0 引言
鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)比高、變形抗力大等特點(diǎn)，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(gè)溫度區(qū)間內(nèi)成形后的回彈量，并對(duì)成形模具合理設(shè)計(jì)，采用回彈補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢钥刂屏慵尚魏蟮男兔婢?。目前，回彈補(bǔ)償主要有解析法、有限元數(shù)值模擬法及試驗(yàn)法3種方法。本文針對(duì)某種典型鈦合金零件，通過解析計(jì)算與幾何修正法設(shè)計(jì)出帶有回彈補(bǔ)償?shù)臒岢尚文＞?，并在?shí)際研制過程中利用試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化成形工藝參數(shù)的方法，實(shí)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(gè)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(yàn)。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(jì)
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(shí)零件和模具的型面一致，求出回彈前零件的型面也同時(shí)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(jìn)行。成形過程中材料經(jīng)過晶界擴(kuò)散、滑移及粘性流動(dòng)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(duì)于回彈前零件的彎曲半徑的理論計(jì)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(duì)回彈SBo(△θ/θ)o的方程式為：
當(dāng)變形量較小時(shí)，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(yàn)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(qiáng)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(jìn)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(duì)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(shí)際的工件大多帶有多個(gè)型面或曲面，這些型面的回彈往往出現(xiàn)在多個(gè)方向。因此需對(duì)這些型面進(jìn)行回彈前的位置確定。對(duì)于類似如圖2所示零件，取零件下陷處圓角B處的切點(diǎn)a、b、c、d，回彈前所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分別為a＇、b＇、c＇、d＇，需要由已知的a、b、c、d的節(jié)點(diǎn)位置求出回彈前a＇、b＇、c＇、d＇的節(jié)點(diǎn)位置，根據(jù)模面的幾何修正法，a節(jié)點(diǎn)的沖壓反向向量為x1，法向向量為x1，則a節(jié)點(diǎn)回彈前的位置a＇應(yīng)x1與x2夾角區(qū)域內(nèi)，設(shè)為xa，因?yàn)榍鍾1的回彈前曲面R1＇已經(jīng)確定，那么節(jié)點(diǎn)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?yàn)檫@個(gè)區(qū)間很小，xa的散布方向波動(dòng)較小，因此xa與a＇b＇的交點(diǎn)a＇的位置能比較準(zhǔn)確的確定出來。
圖2 回彈前后零件型面節(jié)點(diǎn)的位置（局部）
同理，切點(diǎn)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(jì)模具，如圖4所示。
圖3 帶有回彈補(bǔ)償?shù)哪＞撸ň植浚┬兔娉叽?
圖4 帶有回彈補(bǔ)償?shù)臒岢尚文＞邤?shù)模（下模）
3 驗(yàn)證試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化
為驗(yàn)證帶有回彈補(bǔ)償?shù)臒岢尚文＞叩挠行?，需?duì)該模具進(jìn)行熱成形工藝試驗(yàn)。熱成形過程主要有4項(xiàng)工藝參數(shù)，分別為預(yù)熱時(shí)間ty、成形溫度Te、成形壓力Fm、保壓時(shí)間t，分別取在工藝范圍內(nèi)的3組值?？紤]到全水平試驗(yàn)(34—81)不易實(shí)現(xiàn)。因此采用正交試驗(yàn)法，做4因素3水平的熱成形工藝試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果失真。
表2 因子水平表
表3 正交試驗(yàn)表
由使用帶有回彈補(bǔ)償?shù)臒岢尚文＞叩脑囼?yàn)結(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(yàn)中，1、4、7組成形后的零件普遍在中間拱高處與檢驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表明，熱成形的成形溫度對(duì)應(yīng)力的消除起主要作用；預(yù)熱溫度與成形壓力對(duì)回彈的影響較??；保壓時(shí)間，即應(yīng)力消除的時(shí)間，在較高的溫度下和較小的變化區(qū)間內(nèi)，對(duì)回彈有一定影響。
圖5 正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(bǔ)償?shù)拟伜辖馃岢尚文＞叩脑O(shè)計(jì)方法，能有效提高彎曲類零件熱成形后的型面精度，實(shí)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(duì)零件回彈影響較小，成形溫度與保壓時(shí)間對(duì)回彈有明顯影響。其中，成形溫度對(duì)回彈的影響較大，保壓時(shí)間次之。
3)使用本文設(shè)計(jì)的回彈模具成形零件適宜的成形溫度為700℃，保壓時(shí)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(shí)的多個(gè)性能參數(shù)，在一定程度上限制了該種計(jì)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(hào)，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(lán)光掃描/三次元/關(guān)節(jié)臂檢測等。 有從設(shè)計(jì)開發(fā)檢討--可行性分析--軟模設(shè)計(jì)--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(shí)力，配備進(jìn)口日本三菱三維激光切割機(jī)/二維激光切割機(jī)/超精密激光切割機(jī)共計(jì)14臺(tái)，進(jìn)口數(shù)控折彎機(jī)/加拿大愛克數(shù)控折彎機(jī)共計(jì)6臺(tái)，南通國盛數(shù)控CNC加工中心共計(jì)11臺(tái)，南通鍛壓設(shè)備共計(jì)8臺(tái)，雷頓三次元、藍(lán)光掃描、關(guān)節(jié)臂測量設(shè)備各一臺(tái)，以及各類輔助設(shè)備等。同時(shí)有經(jīng)驗(yàn)十年以上模具/產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，鉗工師傅，數(shù)控操作師傅，檢驗(yàn)員等，公司合計(jì)70余人。是一支技術(shù)及品質(zhì)都很過硬的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。（聯(lián)系人：尹經(jīng)理18963677040）
