1、 西安航空职业学院 毕业论文 无压边拉深成形技术研究 姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师 : 摘 要：本文对 TC4 细长形零件进行了工艺分析，并对 TC4 材料在 725时进行了高温拉伸试验和成形极限试验，获得了 725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 725时蒙皮的热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；蒙皮；热成形；有限元 1、 钛板拉深成形概述 钛板的拉深是指利用拉
2、深凸模将钛板毛料压进凹模，毛料外径逐渐缩小，形成开口的空心零件，具体就是筒形件、盒形件及其它的复杂件。由于钛及合金本身的特点决定其成形有许多不同于钢板与铝板成形之处。钛的主要成形性能如下： (1)强度较 高，再加上厚向异性指数 r 值也大，所以要求成形机床的吨位较大，单位成形力大。 (2)屈强比大，在常温下钛的抗拉强度与屈服强度十分接近，有的钛材屈强比可达 0 9 以上，因此塑性变形范围十分窄小，成形过程中变形稍大就有可能产生破坏，这对拉弯和拉形等要求控制应力的成形工艺很不利。 (3)钛及合金的弹性模量 E 小，仅为钢材的一半左右，因而反映冲压回弹量大小的比值 E，比钢要小得多。 (4)均匀延
3、伸率 6 值或稳定性指数 n 值较低，所以发生拉伸失稳前的应变较小，同时断面收缩亦较低，而且波动范围很大，因此容易发生破坏丽出现废品，或只 能成形变形程度较小的零件。 (5)钛板的弯曲能力差，只有普通材料的五分之一左右，凡有弯曲变形的工序，工件的弯曲半径都应加大。 (6)受压时的稳定性较低易失稳起皱。蒋加上弯曲性能不好，在起皱部位波纹顶部常可见到弯裂 (即所谓皱裂 )，这也是钛扳成形中的一大问题。 (7)硬度比钢高出约一倍，加上强度高，因此用于成形钛材的模具材料应当具有较高的强度和硬度。 (8)钛的抗磨损能力比不锈钢还低，极易损伤零件和模具； (9)冷作硬化倾向大，一般工序闻应进行退火以消除应
4、力；传统的针对钢板与铝板的冲压工艺对于钛板材是可用的， 但考虑到钛及台金在常温下，钛扳材的成形范围窄，所需成形力大，易开裂，回弹严重，成形较困难。在要求得到小圆角半径或大变形程度或者高精度的钛件时，在室温下拉深很难满足要求，可采用加热等温拉深，就是整个模具和毛料加热到某一适宜温度下进行拉深，但这也会整体提高工艺过程的费用和模具的复杂性且热成形对于零件的质量的影响因素增多。如果能全面的考虑钛合金的特性，并且合理的设计模具及安排适当的操作使之充分发挥其优势，钛在室温下某些特定条件拉深性可超过钢板和铝板，但仅适应使用 TA1 等延伸率高的材料，而且技术难度大。因此一般采取 热拉深工艺。 2、典型零件
5、分析 选取细长桁条类作为研究对象，一方面适宜进行快速加热，另一方面两端具有圆角收料区，属于典型的拉深成形结构，适宜进行无压边拉深成形工艺，针对零件的尺寸，设计了专用的成形模具。零件、模具如下图。 图 1： 零件、模具示意图 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 热成形 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 热 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
6、择 方案 ，避免出现 热成形 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 0.8mm的 TA15 板材进行 725 拉伸试验， 如表 1 所示， 得到的材料的 应力应变曲线如图 2 所示，获得得成形极限数据如图 3 所示。 图 2： TA15 板材 725 拉伸 应力应变曲线 图 3： TA15 板材 725 拉伸 成形极限数据点 表 1： TA15 板材 725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 115 0.324 4.43E-06 0.3135 0.562 1
7、.012 0.432 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 成形 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，并建立仿真前处理的理论模型。 所建有限元模型如图 4 所示 。 图 4： 热成形有限元分析模型 5 模拟仿真优化及结果分析 经过反复的
8、优化仿真设计，解决了计算进程报错停止、成形深度不够停止、毛坯尺寸过大起皱、过小报错、模具板料穿透等计算问题，最终获得成形质量较好的零件仿真结果，具体分析如下。表 2 列举了典型的报错仿真结果。 表 2： 典型的报错仿真结果 序号 附图 问题及原因 改进措施 1 折叠皱纹 加大毛料 2 折叠皱纹 加大毛料差 距 3 折叠皱纹 加大毛料差 距 4 折叠皱纹 优化形状控 制皱纹 5 无折叠 可以开展后 续工作 5.1 热成形过程中的应力分布规律 图 5 为模型的应力分布云图，从主应力图中可以看出，主应力分布区间 -0.137， 0.278，次应力分步区间 -0.278， 0.237： 零件两端 立壁
9、周围 主应力达到最大值，且为拉应力状态 ， 零件 两端法兰 周围 主 应力达到最小值，为压应力状态；零件两端 邻近区域凸模圆角周围 次应力达到最大值，且为拉应力状态 ， 零件两端 邻近区 域法兰周围 次应力达到最 小 值，且为 压 应力状态。 综合主、次应力状态图可以看出，零件 最大 拉 -拉 应力状态 位于 两端 立壁及凸模圆角 区域 ，为破裂危险区 ， 应 发生减薄现象；零件 最大 压 -压 应力状态 位于两端法兰 区域，为 皱纹危险区， 材料发生增厚现象。 图 5： 主次应力云图 5.2 热成形过程中的应变分布规律 图 6 为模型的应变分布云图，从主应变图中可以看出，主应变分布区间 -0
10、.015， 0.811，次应变分步区间 -0.829， 0.12： 零件两端 立壁、凹模圆角周围 主应变达到最大值，且为拉应变状态 ， 零件 两端圆角法兰外延 周围 主 应变达到 最小值，为压应变状态；零件 端部凸模圆角周围 次应变达到最大值，且为拉应变状态 ， 零件两端 凹模圆角周围 次应变达到最 小 值，且为 压 应变状态。 a）主应变及微值云图 b）次应变及微值云图 图 6： 主次应变云图 5.3 热成形 成形极限分析 图 7 为模型的成形极限分布云图， 从 云 图中可以看出，零件 中部 的材料处于成形安全区，材料减薄在允许的范围之内，逐步过渡到零件 两端 区域， 形成 轻微起皱倾向；就
11、整体来分布云图来看， 两端法兰 周围起皱， 两端立壁及圆角区域接近成形极限， 这与右边的成形极限图 FLD 图是吻合一致的。从 FLD 图中可以看出， 零件的应变状态 虽接近 零件的破裂线，处于安全区域，只有少量 区域是处于拉拉应变或者压压应变状态，大部分处于拉压应变状态，这与零件中间大部分区域处于 安全 区域的状态是一致的。从而说明零件起皱 、破裂高风险区域 明显， 但未形成缺陷， 成形工艺合理。 图 7： 成形极限云图 综合主、次应变 、 FLD 云 图可以看出，零件 最大 拉 -拉 应变状态 位于 两端 立壁及凹圆角 区域 ，为破裂危险区 ， 材料 发生减薄现象；零件 最大 压 -压 应
12、变状态 位于两端法兰 区域，为 皱纹危险区，材料发生增厚现象 ，符合计算的厚度分布云图，如图 8 所示。厚度云图、 FLD 云图、应变云图与应力云图分布规律吻合，仿真结果比较准确的反应了零件的变形规律。 图 8： 厚度云图 6 试验分析 结合上述有限元数值模拟结果，选取材料为 TC4M，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 吨热成形压力机 进行 热成形 试验分析 。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本。检验样本包括横向检测样本和纵向检测样本，而横向检测样本和纵向检测样本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 9 所示。 图 9 桁条实物 图
