鈦合金錐形構件變溫熱拉深成形壁厚均勻性控制

王安陽 盧 振 蔣少松 王辰曦

鈦合金錐形構件變溫熱拉深成形壁厚均勻性控制

王安陽盧 振蔣少松王辰曦

（1. 沈陽飛機工業（集團）有限公司，沈陽 110000；2. 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001）

針對現有鈦合金等溫拉深過程中壁厚均勻性差的問題，開發了變溫熱拉深成形新技術，結合等溫熱拉深成形有限元分析及變溫熱拉深成形工藝試驗，分析了變溫拉深成形的工藝優勢。成形試驗在熱成形機中進行，模具凹模與板料在熱成形機中加熱至成形溫度（700～800℃），通過向凸模內通入冷卻介質來控制凸模溫度（低于板料溫度），熱拉深過程冷凸模底部與板料中心接觸，板料在變形的過程中溫度降低至屈服溫度以下后不再變形，未接觸到凸模的板料繼續變形，解決了錐形構件熱拉深過程底部過度減薄的難題。工藝試驗發現采用變溫熱拉深成形的TC4鈦合金錐形件，底部與邊緣部分厚度偏差在10%以內，底部減薄現象得以改善，有效地控制了底部中心附近的厚度，使變形更均勻。

鈦合金錐形件；變溫熱拉深；冷凸模熱凹模；壁厚均勻性

1 引言

鈦合金因具有高比強度、低密度、耐腐蝕、耐高溫等優點，廣泛應用于航空航天領域。在航空航天領域中，許多重要零部件通常由鈦合金制成。TC4鈦合金是一種（α+β）型鈦合金，綜合性能優良，對于航空航天工業中某些特殊零件的需求，需要采用鈦合金的熱拉深成形工藝技術。

傳統的熱成形工藝中，對于薄壁和大表面積為特征的板類構件，由于在拉深過程中坯料易發生較大的變形，導致坯料與模具接觸的部分過薄，使變形不均勻且抗拉強度下降，拉深高度不足，產生開裂等現象，不利于提高產品的質量和生產效率。

自上世紀50年代英國學者Alexander Parks發明了銅板拉深工藝以來，該工藝不斷發展和應用，國內外眾多學者對拉深工藝進行了廣泛深入的研究。國外學者研究了Ti-6Al-4V合金板材在不同溫度下的成形性能，進行了拉深試驗，發現在150℃以下材料的成形性很差，在150～400℃以上，極限拉深比為1.8，遠小于其它結構合金。德國學者觀察了一種用于制造排氣系統部件的近α鈦合金在熱拉深過程中的行為，發現此類合金的熱成形有時會導致不利的α-情況，這是母材中氧的富集，從而削弱了構件的疲勞強度。

隨著我國航空航天工業的迅猛發展，零件的拉深工藝應用也越來越普遍，國內學者利用拉深成形工藝制造了非對稱橢球型面零件，把難以成形的零件變得容易成形，降低成形難度。首都航天機械公司通過有限元分析技術以典型的盒類零件拉深過程為研究對象，預測了板料成形過程中減薄、拉裂、起皺等缺陷，同時分析了缺陷產生的原因，優化了板料成形工藝參數。沈陽航空工業學院設計制造了導彈包裝箱拉深模具，在同一套模具上實現了箱體和箱蓋零件的拉深成形，拉深的箱體和箱蓋零件完全合格，有效地降低了生產成本。

目前，研究鈦合金板材的熱拉深成形的工作鮮見報道，熱拉深成形錐形結構零件及零件壁厚尺寸分布的研究頗少，圓錐零件在工業上有著廣泛的應用，但錐形件的成形是板料成形過程中復雜困難的領域之一。本文采用冷凸模、熱凹模的工藝技術對TC4鈦合金進行熱拉深成形試驗，設計并制造了控制構件壁厚均勻性變溫熱拉深成形裝置；應用有限元模擬軟件ABAQUS/CAE對TC4板材傳統等溫熱拉深工藝過程進行有限元數值模擬，分析了板材成形過程壁厚分布情況。另外，測量了采用冷凸模、熱凹模工藝技術制造的TC4鈦合金成形件底部中心附近的厚度，對比傳統等溫熱拉深成形工藝制造的成形件，研究鈦合金薄板成形情況，為提高熱拉深成形工藝性能提供理論參考。

2 實驗材料與方法

實驗材料選用由寶雞鈦業股份有限公司提供的TC4鈦合金板材，厚度為2.5mm。其化學成分見表1。

表1 TC4鈦合金化學成分（%，質量分數）

實驗所用熱拉深成形裝置如圖1所示,包括熱成形壓力機、模具和氣體冷卻器，其中模具包括模板、固定板、進氣管、出氣管、凸模和凹模；模板裝配在熱成形壓力機上側熱壓板上，凹模裝配在熱成形壓力機下側熱壓板上，凸模通過固定板與模板密閉固定，凸模內部設有空腔，模板內部設有進氣管和出氣管，進氣管的一端伸入凸模的空腔內，并靠近凸模底部，進氣管的另一端與氣體冷卻器出氣口連通，出氣管的一端伸入凸模的空腔內，出氣管的另一端與氣體冷卻器進氣口連通。

1—壓力機 2—模板 3—固定板 4—進氣管 5—出氣管 6—凸模 7—凹模 8—氣體冷卻器

使用線切割機從鈦合金板上切下半徑=205mm的圓形坯料進行變溫熱拉深。實驗所用熱拉深模具如圖2所示，將模具安裝在熱成形壓力機上，將熱成形壓力機加熱至熱成形溫度700℃，放入鈦合金板料，保溫50min，然后通過進氣管向凸模通入冷卻氣體氦氣，當凸模溫度降至底部預成形溫度300℃時，控制熱成形壓力機下行速度為15mm/s，進行拉深成形，凸模和凹模閉合后，停止通入冷卻氣體，保壓20min，凸模升溫至熱成形溫度700℃；開模，取出成形零件，冷卻至室溫，檢驗驗收零件。

圖2 熱成形模具結構示意圖

3 結果與討論

3.1 傳統等溫熱拉深有限元數值模擬

借助ABAQUS/CAE數值模擬軟件模擬分析傳統的熱拉深方法制造TC4鈦合金板材的熱拉深成形過程。

拉深成形過程的幾何模型建立如圖3所示。拉深幾何模型主要包括凸模、凹模、壓邊圈和坯料。為了提高計算效率，設定凸模、凹模、壓邊圈為剛體，坯料則為可變形殼體。此模擬是基于實際生產加工的環境為恒溫環境，故在數值模擬分析中不考慮溫度場的變化情況。

圖3 拉深幾何模型

坯料拉深成形是帶有接觸邊界的材料和幾何非線形問題。動態顯式算法在處理接觸問題時較靜態隱式算法容易的多，它能明顯地計算出接觸力和摩擦力，避免長時間的迭代運算，特別是在三維復雜接觸成形問題時，優勢明顯，可以大大縮短計算時間。對TC4鈦合金板材傳統等溫熱拉深成形的數值模擬采用了動態顯式的計算方法。

圖4為傳統等溫熱拉深過程中壁厚尺寸分布云圖，從云圖可以看出，隨著凸模的下行，底部中心附近處網格畸變較大，經歷拉深變形后壁厚減薄最大，此處是鈦合金件最容易拉裂的部位，具體厚度尺寸數據如表2所示。

圖4 拉深過程中壁厚尺寸分布情況云圖

表2 傳統熱拉深鈦合金零件厚度數據

3.2 變溫熱拉深件壁厚分布

對于薄板零件來說，壁厚尺寸的分布可以影響零件的強度，坯料在拉深成形過程中，坯料的壁厚尺寸一直在發生著變化，圖5是由變溫熱拉深成形裝置及采用冷凸模、熱凹模工藝制造的鈦合金零件。

圖5 熱拉深鈦合金零件圖

利用厚度儀在等距的位置測量變溫熱拉深制備的鈦合金零件的測量數據如表3所示。底部中心附近厚度平均為2.13mm，中位數為2.15mm，邊緣厚度平均在2.21mm，中位數為2.2mm，兩部分厚度相差不大，由于在拉深成形時，通過冷卻氦氣對凸模降溫，減少了板材與上凸模接觸部分的變形度，增加了板材底部圓弧處的厚度，緩解了由于厚度分布不均勻帶來的開裂現象，實現成形件的均勻變形，底部減薄現象得以改善，有效地控制了底部中心附近的厚度，使變形更均勻。

表3 變溫熱拉深鈦合金零件厚度測量數據

4 結束語

a. 開發了一種控制構件壁厚均勻性變溫熱拉深成形裝置及其成形方法，上凸模的氣道將循環氦氣通入凸模中空結構腔里降低上模具溫度，減少板材與上凸模接觸部分的變形度，增加板材底部圓弧處的厚度，實現成形件的均勻變形。

b. 采用冷凸模、熱凹模的工藝制備的鈦合金零件進行變溫拉深時，在底部中心附近厚度平均為2.13mm，中位數為2.15mm，邊緣厚度平均在2.21mm，中位數為2.2mm，兩部分厚度相差不大，底部減薄現象得以改善。

c. 板材零件的厚度偏差為±0.20mm，有效控制板材底部減薄現象，成形均勻，避免產品開裂的現象。

1 Kotkunde N, Deole A D, Gupta A K, et al．Failure and formability studies in warm deep drawing of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials & Design, 2014, 60: 540～547

2 馮穎芳. 世界鈦及鈦合金的應用研究進展[J]. 世界有色金屬，2012(4)：54～57

3 趙永慶，葛鵬，辛社偉. 近五年鈦合金材料研發進展[J]. 中國材料進展，2020，39(Z1)：527～534，557～558

4 Pearce R. Formability of Metallic Materials-2000 A D[M]. Chicago: American Society for Testing and Materials, 1982

5 Kotkunde N, Deole A D, Gupta A K, et al. Failure and formability studies in warm deep drawing of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials & Design, 2014, 60: 540～547

6 Nawaya T, Von Hehl A, Wagner S, et al. Hot deep drawing processing of titanium sheet metal parts for high temperature applications[J]. Advanced Engineering Materials, 2019, 21(4)：1～6

7 孫建中，劉勝，郭博聞，等. 非對稱橢球型面零件的成型工藝方法及研究[J]. 航天制造技術，2016(2)：24～26

8 白金鑫，李旭東，朱達. 有限元模擬技術在航天鈑金成形中的應用[J].航天制造技術，2011(3)：59～62

9 張凌云，李振軍. 導彈包裝箱拉深成形工藝方案及模具設計[J]. 航天制造技術，2003(3)：13～15

10 石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解[M]. 北京：機械工業出版社，2006

11 趙振鐸，劉清津. 筒形件多次拉深壁厚尺寸變化規律研究[J]. 鍛壓技術，1997(3)：22～26

Control of Wall Thickness Uniformity in Variable Temperature Hot Drawing of Titanium Alloy Conical Components

Wang AnyangLu ZhenJiang ShaosongWang Chenxi

(1.Shenyang Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Shenyang 110000; 2. Harbin Institute of Technology,Harbin 150001)

In order to solve the problem of poor uniformity of wall thickness in the process of isothermal drawing of titanium alloy, a new technology of variable temperature hot drawing is developed in this paper. Combining with the finite element analysis of isothermal hot drawing and the process test of variable temperature hot drawing, the advantages of variable temperature deep drawing are analyzed. The forming experiment is carried out in the hot forming machine. The die and sheet metal are heated to the forming temperature (700～800℃) in the hot forming machine. The temperature of the punch (lower than the sheet metal temperature) is controlled by injecting cooling medium into the punch. The bottom of the cold punch contacts with the sheet metal center in the process of hot drawing. The sheet metal will not deform after the temperature drops below the yield temperature and does not contact the punch As a result, the problem of excessive thinning at the bottom of the conical component during hot drawing is solved. The process test shows that the thickness deviation between the bottom and the edge of TC4 titanium alloy conical parts formed by variable temperature hot drawing is less than 10%, and the thinning phenomenon at the bottom is improved. The thickness near the bottom center is effectively controlled, which makes the deformation more uniform and improves the performance of the formed parts.

titanium alloy conical parts；variable temperature hot drawing；cold punch and hot die；wall thickness uniformity

國家自然科學基金（51675126）。

王安陽（1986），工程師，材料加工工程專業；研究方向：航空鈑金工藝、大型鈦合金零件的擴散連接/超塑成形和熱成形。

2020-12-19