多道彎折鈦合金零件的熱成形工藝研究

商正航 包明昊 陸陶冶, 陳秀華,3*

（1.上海交通大學 航空航天學院，上海 200240；2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；3.上海電機學院 上海大件熱制造工程技術研究中心，上海 201306）

近年來，鈦及其合金材料備受關注，其密度僅為鋼的60%，具有更高的比剛度和比強度，成為制備輕質、高強零部件的理想材料。目前，鈦合金在航空產品中的應用范圍不斷擴大，已經廣泛應用于飛機框架、發動機環形件和導彈筒形件等薄板類輕型結構[1]。然而，鈦合金加工制造具有挑戰性，限制了其應用推廣。其在室溫下具有高屈服強度和較差的塑性變形能力，導致冷沖壓需要更大載荷，而且難以保證成形精度[2]。為此，研究者提出熱成形的解決方法，提高成品的幾何精度，減小成形力。熱成形是航空制造業中非常重要的工藝形式。

CP3 鈦合金是一種工業純鈦，其鈦質量分數不低于98.5%，還含有少量鐵、碳等元素。由于具有高屈服強度和抗拉強度，以及耐熱、耐腐蝕等優良特性，CP3 鈦合金已被應用于我國大型客機關鍵鈑金件的制造中[3-4]。國內外針對CP3 鈦合金的成形工藝及成形仿真進行了相關研究。胡丹研究了CP3 鈦合金在室溫下的基本力學性能和成形特性，解決了用橡皮囊精確成形該材料的技術難題[5]。郭禮銘通過試驗和模擬仿真，研究了激光熱應力校形工藝對CP3 鈦合金鈑金件的校形，并得出主要的工藝參數[6]。

國內對CP3 鈦合金的熱成形工藝研究較少，研究CP3 鈦合金零件的熱成形工藝及仿真技術，對于提高零件制造質量、研制水平和生產效率等方面都有重要意義。文章以某CP3 鈦合金多道折彎零件為例，基于ABAQUS 軟件建立零件熱成形的有限元模型，采用Johnson-Cook（以下簡稱JC）塑性本構模型描述熱成形過程中材料的塑性變形。采用有限元仿真預測零件尺寸，并與試驗進行對比驗證仿真結果，研究不同成形壓力和成形溫度對零件成形質量的影響。

1 零件設計與制造

1.1 零件結構設計

圖1 為CP3 鈦合金零件多道折彎結構的示意圖，彎道處的半徑為3 mm，零件長度約為230 mm。CP3鈦合金零件屬于小尺寸的鈦合金零件。

圖1 多道折彎結構示意圖

1.2 制造工藝參數

影響鈦合金熱成形的主要工藝參數有成形溫度、成形壓力和保壓時間，選取合適的成形工藝參數對零件的成形質量及模具的使用壽命至關重要[7]。目前，普遍使用的鈦合金熱成形溫度為500～800 ℃[8]。為了減少加工時的能源消耗并延長模具壽命，成形溫度應盡量低，本次試驗將成形溫度定為600 ℃和650 ℃。為提高效率，保證機床和模具壽命，本次試驗選定保壓時間為8 min，成形壓力為200 kN，成形速度為60 mm·min-1。

1.3 零件毛料及成形模具

1.3.1 毛料尺寸

零件精確的展開外形采用中性層展開算法計算，展開后的總長L為

式中：a1、a2、a3為成形后3 段直邊的長度；L1、L2、L3為成形后3 條圓弧的中性層長度，三者均為1/4 圓弧，中性層半徑取3.317 5 mm（圓角加材料厚度的1/2）。零件展開前毛料寬度約為60 mm。考慮到鈦合金熱成形時裝料環境比較惡劣，為了迅速將毛坯料放置到位，不采用準確的凈邊成形，而是在毛料兩側各留20 mm 余量，毛料最終寬度取100 mm。

1.3.2 成形模具

模具由一對上凸和下凹模組成。工作時，借助成形機床上平臺的上下運動實現開合動作，模具偶合時型面具有自導向作用。上、下模靠近成形面的位置設置有測溫孔，下模設置有3 個靠銷，用于定位毛料。模具材料采用耐高溫的硅鋁球墨鑄鐵。

2 建立有限元模型

文章旨在模擬CP3 鈦合金多道折彎零件的熱成形過程，包含加載、保壓和回彈等多個包含非線性的大變形過程，因此使用通用有限元分析軟件ABAQUS/Explicit 分析模塊進行模擬計算。

2.1 幾何模型與網格劃分

為便于計算，將模具簡化為平滑規整的結構，并忽略其熱脹冷縮，將上、下模的單元類型設置為離散剛性單元。與模具設置不同，毛料受到熱壓作用時會產生較大變形，并且在折彎部分容易產生應力集中，因此毛料的應力、應變不能忽略。在有限元建模時，將毛料設置為可變形殼（S4R 殼單元），對易出現應力集中的部分進行網格加密處理。毛料的單元總數為2 728，最小單元尺寸為1 mm×3.95 mm。模具和毛料的網格劃分分別如圖2 和圖3 所示。

圖3 毛料加密網格劃分

2.2 材料屬性定義

由于金屬材料的固有特性、成形方式及成形條件不同，采用單一的材料本構模型完整描述所有金屬變形是不現實的。針對CP3 鈦合金，使用JC 塑性本構模型描述不同溫度下零件熱成形過程中材料的塑性變形。JC 塑性本構模型的一般表達式為

文章主要考慮等溫狀態下的熱成形過程，JC 塑性本構模型可簡化為

模型中，A、B、C、n這4 個待定參數一般由試驗數據擬合得到。參考文獻[5]、[6]和[9]，擬合得到常溫（30 ℃）下CP3 材料的JC 塑性本構模型參數。根據文獻[10]給出的不同溫度下鈦合金的應力-應變曲線，可以合理假設不同溫度的CP3 鈦合金的硬化規律類似，因此取CP3 在200～1 000 ℃下的JC 塑性本構模型的參數，如表1 所示。

2.3 邊界條件與加載定義

零件的熱成形過程包括上模具的沖壓、回收以及毛料回彈。仿真分析步分為初始步、加載步、保壓步和回彈步。設置上模具垂直加載方向的位移為30 mm，上模具其余方向和下模具的所有方向均被約束。為了防止仿真過程中毛料產生不正確的水平位移，并盡可能保持其變形自由度與試驗一致，在毛料中部添加X方向的位移約束。分析步流程下的約束變化如表2 所示。將模具和板料之間的所有接觸設置為硬接觸，摩擦系數設為0.15。

表2 分析步流程下的約束變化

3 有限元與試驗結果分析

3.1 仿真與試驗結果對比

溫度為30 ℃、600 ℃和650 ℃，成形壓力為200 kN下的多道折彎鈦合金零件的成形結果如圖4 所示，可以看出高溫成形的零件回彈更小。

圖4 不同溫度下零件成形結果

在零件上選取1#和2#兩處關鍵位置，對比真實試驗和有限元分析的彎折角度，結果如表3 所示。可以看出，在1#和2#位置處，仿真角度與試驗結果吻合良好，證明所建立的仿真模型可用于模擬多道折彎的CP3 鈦合金零件的熱成形過程。隨著成形溫度的升高，1#和2#位置的角度均逐漸趨近于設計角度90°。在650 ℃溫度下成形的零件，經過外形切割和校形后能夠滿足使用要求。

表3 試驗與仿真彎折角度結果對比

3.2 仿真結果分析

成形溫度為650 ℃、成形壓力為200 kN 的有限元仿真的零件成形過程如圖5 所示。從圖5（a）～（d）可以看出，沖壓過程中上模具與毛料在2#彎道處接觸，毛料發生變形并產生應力集中。隨著上模具的持續下移，毛料在1#位置處也發生變形并產生應力集中，如圖5（e）所示。圖5（f）～（h）為保壓過程，可以看出毛料的應力集中出現在1#和2#處。從圖5（f）～（g）可以看出，毛料逐漸壓實，彎道處的Mises 應力增加；從圖5（g）～（h）可以看出，毛料發生塑性流動，應力集中有所緩解，彎道處的Mises 應力減小。圖5（i）～（j）為卸載過程，可以看出毛料有明顯的回彈，且回彈最大區域為較小的折彎翻邊處。由仿真結果可知，JC 塑性本構模型能夠很好地模擬熱成形過程中試件的塑性變形及回彈過程。

圖5 650 ℃溫度下有限元仿真的零件加工過程

3.3 工藝參數的影響性分析

成形工藝參數對鈦合金零件的成形質量及模具的使用壽命至關重要，因此需要進行成形壓力和成形溫度的影響性分析。

保持成形時間和溫度（650 ℃）不變，得到不同成形壓力下零件最終的成形角度，如圖6 所示。由圖6可以看出，當成形壓力小于250 kN 時，隨著壓力的增大，1#和2#處的最終成形角度逐漸減小，這是因為壓力越大，塑性應變越大，在回彈階段的回彈量就越小；當成形壓力大于250 kN 時，隨著壓力的增大，1#和2#處的最終成形角度略有增大趨勢，這是因為壓力的增大使得彈性應變增大，在回彈階段的回彈量也隨之增大。根據有限元結果可知，當成形溫度為650 ℃時，可以選擇250 kN 的成形壓力，以獲得更優的成形質量。

圖6 不同成形壓力的零件最終成形角度

圖7 為不同成形溫度下，零件在1# 和2# 處的最終成形角度。由圖7 可以看出，當成形溫度為200～800 ℃時，隨著溫度升高，1#和2#處的最終成形角度逐漸減小，這是因為溫度越高，相同壓力下鈦合金越早進入塑性階段，塑性應變也就越大，在回彈階段的剩余變形越大，回彈程度越小；當溫度大于800 ℃時，隨著溫度的升高，彈性模量越小，同樣的壓力下產生的彈性變形越大，這部分變形在回彈階段恢復，因此成形溫度為1 000 ℃時，1#和2#處的最終成形角度比800 ℃時更大。

圖7 不同成形溫度的零件最終成形角度

4 結語

以CP3 鈦合金多道折彎零件為研究對象，采用JC 塑性本構模型描述熱成形過程中的塑性變形，并利用ABAQUS 軟件建立該零件在熱成形過程中的有限元模型。使用該模型分析鈦合金熱成形過程中零件應力應變分布和回彈變化，研究30 ℃、600 ℃和650 ℃這3 種不同成形溫度下的板料成形，并通過試驗驗證了仿真結果的準確性。采用JC 塑性本構模型能夠描述熱成形過程中的CP3 鈦合金的塑性變形，很好地捕捉零件在加載、保壓和回彈過程中的應力集中和回彈變形，能夠為鈦合金熱成形加工的預測和優化提供參考。不同成形壓力和成形溫度對零件成形質量具有顯著影響，針對多道折彎鈦合金CP3 零件，選用650～800 ℃溫度、200～250 kN 壓力進行熱成形，可以獲得更理想的零件。