1、 西安航空职业学院 毕业论文 双层口盖超塑成形有限元模拟成形研究 姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师 : 摘要 本文对 双层口盖 进行了工艺分析， 并对 TA15 材料在 920 时进行了高温拉伸试验和成形极限试验 ，获得了 920 时的高温力学性能参数和部分 成形极限点 。 运用 PAMSTAMP2G 有限元分析软件，对 920 时双层口盖 的 超塑成形 进行了 数值 模拟分析 ， 揭示了成形过程中 应力 、 应变和成形极限 等分布规律 。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 。 关键词 钛合金； 双层口盖 ； 超
2、塑成形 ； 有限元 1 引言 钛及钛合金是一种优良的工程结构材料，随着其用量的逐年扩大，在各种工程结构和设备的加工制造中的应用越来越多。由于钛合金强度高，塑性相对较差，加工变形抗力大，变形范围窄，外加钛合金弹性模量小，回弹大等固有特性，使其成形 加工比较困难，若方法不当或工艺不合理，往往造成工件无法满足技术要求，甚至造成报废 1-2。对于钛及钛合金的成形方法和工艺的研究引起了人们的高度重视。因此，对于大多数合金强度高、板材厚度大、形状复杂或变形量大的工件成形，多采用 超塑成形 的工艺。 本文 以 TA15 合金为例 ， 介绍钛合金 双层口盖 的 超塑成形 技术。首先通过高温拉伸试验获得 TA1
3、5 合金的高温力学性能参数和成形极限点；其次 结合有限元模拟与试验，研究 了 双层口盖超塑成形 过程中的应力 、 应变 和成形极限分布 等 规律 。 2 双层口盖 工艺分析 该 双层口盖 与锥台侧壁类零件相比 ，零件中间过渡部位略有收束，如图 1 所示。按照冲压过程分析，零件中间部位的材料流动小于两端部位，容易产生材料堆积，有产生皱纹的风险。但过渡部位母线的曲率比较平缓，能否不产生皱纹完成冲压，需要进行模拟成形仿真分析，预测 双层口盖 热压成形的皱纹、裂纹问题，避免零件出现严重的质量缺陷，改善工艺流程的可执行性。根据设计要求， 双层口盖 材料为 TA15 合金，板料厚度 1.6mm； 双层口盖
4、 最大尺寸 长约 783mm,通长半 径 为变半径，为非规则 马鞍形曲 面。 图 1 双层口盖 3 材料高温性能参数 采用金属板料成形专业有限元模拟成形软件 PamStamp2G，对 TA15板材 超塑成形 过程进行模拟仿真，整个过程基于显式算法的塑性成形阶段。根据零件特点，本文主要模拟研究了成形方法的变化对板材成形结果的皱纹、裂纹的影响。通过有限元模拟分析研究 超塑成形 过程中零件的应力应变状态，同时预测皱纹、裂纹缺陷，从而指导生产成形模具和方法的选择方案，避免出现 超塑成形 过程中的皱纹、破裂等缺陷。为了使有限元模拟结果更接近于板材的实际变形性能，对厚度为 1.6mm 的 TA15板材进行
5、 高温 拉伸试验， 取应变 =0.4，得到此应变条件下的一组（ ） 值，如表 1所示。 表 1 TA15 不同温度下的应力、应变速率值 (s-1) (MPa) 3.3E-5 6.6E-5 1.3E-4 2.6E-4 5.3E-4 1.1E-3 2.1E-3 4.2E-3 8.4E-3 1.7E-2 880 900 920 6.4 10.8 12.2 15.8 27.8 32.0 41.2 64.6 84.1 105.9 4.6 6.3 8.0 12.0 20.4 25.0 34.3 45.0 70.5 73.0 2.3 3.9 5.8 9.4 13.7 19.1 25.6 33.1 46.8
6、57.7 将上表中的应力、应变速率值分别求对数，作出 -曲线，并用计算机进行多项式拟合，如图2。计算后，获得 m- 曲线，如图 3。 根据图 3 得出， m 值前期随着应变速率的增加而增大，当应变速率为 5.25 10-4s-1 左右时达到峰值，之后随应变速率增加而减小。在温度 920，应变速率为 5.25 10-4s-1 时 m 值最大，为 0.57。得出 m 之后，根据 Backofen 公式 mK ，取对数就可以很方便的求出另一个重要参数 K 值。 （ a） 880 下 - 曲 线 （ b） 900 下 - 曲 线 （ c） 920 下 - 曲 线 图 2 TA15 钛合金不同温度下 -
7、 曲线 （ a） 880下的 m - 曲 线 （ b） 900下的 m - 曲 线 （ c） 920下的 m - 曲 线 图 3 TA15 钛合金不同温度下的 m - 曲线 4.有限元 模型的建立 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，采用四节点二维自适应参数单元划分网格，能够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，为了更好地与实际热压试验进行比较分析，选用了精度较高的正交各向异性材料模型。为研究冲压件的缺陷，根据零件成形难点，制定模拟成形方案，仿真零件的成形过程，并建
8、立仿真前处理的理论模型。 双层口盖 成形仿真 所建有限元模型如图 4 a） 所示 ， 所用压力曲线如图 4b）所示 。 a）凸模、凹模和两层板料的 有限元模型 b） 压力设置 图 4 超塑成形 有限元分析 前处理 5 模拟结果分析 由数值模拟的结果发现， 内层板 SPF 的过程包含三个阶段：自由胀形阶段、贴模阶段和充填阶段。 1) 自由胀形阶段：如 图 5（ a）所示，在气压力作用下，板料从未贴模部位开始自由胀形， 筋条板 与 面板 扩散连接处的材料变形要 小 于未扩散连接区域的材料。 2) 贴模阶段：随着压力的继续增加， 筋条板 开始与模 具 贴合，从 图 5（ b）可以发现：最早贴模部位发
9、生在 筋条板 受模具约束最少的 纵向筋条区 域 ，环筋 贴模较迟 ， 面板与 筋条板扩散连接处材料相当于一个整体 基本不变形 。随着板料的继续变形，贴模面积逐渐增大。 3) 充填阶段：如 图 5（ c）所示，此时板料的大部分部位已经贴合模具，只剩 局部筋条、圆角 等 处未贴模，成形进入圆角充填阶段。 4) 最终成形： 图 5（ d）是 内层板 最终成形形状，由壁厚分布云图可以发现：无明显破裂、起皱和沟槽现象。板料最终壁厚分布 不 均匀 ，最薄处减薄 0.4mm，需要优化设计尺寸及结构，环筋和纵筋的宽度比例最好 1.53： 1。 图 5（ d） 是外层 内层板 的应变示意图，其变形应边小不详述。
10、 （ a） t=3ms （ b） t=5ms （ c） t=10ms （ d） t=35ms （ e） 34.9ms 外蒙皮 图 5 双 层板 SPF 数值模拟成形过程 6 试验分析 结合上述有限元数值模拟结果，选取材料为 TA15M，厚度为 1.6mm 的钛合金板材，所用设备为 英国进口诺芝公司的 1400 吨 超塑成形 压力机 进行 超塑成形 试验分析。 选择 超塑成形的 温度为 920 。 为了避免板料在长时间在高温下发生晶粒变大导致性能下降等现象，在 模具满足成形温度后将 板料 放入成形模中，预热 15-20min 后 ，上下合模，压力 60 70T，保温保压 20-30min，在高温
11、保温保压蠕变成形后，在冷却到 200 时取件， 超塑成形 完后零件能够顺利取出。 成形过程中的如图 6 所示。 图 6 成形 过程 对成形后的零件取出后放在硅酸铝纤维板上空冷，并用数控冲冲裁出零件的检验 样板 。检验 样板 包括横向检测 样板 和纵向检测 样板 ，而横向检测 样板 和纵向检测 样板 都必须包括横向和纵向各个不同位置，以便快捷、全面的检测零件不同部位的成形偏差。成形后的零件如图 7 所示。从图中可以看出 ，成形出的零件表面光顺无皱纹 。 图 7 成形零件图 对完成的试验件进行了 轮廓度测量检验验证，成形后的试验件型面轮廓度 (-1.5,+0.2)，满足要求，正差符合设计要求 +0
12、.5。检测结果如图 8。 图 8 偏差 检测 结果示意图 7、结论 通过高温拉伸试验对 TA15钛合金进行超塑性能研究，分析了材料的延伸率情况以及最佳超塑性温度和应变速率，并基于 PAMSTAMP 开展了成形过程的仿真分析，得到如下将结论： （ 1）通过分析不同温度和应变速率下的拉伸试样的延伸率 ，初步判定 TA15钛合金的最佳变形温度为 920，最佳应变速率 5.25 10-4s-1。 （ 2）利用等应变速率 拉伸法获得各温度下的 m - 关系曲 线 ，发现均呈覆钟形，其变化趋势基本一致。在应变速率为 5.25 10-4s-1， m 值都达到最大值。通过比较得出，温度为 920时 m 值最大，为 0.57，同时求出另一个重要参数 K=1018。
