等温热成形钛合金零件尺寸精确控制方法

                                             
                                                等温热成形钛合金零件尺寸精确控制方法

  为了研究等温热成形钛合金零件尺寸的精确控制方法, 分析了钛合金零件等温热成形过程, 确定了影响零件尺寸的主要因素为热膨胀、 回弹及切割变形, 并研究了其影响机理及控制措施。以某钛合金零件为例, 仿真分析了其热膨胀和回弹变形, 基于热膨胀和回弹机理, 提出了热膨胀和回弹补偿量方法及计算公式, 并进行了实验验证。结果表明, 成形后零件与设计基本一致, 证明热膨胀和回弹补偿方法可行。通过对热膨胀和回弹的精确补偿, 有效提高了零件精度, 提高了调试效率, 实现了精确控制等温热成形钛合金零件尺寸。

  钛合金由于具有比强度高、 耐腐蚀性好及使用温度高 等优点, 其使用量在航空产品上越来越大 , 如飞机的带板、 隔框、 大型壁板、 航空发动机整流罩及叶片等均大量采用钛合金材料 。在室温条件下, 钛合金屈强比高、 塑性差及成形后回弹量大, 故钛合金不宜在室温条件下进行塑性成形。而在高温条件下, 钛合金塑性显著增强, 成形后回弹相对较小, 因此热成形成为钛合金钣金零件的主要成形方式 。

 

 钛合金等温热成形是将模具和坯料加热到一定温度 (一般在 600~900 ℃ ) 冲压成所需零件, 等温热成形具有成形后零件质量较好、 适用范围广、 适合批量生产等特点, 因此是钛合金钣金零件的主要成形工艺。 

 

 由于钛合金等温热成形过程温度较高, 导致影响成形的因素与普通室温冲压有所不同。经过对钛合金热拉伸实验发现,温度和应变速率与钛合金塑性、 变形抗力均有关。郭天文研究发现不同温度下 TC4 板材拉深系数不同, 而小极限拉深系数是在 770 ℃ 。虽然钛合金在高温时塑性提高, 但是仍有回弹, 如冯毅雄等经过回弹补偿后试制出合格的某大号圆管零件, 熊炜等采用 900 ℃ 超塑成形试制的叶片加强边零件仍有很小回弹。YAN X M 等研究发现成形温度越高, V 形件回弹越小。虽然回弹会影响最终零件尺寸, 但是影响零件尺寸的还有热膨胀和切割变形等因素, 而目前均鲜见有关于回弹、 热膨胀和切割变形等影响零件尺寸因素控制方法的研究。等温热成形过程中对零件状态检测不方便, 单件生产成本相对较高, 若不能准确对回弹和热膨胀等因素进行计算控制, 则可能增加修模次数, 导致调试成本增大。 

 

 钛合金零件等温热成形的影响因素较多, 如何精确控制零件尺寸是重点, 本文根据钛合金特点, 结合实际生产经验, 归纳总结了影响等温热成形钛 合金零件尺寸的因素, 并提出了应对方法。以某 TC4 钛合金零件为例, 仿真分析了零件成形及热膨胀, 提出了热膨胀补偿和回弹补偿方法及计算公式。利用文中方法, 可快速、 精确控制成形后零件尺寸, 从而降低生产成本。 根据等温热成形原理和实际经验, 影响等温热成形最终零件尺寸的主要因素有模具加工精度、 热膨胀、 回弹以及切割变形等。考虑现有数控机床精度较高, 一般均可保证轮廓精度在±0. 05 mm 以内, 因此模具加工精度对钣金零件尺寸影响可忽略。故本文主要讨论热膨胀、 回弹及切割变形等对等温热成形钛合金零件尺寸的影响及控制方法。

 

 1. 1 热膨胀对零件尺寸的影响 

由于钛合金等温热成形模具材料本身属性, 受热后模具尺寸整体会膨胀变大, 导致在成形温度下模具尺寸与冷态时不同, 且随着温度升高、 零件尺寸越大越显著。以等温热成形常用模具材料 ZGCr25Ni20 耐热不锈钢为例, 20 ~ 800 ℃ 的线膨胀系数为 18. 5×10 -6 ℃ -1 , 以 TC4 半径零件常用热成形温度 800 ℃计算, 模具工作时相比常温 25 ℃时 膨胀量为 0. 014338 mm -1 , 即长度为 100 mm 的模具在工作时实际尺寸约为 下热膨胀量相对较大 101. 434 mm, 可见高温状态 。 

 

 零件本身在受热时也会膨胀变形, 以常用钛合金 TC4 材料为例, 20 ~ 600 ℃ 的线膨胀系数为 10× 10 -6 ℃ -1 , 故在 800 ℃成形时相比常温 25 ℃成形时膨胀量为 0. 00775 mm -1 , 即长度为 100 mm 的零件在 800 ℃工作时实际尺寸约为 100. 775 mm。 

 

 综上可知在高温状态下成形零件时, 模具和坯料及成形后毛坯件均相对室温时膨胀变形较显著, 且模具和零件由于材质不同, 导致膨胀量不同, 若不考虑热膨胀造成的影响则会造成最终零件尺寸产生较大误差。因此需进行热膨胀补偿, 使得热成形后零件在冷却后尺寸与设计一致。 

 

 1. 2 回弹对零件尺寸的影响 

钛合金在高温下虽然塑性明显提高, 变形抗力明显降低, 在一定温度和变形速率条件下具有超塑性能 , 但是, 由于钣金成形的固有特性, 热成形零件在成形完成外力卸载后均有不同程度回弹。经过研究, 当温度较高、 变形速率较小时, 零件成形后回弹相对较小。YANG X M 等研究表明, 900 ℃ 折弯相比 750 ℃ 降低了折弯角, 回弹减小了约 50%, 但是 90°弯曲角仍然有 0. 5°回 弹, 且回弹方向与室温成形类似, 均为变形方向反向回弹。此外, 回弹还与保温时间等因素有关 。 

 

 可见对于钛合金等温热成形, 虽然回弹相对室温成形降低很多, 但是仍然不能忽视, 尤其对于尺寸较大零件。解决回弹主要是通过回弹反向补偿。

 

 1. 3 切割变形对零件尺寸的影响 

零件切割后变形是由于内部残余应力在切割过程中释放导致零件局部变形, 一般可通过去应力热处理后再切割大大降低切割变形, 此外亦可控制切割方式和切割顺序适当减小切割变形。钛合金等温热成形由于成形温度较高, 成形后零件内部残余应力较小, 故切割变形一般较小。由于控制钛合金切割变形的主要措施是去应力热处理和切割方式等, 与常温成形零件类似, 故本文不作详细研究。