鍛壓技術：Ti55鈦合金管電輔助加熱氣壓脹形圓角填充成形規(guī)律及多場耦合數值模擬
2022-02-16【作 者】 張宇翔;湯澤軍;許愛軍;狄旭東;惠鵬程;王子涵
【引 言】鈦合金具有高屈服比、優(yōu)異的力學性能、以及良好的高溫性能等優(yōu)點，Ti55鈦合金是我國研制出的高溫鈦合金，相較于TA2純鈦、TC4鈦合金等具有更好的熱穩(wěn)定性和高達550℃的高疲勞強度，是一種典型的近α型高溫鈦合金，被廣泛應用于航空、航天工業(yè)中，在Ti55飲合金的應用工件中，管類工件較少，這是因為一些薄壁封閉截面構件的尺寸大、結構復雜、精度要求高，在關鍵小圓角處若是僅由氣壓脹形獲得圓角，考慮到相同條件下圓角處的成形壓力與圓角半徑為反比關系，這就需要更大的成形壓力，以及更高噸位的設備，增加了制造難度及制造成本。
另外，Ti55鈦合金成形能力差、回彈嚴重，成形十分困難，導致常溫下制成的工件難以達標。就目前而言，采用熱成形工藝是解決高溫鈦合金成形難題的重要途經，而若要對大尺寸的管材使用熱成形工藝，需要極為龐大、復雜且高性能的成形設備，增加制造成本。同時，在目前的圓角填充實驗研究中，學者們發(fā)現，即使在高溫下圓管仍然會在過渡區(qū)發(fā)生破裂。這是因為：圓管各部分的溫度、屈服強度相同，過渡區(qū)發(fā)生應力集中導致破裂。而在電鋪助加熱成形工藝中，圓管與模具之間存在絕緣處理，只有管件通電升溫，在成形過程中，因圓管與模具接觸發(fā)生熱傳遞，使圓管直邊部分及過波區(qū)的溫度低于圓角處的溫度，從而使得圓角處的金屬更易成形，破裂點也將會由過渡區(qū)轉移至圓角處。因此，可以考慮用電輔助加熱方法對Ti55鈦合金管進行氣壓脹形。
然面，到目前為止，對高溫鈦合金管電輔助加熱氣脹成形的研究中，加熱方式多為感應加熱，雖然改善了管件的成形質量，但是并沒有提高圓角處的應變程度。本文提出新的電輔助加熱氣壓脹形方法，利用成形過程中直邊部分的貼模降溫，獲得合適的圓管溫度梯度，提高形變的均勻性。針對高溫鈦合金管成形過程中關鍵部位的受力狀態(tài)，進行理論計算，建立電—熱—力多場耦合的有限元仿真模型，對不同工藝參數下的成形結果進行規(guī)律分析，為高溫鈦合金管氣脹成形實驗提供了參考依據。
【結 論】
（1）針對Ti55鈦合金管電輔助圓角填充過程，采用間接順序耦合法，建立了電一熱-力多物理場耦合有限元模型。相較于其他建模方法，該方法建立的模型能夠很好地合電、熱、力這3個物理場，可以直觀地反映出在成工藝中，電流密度、氣脹壓力等參數對圓管溫度分布及成形質量的影響。
（2）車件模截面不同位置的屈服狀態(tài)分析表明，圓角區(qū)變形所需壓力低于過渡區(qū)所需壓力，可能有助于圓角填充和避免過渡區(qū)破裂。
（3）對管件圓角填充的多場耦合數值模擬表明，當氣脹壓力為30MPa，電流密度為14A●mm-2時，管件過渡區(qū)的壁厚最薄，減薄率最大，當氣脹壓力為20MPa、電流密度為15A●mm-2時，因整體溫度上升，管件直壁部分溫度低于圓角處溫度，導致過渡區(qū)屈服強度大于圓角的屈服強度，因此，圓角區(qū)壁厚最薄、誠薄率最大，在成形類似構件時、可考慮選擇較高的通電參數及較小的氣脹氣壓、從提壁厚均勻性。
以下是正文：
