 4.5 冷滚弯成形直径的测量的预测参数的验证 对试验 1.5mm 厚的试验件的直径进行测量，结果如图 9 所示，自由状态达到直径 480mm 0.
19、5 mm，验证了仿 真分析预测的行程参数可以用于指导生产和试验过程的工艺设计。基于PAMSTAMP2G 成形专业分析软件对 TA15 钛合金成形过程进行了系列全面的模拟计算，冷滚弯成形过程的有限元模拟基本能满足实际成形的需求，通过模拟软件的前期模拟工作和计算，得到了满足生产需求的工艺参数，对所得产品的质量进行了初步预测，从而节省大量的人力物力，减少生产成本。 图 9. 试验件半径测量 5、工程应用 结合虚拟正交试验分析与验证，本文将 PAM-STAMP2G 模拟仿真技术应用于指导实际生产。实现了共计五项口盖类弧形钛合金零件的批量加工，同时开展的油箱壳体冷滚成形技术也已获得批产应用。目前已陆续交
20、付数十套零件。推广了冷滚弯技术的应用，突 破了钛合金冷滚弯零件必须热校形的瓶颈。推广实施的零件效果如图 10 所示。 图 10. 冷滚弯件效果图 6 结论 基于 PAMSTAMP2G 成形专业分析软件对 TA15 钛合金成形过程 进行了模拟 仿真 ， 冷滚弯成形过程的有限元模拟基本能满足指导实际生产试验的需求，通过模拟软件的前期模拟仿真计算、试验验证和分析等工作，不仅可以得到满足生产需求的工艺参数，还可以对所得产品的变形数据、质量缺陷进行预测，从而节省大量的人力物力，减少研制成本。 (1)建立了材料 TA15 滚弯成形的有 限元仿真模型，对包含滚弯成形和卸载回弹在内的滚弯成形全过程进行了系列全
21、面的模拟计算，所得结果和试验结果误差较小，基本一致，为今后进一步设计和制定滚弯成形制定合理的成形工艺提供了有效的参考。 (2)成形半径 随着 下压行程 和 成形速度 的增大而 减小 ，其中 半径 受 成形速度 的影响较大，在 速度 小于 0.0072rad/ms 时 降低 较平缓、 速度 大于 0.0072rad/ms 时 降低较 快。随着 下压 行程的增大， 成形半径 几乎呈线性 减小 。 (3)实现 了 1.5 厚的 TA15 板材成形 圆角 R 为 240mm 的虚拟正交试验，完成优选工艺参数，并通过成形试验 和应变测量与对比，验证了有限元仿真分析的有效性 。 (4)采用有限元分析的手段，能有效地解析板材滚弯成形过程中存在的回弹问题，大大减小了材料成本、试弯周期和生产周期。 参考文献 1董文倩，韦 超 .小曲率薄壁钛合金筒形件冷滚弯成形数值模拟研究 J.航天制造技术 ， 2014， 4（ 2）：55 59. 2 鲁世红 ， 金霞 . 基于 CAE 仿真的两轴柔性滚弯过程的应变分析 J. 南京航空航天大学学报， 2009，12（ 41）： 238 243. 致 谢 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还 在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正 !
