基于正交試驗(yàn)的鈦合金盒形件液壓成形工藝優(yōu)化

索小琳，余心宏，陳 亮

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

0 前言

近年來(lái)，隨著結(jié)構(gòu)輕量化的需要，板料充液拉深作為板料液壓成形的一種重要加工方法受到國(guó)內(nèi)外的重視，并被越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車、軍工、航空、航天等領(lǐng)域［1，2］。鈦及鈦合金由于其比重小、強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度好、耐腐蝕性好、低溫韌性好等優(yōu)異的性能，也得到了廣泛應(yīng)用。但鈦合金材料的應(yīng)變硬化指數(shù)值、厚向異性指數(shù)值較小，導(dǎo)致室溫拉深性能較差［3］。

20世紀(jì)70年代中期以后，日本學(xué)者對(duì)鈦合金板材拉深工藝進(jìn)行了比較細(xì)致的試驗(yàn)研究，提出了一些抑制破裂等成形缺陷的措施，使液壓拉深工藝進(jìn)入了實(shí)用階段［4，5］。熱態(tài)充液拉深作為板料液壓成形發(fā)展的一個(gè)重要方向，可以很好地解決鈦合金、鎂合金、鋁合金等高性能合金室溫塑性低、成形困難的問(wèn)題?？梢允钩尚涡阅懿畹妮p金屬材料成形能力得到提高，促進(jìn)其在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用［6］。

本文運(yùn)用Dynaform軟件，對(duì)鈦合金盒形件的液壓成形過(guò)程進(jìn)行了模擬。并對(duì)影響板材液壓成形的液壓力，壓邊力和凸模圓角半徑三個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，以期對(duì)鈦合金盒形件液壓成形工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 板材液壓成形原理及特點(diǎn)

板材液壓成形分為有多種方法，充液拉深成形是其中較為典型的一種方法。板材充液拉深是在凹模中充滿液體，利用凸模 (帶動(dòng)板料)進(jìn)入凹模完成板材成形的加工方法［7］。圖1、圖2分別為典型鈦合金盒形件充液拉深成形的壁厚分布圖和應(yīng)變分布圖。由圖可以看出，零件底部圓角處壁厚有所減小，應(yīng)變較大，而在零件靠近口部的直壁區(qū)域壁厚有所增大，應(yīng)變較小，但厚度和應(yīng)變變化幅度都較小，壁厚分布較均勻。這是由于反向液壓的作用，使板料與凸模緊緊貼合，產(chǎn)生“摩擦保持效果”，減小了板料在凸模圓角處 (傳統(tǒng)拉深時(shí)的危險(xiǎn)斷面)的徑向應(yīng)力，提高了傳力區(qū)的承載能力;且拉深過(guò)程中，在板凹模與板料表面間形成的流體潤(rùn)滑，減少有害的摩擦阻力，液體保護(hù)作用使得成形零件表面無(wú)劃傷，同時(shí)使法蘭變形所需的徑向應(yīng)力減?。?，9］。這樣不僅使得板料的成形極限得到大大提高，還可以減少傳統(tǒng)拉深時(shí)可能產(chǎn)生的局部缺陷，從而成形出精度高、表面質(zhì)量好的零件。

2 正交試驗(yàn)

本文針對(duì)TC2鈦合金盒形件充液拉深工藝，成形溫度為550℃ (其性能參數(shù)如表1)，板料厚度為1.5 mm。設(shè)定板坯為彈塑性材料，有限元模型中板坯為BT殼單元，模具為剛體殼單元。

表1 TC2材料性能參數(shù)Table 1 Material properties of TC2 at 550℃

2.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)以液壓力、壓邊力及凸模圓角半徑為引因子，以成形所得的盒形件的成形深度、最小壁厚和最大增厚率為目標(biāo)，選用六因素五水平正交表即L25(56)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬，發(fā)現(xiàn)在成形初始階段不發(fā)生破裂和起皺的臨界液壓力為30～10 MPa，臨界壓邊力300～100 Mpa，為此本文選取了以下五種不同的液壓力加載曲線和壓邊力控制曲線，如圖3、圖4所示。凸模圓角半徑分別為 (5、6、8、10、12)mm。正交優(yōu)化因素水平表如表2所示。

表2 正交優(yōu)化因素水平表Table 2 Factor level list of orthogonal optimization

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示，本試驗(yàn)是一個(gè)三因素五水平的試驗(yàn)，選用的正交表L25(56)有六列，可以安排六個(gè)因素，本實(shí)驗(yàn)的三個(gè)因素分別放在第1、2、3列上，第4、5、6列沒(méi)有安排因素，但可以計(jì)算極差數(shù)，對(duì)試驗(yàn)的誤差做粗略的估計(jì)。

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Schemes and results of orthogonal test

2.2.1 分析影響指標(biāo)的因素主次順序和較優(yōu)因素水平組合

極差R的大小反映了試驗(yàn)中相應(yīng)因素對(duì)指標(biāo)作用的顯著性。極差R大的因素，其水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的差別大，為作用顯著因素，而極差R小得因素則往往是作用不顯著的因素。

由表4通過(guò)極差可以判斷，以成形深度為指標(biāo)，三因素的主次順序?yàn)?凸模圓角＞壓邊力＞液壓力;以最小壁厚為指標(biāo)，三因素的主次順序?yàn)?液壓力＞壓邊力＞凸模圓角;以最大增厚率為指標(biāo)，三因素的主次順序?yàn)?凸模圓角＞液壓力＞壓邊力。

由表4可以看出，以成形深度為指標(biāo)，較優(yōu)的因素水平組合為A5B2C5;以最小壁厚為指標(biāo)，較優(yōu)的因素水平組合為A5B1C5;以最大增厚率為指標(biāo)，較優(yōu)的因素水平組合為A2B4C3。

2.2.2 綜合平衡分析

為了找到對(duì)三個(gè)指標(biāo)都比較優(yōu)的組合，需要針對(duì)各個(gè)因素用綜合平衡的方法來(lái)尋找較優(yōu)的水平。

對(duì)板料最薄處厚度，液壓力處于第一主要因素地位取A5。對(duì)板料成形深度和最薄處厚度，壓邊力控制均處于第二主要因素地位，由表4可以看出B1與B2相差不太大。綜合起見(jiàn)，因素B取B2。對(duì)板料成形深度和最大增厚率來(lái)說(shuō)，凸模圓角均處于第一主要地位，同樣由表4可以看出C3和C5相差不太大。綜合起見(jiàn)，因素C取C5。綜上分析，最優(yōu)因素水平組合為A5B2C5。

表4 正交試驗(yàn)極差表Table 4 Range statistics of orthogonal test

2.2.3 方差分析

通過(guò)以上極差分析，雖然得到了各種因素的較優(yōu)組合，但不能估計(jì)試驗(yàn)誤差，即不能區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的差異是由各因素的水平變化而導(dǎo)致的，還是由試驗(yàn)的隨機(jī)波動(dòng)而導(dǎo)致的，要解決這一問(wèn)題，可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做方差分析。在對(duì)正交試驗(yàn)做方差分析時(shí)，必須估計(jì)試驗(yàn)的隨機(jī)誤差，而隨機(jī)誤差是通過(guò)正交表上的第4、5、6列得到的。通過(guò)方差分析，得到各因素對(duì)盒形件液壓成形的較優(yōu)水平組合為A4B2C5，和極差分析結(jié)果一致。

3 正交優(yōu)化分析結(jié)果驗(yàn)證

前面通過(guò)極差和方差分析所得的最優(yōu)因素水平組合為A5B2C5，但這個(gè)試驗(yàn)方案不在所做的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，應(yīng)追加驗(yàn)證試驗(yàn)。本文采用DYNAFORM軟件對(duì) A5B2C5(即液壓力為15 MPa，壓邊力為漸增型，凸模圓角半徑為12 mm)方案進(jìn)行了模擬，試驗(yàn)材料及模具參數(shù)和上述正交試驗(yàn)相同，并與所做正交試驗(yàn)中的最優(yōu)方案A5B2C4比較。兩種方案下試驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比如表5所示。

表5 兩種方案試驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比Table 5 Contrast of various indeses resulting in testing of two schemes

由表5可以看出，方案 A5B2C5與方案A5B2C4相比，盒形件的成形深度得到了提高，兩種方案下增厚率和減薄率都在20%以內(nèi)，滿足成形質(zhì)量要求。但與方案A5B2C4相比，方案A5B2C5的最大增厚率較小，減薄率也較小，壁厚比較均勻，且在相同條件下，盒形件的成形深度得到提高，其起皺和破裂的趨勢(shì)也較小，因而，根據(jù)正交表的正交性，可以認(rèn)為組合A5B2C5為所有可能組合中的較優(yōu)組合。

4 結(jié)論

(1)對(duì)鈦合金板料液壓成形中三個(gè)主要參數(shù)——液壓力、壓邊力和凸模圓角半徑進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，影響成形深度的主次順序?yàn)?凸模圓角半徑＞壓邊力＞液壓力;影響成形件最小壁厚的主次順序?yàn)?液壓力＞壓邊力＞凸模圓角半徑;影響成形件最大增厚率的主次順序?yàn)?凸模圓角半徑＞液壓力＞壓邊力。

(2)采用綜合平衡法和方差分析，獲得了鈦合金盒形件液壓成形的優(yōu)選工藝方案:液壓力15 MPa，壓邊力加載曲線為漸增型 (即2號(hào)壓邊力控制曲線)，凸模圓角半徑為12 mm。

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