TC4钛合金半球零件超塑成形的有限元模拟.pdf

96MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.6Jun.20232023年6 月第47 卷第6 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202306017TC4钛合金半球零件超塑成形的有限元模拟李运硕，周雨威，熊成悦?，孙燕，李永兵”（1.中国机械科学研究总院集团有限公司，北京10 0 0 44；2.北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，先进成形技术与装备国家重点实验室，北京10 0 0 8 3）摘要：建立TC4钛合金半球零件超塑成形有限元模型，研究了恒温条件下正向气胀和先反向后正向气胀成形对半球零件壁厚的影响；基于温度场修正的Backofen本构方程，模拟了在非均匀温度场条件下半球零件的超塑成形并分析了其壁厚分布。试制出TC4钛合金半球零件，通过实测壁厚对模拟结果进行验证。结果表明：先反向后正向气胀成形工艺有利于半球零件壁厚的均匀分布，降低了零件的壁厚最大减薄率；非均匀温度场条件下半球零件壁厚均匀程度较恒温条件下低；相比于恒温条件，非均匀温度场条件下半球零件壁厚的模拟结果与实测结果更接近，平均相对误差为4.7%，半球零件中心点处壁厚的相对误差也仅为6.1%。关键词：超塑成形；TC4钛合金；壁厚分布；数值模拟；非均匀温度场中图分类号：TG146.2十3文献标志码：A文章编号：10 0 0-3 7 3 8（2 0 2 3)0 6-0 0 96-0 7Finite Element Simulation of Superplastic Forming of TC4 Titanium AlloyHemispherical PartLI Yunshuo-,ZHOU Yuwei?,XIONG Chengyue,SUN Yan,LI Yongbing(1.China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.,Ltd.,Beijing 100044,China;2.State KeyLaboratory for Advanced Forming Technology and Equipment,Beijing National Innovation Institute of LightweightCo.,Ltd.,Beijing 100083,China)Abstract:Finite element model for superplastic forming of TC4 titanium alloy hemispherical part wasestablished,and the effect of direct bulging and bidirectional bulging forming on the wall thickness of thehemispherical part under constant temperature was studied.The superplastic forming process of the hemisphericalpart under non-uniform temperature field was simulated based on the temperature field modified Backofenconstitutive equation,and the wall thickness distribution was analyzed.The TC4 titanium alloy hemispherical partwas producted,and the wall thickness was measured to verity the simulation.The results show that thebidirectional bulging forming process was beneficial to the uniform distribution of thickness of the hemispherical partand reduced the maximum thinning rate of thickness of the part.The uniformity degree of thickness of thehemispherical part under non-uniform temperature field was lower than that under constant temperature.Comparedwith that at constant temperature,the wall thickness simulation of the hemispherical part under non-uniformtemperature field was closer to the measured results;the average relative error was 4.7%,and the relative error ofthe wall thickness at the center point of the hemispherical part was only 6.1%.Key words:superplastic forming;TC4 titanium alloy;thickness distribution;numerical simulation;non-uniform temperature field收稿日期：2 0 2 3-0 1-16；修订日期：2 0 2 3-0 5-18基金项目：中国机械总院技术发展基金资助项目（912 2 0 2 Q9）；燃烧、热结构与内流场重点实验室基金资助项目（SY41YYF202209054)作者简介：李运硕（1997 一），男，河北邢台人，硕士研究生通信作者（导师）：李永兵研究员0引言钛合金作为一种高比强度、高耐热性且耐腐蚀性能优良的轻质合金，在航空航天和兵器领域得到了广泛应用，如飞机机尾罩、发动机叶轮叶片、燃烧97MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING李运硕，等TC4钛合金半球零件超塑成形的有限元模拟2023机械工程材料室筒体、装甲车防护板等 1-3 。TC4钛合金作为一种典型的十双相钛合金，更是凭借优异的力学和工艺性能 4-5，在各种复杂航空结构件中占据极大比重。然而，由于TC4钛合金的屈强比高，发生屈服变形的应力接近于断裂应力，在钣金类零件的冷成形过程中产生裂纹的倾向较大 6-8 ，更适合在高温低应变速率下利用其超塑性成形一些高精度要求的薄壁/中空零件 9。但是，超塑成形过程相对较慢，其试验研究耗时较长，并且由于成形环境密封且高温，成形过程难以得到直观有效的控制。有限元模拟在分析超塑成形过程中的材料非线性流动和大变形行为方面具有试验研究无法比拟的优势，在超塑成形模具及工艺参数优化中发挥了重要作用。YASMEEN等 10 利用有限元模拟研究了复杂形状钛合金大型腹肋板构件的超塑成形过程，有效预测了该构件成形后的板厚和减薄情况。吴迪鹏等 11利用有限元软件模拟分析了钛合金4层板和点阵混合结构舵翼的超塑成形/扩散连接（SPF/DB)工艺过程，并通过工艺试验制备了表面无缺陷、成形质量较好的混合舵翼件，模拟得到的壁厚减薄严重处与试验结果大致相符。ALABORT等 12 研究了TC4合金的超塑成形机制，建立有限元模型分析了钛合金中空箱体结构件的气胀成形过程，显微组织退化预测结果与试验结果具有良好的一致性。熊炜等 13 根据有限元模拟结果确定并优化了钛合金自由曲面钣金件超塑成形工艺参数，通过试验成功制造了TC4钛合金自由曲面钣金件。SORGENTE等 14 建立了预测超塑成形后零件厚度分布的有限元模型，并在钛合金颅骨型构件的研究中进行了验证。MOSLEH等 15-16 通过有限元模拟对比了不同本构模型在超塑成形过程中的预测能力，并通过试验进行了验证。刘仁飞17 通过有限元模拟研究了地铁窗体零件的超塑成形工艺，根据分析结果对模具型腔尺寸进行了修正，验证了基于有限元法的模具尺寸补偿技术的可行性。王燕华等 18 针对深型腔弧形带负角度的零件，通过有限元模拟对比了钛合金超塑成形平底模具和弧形底面模具的应力分布情况，发现弧形底面模具的成形效果更为理想。众多研究表明，采用超塑成形方法制备的薄壁零件存在壁厚不均的现象19，通过有限元分析可以有效指导薄壁零件的超塑成形过程，改善其厚度分布情况。然而，这些研究中大都将有限元分析中的成形温度简化为恒温条件，以均匀的材料属性对零件成形过程进行模拟分析，忽略了零件和模具间的非平衡热传递过程，获得的仿真结果与试验结果在零件的某些部位会存在较大差异。因此，有必要考虑实际成形过程中的非均匀温度场对零件成形的影响，从而提高有限元模拟的预测精度半球零件属于深腔型薄壁零件，在超塑成形过程中的面积增量完全依靠板材未压住部分的材料减薄来实现，极易造成零件厚度分布不均匀，降低零件性能；半球零件的厚度控制在其超塑成形过程中一直备受关注。作者对某机型用TC4钛合金半球零件的超塑成形过程进行了研究，通过有限元模拟研究了恒温条件下零件的壁厚分布，对比了正向气胀成形和先反向后正向气胀成形2 种超塑成形方式对钛合金半球零件壁厚的影响；考虑实际成形过程中的非均匀温度场对半球零件超塑成形过程的影响，以非均匀温度场下的材料属性对零件成形过程进行模拟，获得了优化的压力-时间加载曲线，并基于优化的压力-时间加载曲线试制钛合金半球零件，对半球零件厚度的模拟结果进行验证。1有限元模拟方法及结果1.1有限元模型的建立根据设计的模具和成形条件，采用Marc有限元软件对钛合金半球零件的超塑成形过程进行模拟。考虑到半球零件及模具的对称性，为缩短模拟过程中的计算求解时间，选取模具与板料的1/4作为原始模型进行分析。提取模具型面建立的1/4有限元模型如图1所示，其中上、下模均简化为刚体，中间的板料设置为变形体。由于模具型面尺寸较大，而中间板材的厚度仅为6 mm，厚度尺寸与模具型面尺寸的比值小于5%，因此采用4节点薄壳单元对成形过程进行模拟。由于超塑成形在高温和低应变速率条件下进y2图1TC4钛合金半球零件有限元模型Fig.1Finite element model of TC4 titanium alloyhemispherical part98MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING李运硕，等：T C 4钛合金半球零件超塑成形的有限元模拟2023机械工程材料行，具有大变形且基本无回弹的特点，因此在有限元模拟中可使用刚塑性模型描述TC4钛合金的超塑成形特性，其应力-应变关系符合Backofen本构方程，其表达式为a=Kem(1)式中：o为应力；K为材料系数；为应变速率；m为应变速率敏感系数。作者课题组前期研究结果表明，TC4钛合金板在温度为8 7 5、应变速率为0.0 0 0 3 s-1条件下的超塑性最好 2 0，此时K为497.2 4，m为0.7 15。将上述材料属性赋予板料的全部单元，用以模拟恒温条件下的TC4钛合金半球零件正向气胀和先反向后正向气胀2 种成形过程。考虑到实际成形过程中零件及模具间存在非平衡热传递过程，因此加热炉的中心区域温度与边缘温度存在一定差异，这种温度差异会在一定程度上对材料的变形抗力产生影响。因此，需要采用非均匀温度场对TC4钛合金半球零件超塑成形过程进行模拟。由温度传感器数据可知，加热炉的中心区域温度高于边缘温度，温差在10 15。因此，将板料沿中心至边缘的材料属性设置为在温度递减温度场下的材料属性，其中，中心温度为8 90，边缘温度为8 7 5。为获得非均匀温度场下的材料属性，根据作者课题组前期试验获得的应力、应变数据，将材料本构方