0 引言
鈦合金具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗腐蝕性等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)藥工程等領(lǐng)域。由于鈦合金彈性模量低、屈強比高、變形抗力大等特點，常溫成形困難。因此鈦合金常采用熱成形的工藝方法。與其他金屬鈑金成形相同，影響零件成形精度的主要因素是成形后的型面回彈問題。即零件從模具取出后，由于材料成形后殘余應(yīng)力的釋放而導(dǎo)致的與原來變形方向相反的回彈變形。通過預(yù)先確定出零件在某個溫度區(qū)間內(nèi)成形后的回彈量，并對成形模具合理設(shè)計，采用回彈補償?shù)姆绞娇梢钥刂屏慵尚魏蟮男兔婢取Ｄ壳埃貜椦a償主要有解析法、有限元數(shù)值模擬法及試驗法3種方法。本文針對某種典型鈦合金零件，通過解析計算與幾何修正法設(shè)計出帶有回彈補償?shù)臒岢尚文＞撸⒃趯嶋H研制過程中利用試驗結(jié)果優(yōu)化成形工藝參數(shù)的方法，實現(xiàn)了此類零件的精確成形。
1 零件特征及材料性能
某TC4鈦合金零件厚度a=1.5mm，上型面的縱切面為直徑R100的圓弧面的一部分，另外各帶有8個小圓角(約1.38及2.38)的下陷；零件下型面的縱切面為R94的圓弧的一部分（見圖1）。型面精度要求，要與理論外形的輪廓度小于0.2mm，通過樣板檢驗。TC4常溫及高溫(700℃)的力學(xué)性能參數(shù)見表1。
圖1 零件剖面尺寸
表1 TC4室溫及高溫的力學(xué)性能參數(shù)
2 模具型面設(shè)計
2.1 數(shù)值解析法確定主型面
零件熱成形過程中材料充分壓入模具，此時零件和模具的型面一致，求出回彈前零件的型面也同時確定了模具的型面。由于零件型面伴有不同方向的下陷、彎曲，且零件毛坯是在高溫下成形，成形后的毛坯由高溫降至常溫，其回彈是在變溫的環(huán)境中進行。成形過程中材料經(jīng)過晶界擴散、滑移及粘性流動等變化，初始的應(yīng)力逐漸釋放。并且成形、保壓過程中材料的彈性模量、硬化系數(shù)均有不同程度的變化。因此，對于回彈前零件的彎曲半徑的理論計算較為困難。為簡化起見，把零件近似成常溫下單方向的等曲率彎曲。其變形過程遵循C.Rosserd方程：
式中n——材料的應(yīng)變硬化系數(shù)
m——應(yīng)變速率敏感性系數(shù)，常溫下m≈0
因此式(1)可寫成：
常溫下彎曲成形的角度相對回彈SBo(△θ/θ)o的方程式為：
當(dāng)變形量較小時，式(3)仍然適用，高溫下的回彈量SBT(△θ/θ)T為：
式中ρo——中性層曲率半徑/mm
h——材料厚度/mm
ET——TC4材料在成形溫度下的彈性模量/GPa
nT——TC4材料在成形溫度下的應(yīng)變硬化系數(shù)
KT——拉伸/彎曲系數(shù)，可通過試驗由式(5)求得
ε——應(yīng)變，同種零件常溫和高溫相同
σT——成形溫度下的抗拉強度/Pa
根據(jù)以上的方程及所知的物理量，可以求出(△θ/θ)T和△θ，進而求出回彈前模具主型面A及A＇區(qū)域的半徑值：
2.2 幾何修正法確定下陷及轉(zhuǎn)角型面
一般來說，對于簡單的等曲率單方向彎曲，工件的回彈主要在曲面的法線方向，但由于實際的工件大多帶有多個型面或曲面，這些型面的回彈往往出現(xiàn)在多個方向。因此需對這些型面進行回彈前的位置確定。對于類似如圖2所示零件，取零件下陷處圓角B處的切點a、b、c、d，回彈前所對應(yīng)的節(jié)點分別為a＇、b＇、c＇、d＇，需要由已知的a、b、c、d的節(jié)點位置求出回彈前a＇、b＇、c＇、d＇的節(jié)點位置，根據(jù)模面的幾何修正法，a節(jié)點的沖壓反向向量為x1，法向向量為x1，則a節(jié)點回彈前的位置a＇應(yīng)x1與x2夾角區(qū)域內(nèi)，設(shè)為xa，因為曲面R1的回彈前曲面R1＇已經(jīng)確定，那么節(jié)點a＇一定在a＇b＇上，a＇b＇與R1＇為的同心圓，且半徑可由R1＇求出。a＇在<x1ax1＇與a＇b＇相交的封閉弧內(nèi)，因為這個區(qū)間很小，xa的散布方向波動較小，因此xa與a＇b＇的交點a＇的位置能比較準確的確定出來。
圖2 回彈前后零件型面節(jié)點的位置（局部）
同理，切點b＇、c＇、d＇的位置也可用此方法確定，又由于R的回彈前半徑R＇可由SBT求出，那么a＇、b＇、c＇、d＇所在的圓的圓心隨之確定。
因此，a＇d＇，c＇d＇以及a＇b＇可以由此推出，模具的其他轉(zhuǎn)角及下陷型面B區(qū)域的位置由此確定。采用這種方法，可以確定出零件回彈前的型面，回彈前的零件型面，即模具的上下模分模型面，如圖3所示。據(jù)此采用NX三維軟件設(shè)計模具，如圖4所示。
圖3 帶有回彈補償?shù)哪＞撸ň植浚┬兔娉叽?
圖4 帶有回彈補償?shù)臒岢尚文＞邤?shù)模（下模）
3 驗證試驗及參數(shù)優(yōu)化
為驗證帶有回彈補償?shù)臒岢尚文＞叩挠行裕鑼υ撃＞哌M行熱成形工藝試驗。熱成形過程主要有4項工藝參數(shù)，分別為預(yù)熱時間ty、成形溫度Te、成形壓力Fm、保壓時間t，分別取在工藝范圍內(nèi)的3組值。考慮到全水平試驗(34—81)不易實現(xiàn)。因此采用正交試驗法，做4因素3水平的熱成形工藝試驗L9(34)，共9組（見表2、表3）。每組成形5件，以避免偶然因素引起的試驗結(jié)果失真。
表2 因子水平表
表3 正交試驗表
由使用帶有回彈補償?shù)臒岢尚文＞叩脑囼灲Y(jié)果可知，在不同的工藝參數(shù)下，零件熱成形后的成形精度存在差異。在9組試驗中，1、4、7組成形后的零件普遍在中間拱高處與檢驗樣板有0. 2mm～0.4mm的間隙；3、6、8、9組成形后的零件普遍在邊緣處有0.15mm～0.3mm的間隙；2、5組成形后的零件型面精度好，幾乎完全貼合樣板。不同工藝參數(shù)成形后的零件旱現(xiàn)出3種不同型面精度，如圖5所示。試驗結(jié)果表明，熱成形的成形溫度對應(yīng)力的消除起主要作用；預(yù)熱溫度與成形壓力對回彈的影響較小；保壓時間，即應(yīng)力消除的時間，在較高的溫度下和較小的變化區(qū)間內(nèi)，對回彈有一定影響。
圖5 正交試驗結(jié)果對比
a)ty=60s，Tc=650℃，Fm=25t，tb=150s；b)ty=60s，Tc=750℃，
Fm=30t，tb=150s；c)ty=60s，Tc=700℃，F(xiàn)m=25t，tb=120s
4 結(jié)論
1)采用帶有回彈補償?shù)拟伜辖馃岢尚文＞叩脑O(shè)計方法，能有效提高彎曲類零件熱成形后的型面精度，實現(xiàn)彎曲類鈦合金零件的精確成形。
2)在適宜的鈦合金熱成形參數(shù)范圍內(nèi)，預(yù)熱溫度及成形壓力對零件回彈影響較小，成形溫度與保壓時間對回彈有明顯影響。其中，成形溫度對回彈的影響較大，保壓時間次之。
3)使用本文設(shè)計的回彈模具成形零件適宜的成形溫度為700℃，保壓時間為60s～90s。
4)由于采用較復(fù)雜的解析法確定回彈前模具彎曲半徑需引用材料高溫時的多個性能參數(shù)，在一定程度上限制了該種計算方法的推廣使用。
5 公司介紹
昆山廣巨精密五金有限公司成立于2013/08/09日，地址：江蘇省昆山市陸家鎮(zhèn)豐夏路10號，注冊資本：1000萬元整，總投資：4000萬元整。
公司主營：五軸三維激光切割加工，汽車金屬零部件試制加工（白車身試制/軟模件/原型樣件/DV/EV/PV工程件）精密電子電器手板打樣/小批量生產(chǎn)，超薄板精密切割加工，數(shù)控折彎加工，沖壓拉深加工，CNC加工，藍光掃描/三次元/關(guān)節(jié)臂檢測等。 有從設(shè)計開發(fā)檢討--可行性分析--軟模設(shè)計--模具制作--成型加工--三維切割--數(shù)控折彎--三次元檢測整套流程能力。
公司有一流的軟硬件及人才實力，配備進口日本三菱三維激光切割機/二維激光切割機/超精密激光切割機共計14臺，進口數(shù)控折彎機/加拿大愛克數(shù)控折彎機共計6臺，南通國盛數(shù)控CNC加工中心共計11臺，南通鍛壓設(shè)備共計8臺，雷頓三次元、藍光掃描、關(guān)節(jié)臂測量設(shè)備各一臺，以及各類輔助設(shè)備等。同時有經(jīng)驗十年以上模具/產(chǎn)品設(shè)計師，鉗工師傅，數(shù)控操作師傅，檢驗員等，公司合計70余人。是一支技術(shù)及品質(zhì)都很過硬的優(yōu)秀團隊。（聯(lián)系人：尹經(jīng)理18963677040）