TC4钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件成形工艺_高大明.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:高大明,王会东,王 珏,等.TC4 钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件成形工艺 J.塑性工程学报,2023,30(2):48-54.GAO Daming,WANG Huidong,WANG Jue,et al.Forming technology of TC4 titanium alloy complex skin parts with large deep cavity and reverse variable curvature J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):48-54.基金项目:民用飞机专项科研项目(MJ-2018-G-45)第一作者:高大明,男,1985 年生,本科,工程师,主要从事航空钣金零件制造成形工艺研究,E-mail:gaodm 通信作者:王会东,男,1988 年生,本科,工程师,主要从事航空钣金零件制造成形工艺研究,E-mail:260095181 收稿日期:2022-04-18;修订日期:2022-10-10TC4 钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件成形工艺高大明,王会东,王 珏,付和国,谢洪志,吴 晗,李 明,张晓巍(沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁 沈阳 110850)摘 要:以 TC4 钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件为研究对象,设计了两种成形工艺方案,分别为超塑成形工艺方案、热成形+超塑成形工艺方案,采用 PAM-STAMP 软件进行了工艺仿真分析,得到了零件成形过程中厚度的变化,预测了零件的成形质量,确定了采用热成形+超塑成形工艺方案,并设计了相应的成形模具进行试验验证。结果表明,采用热成形+超塑成形组合工艺可成功制备出合格的 TC4 钛合金大深腔反向变曲率复杂零件,成形后零件最薄处厚度约为 1.24 mm,减薄率约为 22.5%,满足设计强度要求,同时成形结果与仿真结果一致。关键词:超塑成形;钛合金;有限元分析;模具优化中图分类号:V262.2 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0048-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.006Forming technology of TC4 titanium alloy complex skin parts with large deep cavity and reverse variable curvatureGAO Da-ming,WANG Hui-dong,WANG Jue,FU He-guo,XIE Hong-zhi,WU Han,LI Ming,ZHANG Xiao-wei(Shenyang Aircraft Industry Group Co.,Ltd.,Shenyang 110850,China)Abstract:Taking the TC4 titanium alloy complex skin parts with large deep cavity and reverse variable curvature as the research object,two forming process schemes were designed,which were superplastic forming process scheme and hot forming+superplastic forming process scheme,respectively.The simulation analysis of process was carried out by PAM-STAMP software.The thickness change of parts during forming process was obtained,the forming quality of parts was predicted,and hot forming+superplastic forming process scheme was con-firmed to be used,and the corresponding forming dies were designed for test verification.The results show that adopting the combined process of hot forming+superplastic forming can successfully prepare the TC4 titanium alloy complex skin parts with large deep cavity and reverse variable curvature.The thickness at the thinnest location of the part is about 1.24 mm after forming,and the thinning rate is about 22.5%,which meets the design strength requirements.Meanwhile,the forming results are consistent with the simulation results.Key words:superplastic forming;titanium alloy;finite element analysis;die optimization 引言钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、动态承载能力优异以及有一定的形状记忆性能等优点,被广泛应用于航空航天等领域1-2。为满足轻量化设计要求,飞机蒙皮、壁板和发动机叶片等关键部位钛合金的使用比例不断增加3-4。钛合金在低温下塑性低、变形回弹大、易失稳起皱以及变形抗力大,而在高温下,其结构转变为体心立方,塑性得到极大提高。因此,钛合金一般在高温下成形,主要成形技术为热成形和超塑成形5-7。杜红娥等8利用 PAMSTAMP 模拟 TC4 管件接头热成形,得到了最佳热成形温度。PENG X N等9通过热压缩实验建立了考虑应变、应变速率和温升补偿的本构方程,准确预测了 TC4 钛合金流变应力。王大刚等10通过 ABAQUS 获取了 TC4 钛合金边梁零件成形工艺参数,成功制备出表面质量好、不起皱的零件。顾俊海等11设计了 TC4 钛合金对接板成形模具,发现模具的材料和结构影响了零件最终成形质量。祝世强等12采用热成形与热校形相结合的方式,能够准确控制钛合金曲母线回转体构件成形精度。王瑶等13设计了 TC4 钛合金异形零件的热成形模具,得到了理想成形零件的工艺参数。黄钢华等14通过 Marc 模拟,获得了到钛合金 TC4 板超塑成形/扩散连接的最佳工艺参数。王国峰等15确定了中空叶片超塑成形最优工艺参数,并发现扩散连接保温时间越长,效果越好。朱丽等16对 TC4钛合金 4 层板超塑成形进行数值模拟,成功预测了材料在成形过程中的流动规律。张国霞等17对比了不同工艺生产的 TC4 薄板,发现包覆叠轧板材更适合超塑成形。杨俊宙等18基于 ABAQUS 开发了模拟TC4 超塑成形的方法,并从多个方面验证了其准确性。可见,热成形和超塑成形技术已在钛合金零件的成形中得到充分应用。然而关于钛合金复杂零件成形的研究鲜有报道。本文以钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件为研究对象,建立了零件和成形模具仿真模型,采用有限元仿真技术对其成形工艺进行分析,预测成形质量,通过对成形缺陷的分析,提出了缺陷控制措施,并对成形工艺及模具进行优化设计,为该零件的工艺优化和产品质量提升提供理论指导。1 钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件结构特点及工艺难点1.1 零件结构特征为满足飞行器气动外形、高隐身及轻量化等要求,该 TC4 蒙皮零件几何形状复杂,零件两端为大深腔结构,腔体深度、零件上部弯曲半径和开口均较大,最 大 深 腔 部 位 投 影 面 积 约 为 315 mm 434 mm,在此范围内最深处达 153 mm,零件中间反向向上呈平面凸台,凸台两侧设计细长凹槽,整体曲率变化大且复杂,零件具体结构见图 1。该蒙皮零件拟采用整体化成形方案,原材料厚度为1.5 mm,且 成 形 后 零 件 最 薄 处 厚 度 需 不 小 于1.2 mm,以满足强度要求。1.2 零件工艺难点该零件成形过程中的主要难点有两方面:若采用常规热冲压成形技术进行制造,由于零件结构过图 1 零件三维模型(a)主视图(b)等轴视图Fig.1 3D model of part(a)Front view(b)Isometric view于复杂,曲率变化急剧的外凸和内凹结构共存,成形后零件极易出现破裂和起皱等缺陷;两端内凹深腔体积较大、深度较深,若采用超塑成形工艺进行零件制造,在成形过程中,此处材料将发生大变形量的气胀成形,壁厚变化极不均匀,容易出现过度减薄,成形后零件厚度将无法满足设计强度要求。2 钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件成形仿真 采用 PAM-STAMP 2G 有限元模拟软件对钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件进行成形工艺过程的仿真计算,以预测零件成形质量及可能出现的成形缺陷,并迭代进行工艺和模具设计的优化。2.1 工艺方案设计针对该蒙皮零件共设计两种成形工艺方案。方案1 是采用超塑成形直接进行零件的气胀成形。方案 2是采用热成形+超塑成形的工艺进行零件成形,即首先采用热成形工艺将毛料预先成形出一定型面,再将预先成形的毛料放入超塑成形模具中进行最终成形。2.2 成形仿真设置在有限元分析过程中,将实际制造过程中由于设备等因素造成的小范围温度变化近似为 0,即设定工艺环境为等温环境,其中,热成形温度设定为 700,超塑成形温度设定为 890。2.2.1 有限元模型建立由于超塑成形属于单模成形,因此只需建立板料模型和带有型面的模具模型。方案 1 中有限元模型主要包含超塑成形下模和板料。方案 2 中有限元模型主要包含热成形上模、热成形下模、超塑成形下模和板料。为保证模具与板料之间定位准确、模型完整规范,本研究采用 CATIA V5R18软件进行相关模型的建立,模型建立后以 IGES 格式导入 PAM-STAMP 软件。其中,模具设为刚体,板料设为可变形壳体,模具网格类型为四面体网94 第 2 期高大明 等:TC4 钛合金大深腔反向变曲率复杂蒙皮零件成形工艺格,板料采用壳单元,对模具和板料模型进行网格划分,最大网格尺寸为 30,网格细化级数为 3级,质量放大系数为 5。2.2.2 材料模型材料模型直接采用热成形温度和超塑成形温度下钛合金的高温单向拉伸试验数据,将其导入PAM-STAMP 软件中,模拟计算使用板料的中性层。方案 2 中在热成形有限元分析结束后,将得到的板料保留网格单元变化同时赋予超塑成形材料属性,进行迭代超塑成形模拟仿真。2.2.3 边界条件及接触定义方案 1 中对超塑成形下模施加固定约束,方案2 中对热成形下模施加固定约束,上模施加位移约束,超塑成形下模施加固定约束。设定板材为接触变形体,模具为刚体,板料和模具间为干摩擦,符合库伦摩擦定义,摩擦因数设为 0.15,材料和模具之间不能穿透。2.2.4 工程文件建立分析时,求解器类型选择 PAM-AutoStamp,工艺类型选择标准成形。2.2.5 仿真模型两种方案的仿真模型分别如图 2 和图 3 所示。图 2 工艺方案 1 仿真模型Fig.2 Simulation model of process scheme 1图 3 工艺方案 2 仿真模型Fig.3 Simulation model of process scheme 2 两种方案的工艺流程如图 4 所示。图 4 PAM STAM