钛合金板材的冷弯成形规律研究

钛合金板材的冷弯成形规律研究

钛合金（名义成分为ti-6.5a1-2zr-1mo1v）是俄罗斯开发的一种接近强度的钛合金，具有中等温度和中等高温，具有良好的热稳定性、抗疲劳防滑和焊接性能。由于其优越的性能而在航空航天工业领域中广泛应用,如弹翼蒙皮、壁板等一些受力复杂的结构件。板料V形折弯成形是一种柔性加工工艺方法使用较少的模具组合能够加工得到多种规格的折弯零件,因而在航空、汽车和家电等制造领域得到了广泛应用。回弹是钣金V形折弯成形中存在的主要缺陷之一,是折弯成形加工过程中板料在卸载阶段发生的反向弹性变形,是折弯成形加工中存在的普遍现象,它直接影响折弯件的尺寸精度。对于板料的折弯成形,回弹会导致板料弯曲半径、弯曲角度的改变。回弹半径与模具结构、材料性能、板材几何形状摩擦等诸多因素有关,它们之间的非线性作用关系非常复杂,在这些因素的共同作用下,板料回弹量的预测精度目前还难以达到工业应用的要求。传统的解决办法是通过反复的试验和修正来获得足够的成形精度,因而生产效率低,成本高,移植性差,而有限元的发展和应用为该类复杂问题的解决提供了有效的途径。目前国内航天传统钛合金弹翼蒙皮的精确成形是通过热压成形实现蒙皮的精密成形,该成形方法成形效率低,耗能大,成本高。为了突破现有钛合金弹翼蒙皮的传统成形方法,探索采用冷折弯蒙皮来实现钛合金蒙皮的精确成形。本文通过简单的钛合金V形件,来摸索TA15板材的冷折弯成形规律,以最大程度地实现钛合金弹翼蒙皮的精确成形。本文结合有限元模拟与试验,研究V形折弯件的应力与应变、弯曲角度、回弹角和破裂等状态。1零件的折弯形貌图1所示为简单折弯件,材料为退火态TA15钛合金板材,厚度为1.0mm,其中折弯凸模圆角半径为1mm,两种折弯弯曲角分别为7.6°和5.8°。考虑到生产效率和制造成本,该零件选择冷折弯成形。该零件折弯的难点在于成形装备的选择、回弹的预估、折弯成形极限的判定,从不产生裂纹和提高成形精度两个方面控制零件质量。2有限元模型分析采用金属板料成形专业有限元模拟软件PamStamp2G,对TA15板材冷折弯过程进行模拟,整个过程分为两个阶段,即基于显式算法的折弯塑性成形阶段,和基于隐式算法的卸载回弹阶段。根据零件特点,本文主要研究了凸模行程、凹模跨度、凸模圆角的变化等参数对板材折弯角度和回弹的影响。通过有限元模拟分析研究折弯成形过程中零件的应力应变状态和卸载过程中出现的回弹现象,同时预测折弯的成形极限角度,从而指导成形设备和工装的选择,避免出现折弯过程中的破裂等缺陷,提高零件的折弯精度。在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,采用八节点六面体三维等参数单元划分网格,并在板料弯曲范围局部细化单元尺寸以提高其变形模拟精度。同时为了更好地与实际折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,如图2所示。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1mm的TA15材料做了室温拉伸试验,得到的基本性能参数如表1所示。3有限差分模拟3.1折弯件表面应力折弯件的回弹,跟成形过程中折弯零件所受的应力状态密切相关。为了便于对折弯区域进行分析,本文在分析折弯成形的应力状态时只取折弯件的折弯部分进行局部应力状态分析。此处主应力为环向应力,次应力为厚向应力。从图3可知,折弯件内表面主应力为压应力,外表面主应力为拉应力,中性层主应力接近为零,折弯两直边所受主应力接近为零;从图4可知,折弯件内表面次应力为压应力,外表面次应力为压应力,中性层次应力接近为零,折弯两直边所受次应力仍接近为零。这与实际成形过程中所受的应力状态时一致的,即内表面主要发生压缩变形,外表面发生拉伸变形,折弯直边段近似为未变形区。折弯件内压外拉的受力状态易促进回弹的产生,因此在成形的过程中可以考虑通过改变其受力状态来减少回弹的产生。3.2凸模圆角对回弹角和跨距的影响为了探究凸模圆角、凹模跨度对回弹角Δα的影响,本文选择弯曲角为15°,凸模半径分别为1、3mm,凹模跨度分别为4、8、12、20、40、60、80mm的折弯成形。从图4中对比可得,对于不同的凸模圆角,回弹角Δα的变化趋势基本一致,回弹角随凸模半径R的增大而略有增加;而回弹角随着凹模跨度的变大却快速增大,其中在凹模跨度小于60mm时增长较快,回弹受跨距的影响较大;凹模跨度大于60mm时增长平缓,受跨距影响相对较小。在相同弯曲角的条件下,随着凸模圆角和凹模跨度的增大,折弯件变形程度减小,弹性变形在总变形量中增大,卸载后的弹性回复量也变大。3.3凸模行程d的影响折弯件的变形程度随凸模行程D的变化而变化,为了考察凸模行程对弯曲角α和回弹率β的影响,在其他变形参数相同的条件下,选择凸模半径R为1mm、凹模跨度B为12mm,凸模行程为一系列变化值进行有限元模拟,研究凸模行程对弯曲角α和回弹率β的影响规律。从图5(a)可知,随着凸模行程增大,弯曲角几乎呈线性增大;从图5(a)可知,随着凸模行程的增大,回弹率在凸模行程较小时,呈快速下降趋势,凸模行程较大时逐渐趋向平缓,说明在凸模行程较小时,弹性变形占总变形量中的比例相对较大,因而卸载后产生的回弹量较大。而随着凸模行程的增大,折弯件总变形量也在增大,同时塑性变形所占的比例也逐渐增大,卸载后弹性回复量随之减小,因而回弹率β逐渐变小。通过分析凸模行程D对弯曲角α和回弹率β的影响规律,拟合图5的曲线方程可得到弯曲角、回弹率与凸模行程之间的关系如式(1)、(2)。根据式(1)、(2),如果已知目标弯曲角α,可以预测相应折弯凸模行程D和回弹率β,这对实际生产折弯件具有理论指导意义。3.4回弹过程fld材料成形极限的大小在材料的成形性能中最为重要,它反映了材料在各种应力应变状态下局部极限变形能力的大小。本文研究凸模圆角R为1mm、凹模跨度B为12mm条件下的板材回弹角度和成形极限。经过大量的有限元模拟发现,当行程1.5mm时,回弹后角度20°,对应成形极限图FLD如图6(a)所示。从图可以看出,材料折弯区域均在安全区域内,能够顺利折弯,没有产生裂纹。但部分应变分布点已接近破裂临界区,易产生破裂趋势。当行程1.6mm时,回弹后角度21.8°,该凸模行程下的FLD图如图6(b)所示。从图中可以看出,材料折弯范围内有部分区域已在破裂区内,会有裂纹现象产生。因此可以得到:凸模圆角R为1mm、凹模跨度B为12mm条件下的极限凸模行程为1.5mm。4试验研究基本过程结合上述有限元数值模拟结果,选取退火态TA15,厚度为1.0mm的钛合金板材,所用设备为PBB-110/3100数控折弯机进行试验分析。为避免折弯成形过程中出现的动态效应,取凸模下压平均速度为10mm/s。为了研究弯曲角α、回弹率β与凸模行程D关系的公式正确性,选取折弯凹模跨度B为12mm,凸模圆角为1mm。通过式(1)计算出弯曲角为7.6°和5.8°的凸模下降行程分别为0.84mm和0.74mm;根据式(2)理论计算出,弯曲角为7.6°和5.8°时的回弹角分别为8.91°、7.81°。在上述设备参数下,对弯曲角为5.8°和7.6°进行了试验研究,模拟和试验的具体参数对比如表2所示。由表2可知,与数值模拟分析结果相比较,相应试验结果数值整体偏小,但相差误差不大,因此数值模拟分析结果和试验结果基本吻合,说明了通过模拟拟合的回弹角和回弹率与凸模行程的公式是可行有效的。其中造成两者产生误差、影响有限元分析结果的主要因素有板材性能、有限元模型、边界条件、摩擦系数等。根据前文凸模圆角半径R和凹模跨度B对回弹角Δα影响的有限元模拟结果,试验选择凸模半径分别为1、3mm、分别进行凹模跨度为4、8、12、20、40、60、80mm的折弯成形,折弯角为39°。试验折弯成形结果和有限元数值模拟结果对比如图7所示。从图可以看出,试验件回弹角随着凸模圆角和凹模跨度的增大而增大,且受凹模跨度的影响相对明显。试验件测量得到的回弹角Δα比相应的有限元计算结果略小,但回弹角总的变化趋势基本一致。为了进一步探究TA15板材的折弯性能和降低冷折弯废品率,提高折弯工艺的成形效果,本文结合前文所述的数值模拟结果,进行该板材的破裂极限弯曲角试验研究。选取试验折弯凹模跨度B为12mm,凸模圆角R为1mm,得到试验值与模拟值的极限凸模行程D和回弹角Δα对比数据如表3所示,折弯试验件如图8所示,其中凸模行程D为1.8mm时的弯曲角25°。从图可知,当弯曲角为25°时,可以看出折弯圆角处开始出现微小裂纹;从表3中可以看出,在相同凹模跨度和凸模圆角条件下,试验的极限凸模行程比模拟得到的极限行程D和回弹角Δα均略微偏大,但结果基本一致;无论是试验值还是模拟值,凸模极限下降行程偏小,回弹角数值整体较大,说明材料TA15冷折弯性能较差,塑性变形区间较小,回弹较大。可见回弹现象对折弯成形的尺寸精度和形状精度影响较大,不能忽视,实际生产过程中可通过增加弯曲角度进行回弹补偿,以此获得比较满意的折弯件。5凸模行程d对弯曲角和回弹率的影响(1)TA15钛合金板材冷弯时,回弹角随凸模半径R和凹模跨度B的增大而增大,其中回