TA2纯钛板辊弯成形回弹显微机理分析_韩飞.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塑性成形技术与工艺引文格式:韩 飞,辛柏朴,孟伊帆.TA2 纯钛板辊弯成形回弹显微机理分析 J.塑性工程学报,2023,30(2):26-33.HAN Fei,XIN Baipu,MENG Yifan.Microscopic mechanism analysis of roll forming springback of TA2 pure titanium sheet J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):26-33.基金项目:北京市自然科学基金-市教委联合资助项目(KZ201910009011);北京市属高校高水平教师队伍建设长城学者培养计划(CIT&TCD20190306);国家自然科学基金资助项目(51074204);北京市教委基本科研业务费项目(110052972027/024);北方工业大学毓杰团队支持计划(107051360021XN083/001)第一作者:韩 飞(通信作者),男,1977 年生,博士,教授,主要从事辊弯成形技术工艺研究,E-mail:hanfei 收稿日期:2022-04-23;修订日期:2022-12-21TA2 纯钛板辊弯成形回弹显微机理分析韩 飞,辛柏朴,孟伊帆(北方工业大学 机械与材料工程学院,北京 100144)摘 要:对 TA2 纯钛板辊弯成形回弹显微机理进行了系统研究,采用辊弯成形工艺对 TA2 纯钛板进行了单道次及多道次不同设计角度的冷变形加工。首先,研究了不同设计角度辊弯成形板材的回弹规律,其次,利用显微硬度计测试了辊弯成形样品的显微硬度变化,最后,通过电子背散射衍射实验研究了 TA2 辊弯成形板材的显微组织、织构和取向差的演变规律。结果表明,在单道次辊弯成形实验中,随着设计角度的增大,回弹逐渐减小,显微硬度逐渐增大,主要原因是孪生参与协调塑性变形,织构强度逐渐增大,变形量增大导致位错密度降低。在终设计角度为 30的辊弯成形实验中,随着道次数的增加,回弹逐渐增大,而显微硬度逐渐降低,孪生现象消失,织构强度逐渐降低,位错密度逐渐增大,这是由变形量递增,反复加载卸载后通过位错滑移产生的弹性回复逐渐增大导致的,这是由辊弯成形所特有的工艺特点决定的。关键词:辊弯成形;回弹;微观组织;织构中图分类号:TG386 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0026-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.003Microscopic mechanism analysis of roll forming springback of TA2 pure titanium sheetHAN Fei,XIN Bai-pu,MENG Yi-fan(College of Mechanical and Materials Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract:The microscopic mechanism of roll forming springback of TA2 pure titanium sheet was systematically studied,and the single-pass and multi-pass cold deformation processing with different design angles of TA2 pure titanium sheet were carried out by means of roll forming process.Firstly,the springback law of roll forming sheet with different design angles was studied.Secondly,the microhardness change of roll forming specimens was tested by microhardness equipment.Finally,the evolution law of microstructure,texture and misori-entation was studied by electron back-scattered diffraction(EBSD)experiments.The results show that in the single-pass roll forming ex-periments,with the increase of design angle,the springback gradually decreases,and the microhardness gradually increases.The main reason is that twinning participates in the coordination of plastic deformation,the texture strength gradually increases,and the increase of deformation amount leads to the decrease of dislocation density.In the roll forming experiments with final design angle of 30,with the in-crease of pass number,the springback gradually increases,while the microhardness gradually decreases,the twinning phenomenon disap-pears,the texture strength gradually decreases,and the dislocation density gradually increases,which is caused by the gradual increase of elastic recovery generated by dislocation slip after repeated loading and unloading with the gradual increase of deformation amount,and that is determined by the unique process characteristics of roll forming.Key words:roll forming;springback;microstructure;texture 引言辊弯成形(冷弯成形)是通过顺序配置的多道次特定轮廓型面的成形轧辊,把金属卷材或单张板材逐渐地进行横向弯曲,以制成特定断面的长条型材的板金属冷加工方法,属于典型的增量成形工艺,辊弯成形原理如图 1 所示。辊弯成形生产以其高效率、低成本、高经济性及生产过程连续性,被广泛应用于建筑、汽车及机械制造等领域中1-4。近年来,国内外学者对辊弯成形工艺参数展开了较多研究。赵淘等5以 TC4 钛合金为研究对象,提出了一种新的滚弯成形工艺,提高了成形精度。彭雪锋6提出了一种高强钢局部感应加热辊弯成形技术,相比于传统辊弯成形,有效降低了材料的变形抗力,提高了成形性能。ZHAO J J 等7通过有限元仿 真 法 研 究 了 200、250、300、350、400 和450 温度下 QP980 超高强钢辊弯成形的回弹角度,结果表明,350 下回弹角度最小。王玉华等8对铁镍合金进行了滚弯成形回弹规律研究,结果表明,弯曲半径越大、板料厚度越小、上下辊夹持力越小,回弹越大。LIU X L 等9对 DP980 超高强钢辊弯成形帽形件进行了研究,结合有限元仿真与实验对回弹规律进行分析,结果表明,回弹量随凸缘宽度、侧壁高度、辊缝和辊缝间距的增大而增大,随板带厚度和腹板宽度的增大而减小。BADR O M 等10-11通过有限元仿真及实验对比了 TC4 板材辊弯成形与纯弯曲的回弹行为,并建立了 TC4 板材辊弯成形的本构模型,结果表明,相对于纯弯曲,辊弯成形回弹更小,恒半径成形方法可减少辊弯成形的回弹与缺陷。BUDDHIKA A 等12采用 DP600与 DP1000 超高强钢对辊弯成形回弹进行了研究,发现增大道次间距会导致回弹增大。韩飞等13采用有限元仿真结合辊弯成形实验对 QP980 超高强钢的回弹进行了研究,结果表明,单道次辊弯成形随着设计角度增大,回弹角度先增后减,多道次辊弯成形随着道次数增加,回弹角度逐渐降低。上述研究中,主要是针对辊弯成形工艺参数对回弹的影响进行了研究,而关于辊弯成形回弹的显微机理研究却并不多见,探究辊弯成形制件微观组织与织构的变化,可以深入了解辊弯成形的显微变形机理,体现不同设计角度实验对性能和组织的影响,是优化钛板辊弯成形的重要前提。本文采用 TA2纯钛板进行辊弯成形回弹研究,分析了 TA2 纯钛板辊弯成形的回弹与硬度变化规律,并通过微观角度阐述了 TA2 纯钛板辊弯成形回弹的显微机理,为 TA2纯钛板辊弯成形实际加工提供经验与理论支撑。图 1 辊弯成形原理Fig.1 Principle of roll forming1 实验材料本文选用宝钛公司生产的 TA2 纯钛板,板长500 mm,宽 100 mm,厚 1 mm,化学成分如表 1 所示。初始板材采用 AxioscopeA1 蔡司光学显微镜进行微观组织观察,如图 2 所示,可以看出,初始板材基本为均匀的 等轴晶组织,平均晶粒尺寸约为13 m。表 1 TA2 纯钛板化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of TA2 pure titanium sheet(%,mass fraction)元素FeCONHTi含量0.310.110.180.050.015余量图 2 TA2 纯钛板初始显微组织Fig.2 Initial microstructure of TA2 pure titanium sheet2 辊弯成形实验与回弹规律研究2.1 辊弯成形实验本实验采用北方工业大学自主研制的高精度辊弯成形机组设备,如图 3 所示,上轴辊与下轴辊半72 第 2 期韩 飞 等:TA2 纯钛板辊弯成形回弹显微机理分析图 3 辊弯成形设备Fig.3 Roll forming equipment径均 为 40 mm,道 次 间 距 600 mm,成 形 速 度0.5 ms-1,最终成形截面为 V 型。为了探究辊弯成形的设计角度与道次加工数对TA2 纯钛板性能的影响,按照单道次不同设计角度与终设计角度 30不同道次数进行设计,如表 2 所示。TA2 纯钛板辊弯成形后 V 型制件如图 4 所示。表 2 辊弯成形设计角度Tab.2 Design angles of roll forming实验序号1 道次设计角度2 道次设计角度3 道次设计角度110220330410305102030图 4 TA2 纯钛板辊弯成形试样Fig.4 Roll forming specimens of TA2 pure titanium sheet2.2 回弹规律研究由于钛的弹性模量较低,仅为钢的 1/2,在辊弯成形实验中回弹更大,成形精度更低;钛板辊弯产生的成形缺陷主要为回弹,而未发现其他缺陷。对于回弹,通常认为弯曲角度越大,回弹越大。终设计角度相同,道次数越多,回弹越小14-15。然而本文实验结论与上述观点有明显不同。TA2 纯钛板辊弯成形后的产品采用光学测量