（材料加工工程专业论文）钛合金环壳零件冲压成形过程的有限元模拟研究.pdf

些j ! ：些兰塑上：i 三j 立丝苎 钛合金环壳零件冲压成形过程的有限元模拟研究 摘要 钛合金因其具有独特的性能而在航空航天领域得到了广泛应用。钛合金环 壳零件作为航天器上的燃料储存用重要部件，因其使用环境特殊而对成形精度 要求很高，并且由于钛合金变形难、材料昂贵，所以在零件成形过程中遇到了 很多亟待解决的技术问题如毛坯内缘容易产生拉裂、成形后零件内外缘蛏边余 量太多造成材料浪费等。为此本文采用计算机数值模拟并结合理论分析的方 法对钛合金环壳零件成形过程进行了深入研究，主要研究内容和结果如下： ( 1 ) 研究了钛合会环壳零件成形过程，建立了符合实际的成形过程弹塑性 有限元力学模型，并对模拟中关键技术问题进行了处理。模拟中采用四节点四 边形轴对称实体单元实现了计算模型的离散化：采用2 1 3 面面接触单元处理了 成形过程中的刚体柔体接触问题。 ( 2 ) 采用有限元数值模拟对环壳零件成形过程中不同压下量下毛坯各节点 的应力应变分柿及变化规律进行了分析，获得了环壳零件冲压过程的成形规律。 结果表明成形过程中应力应变最大值都出现在毛坯的内缘处，该处最容易发生 破裂失效。 ( 3 ) 研究了不同板料厚度下环壳零件成形过程的应力应变分布，得出了板 料厚度对成形性的影响规律，以此为依据确定了符合成形要求的板料初始厚度。 ( 4 ) 基于正交试验设计选取不同毛坯内外径尺寸，对环壳零件的成形过程 进行了数值模拟，获得了变形网格图和应力应变值，研究了毛坯内外径尺寸对 应力应变分布的影响规律。在此基础上，以成形后内外缘竖边余量为指标，确 定了环壳零件成形的最佳毛坯内外径尺寸。 关键词：钛合金：环壳：数值模拟；成形规律；毛坯几何尺寸：竖边余量 a b s t r a c t f e ms i m u l a t i o no i ls t a m p i n g f o r m i n g p r o c e s s o ft i t a n i u m a l l o yr i n g s h e l l a b s t r a c t t i t a n i u ma l l o yi sw i d e l yu s e di aa e r o s p a c ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p r o p e r t i e s t i t a n i u ma l l o yr i n g s h e l lc o n t a i n e rs e r v e sf o rt h ef u e l s t o r a g e o f s p a c ev e h i c l e ，w h i c hi s u s e di ns o m es e v e r er u g g e de n v i r o n m e n ta n do fh i g h r e q u i r e m e n t o ff o r m i n gq u a l i t y b u tt h e r ee x i tal o to ff o r m i n gd i f f i c u l t i e s d u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gb e c a u s et h et i t a n i u ma l l o y i sv a l u a b l ea n dh a r dt o d e f o r m t h e s ep r o c e s sp r o b l e m sa r es t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o nw i t hc o m p u t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m b i n i n gw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ab r i e fi n t r o d u c t i o n t ot h ep r o j e c ta n di t sm a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a f t e rt h et h n r o u 曲s t u d yo ft h et i t a n i u ma l l o yr i n gs h e l lf o r m i n gp r o c e s s ，a p r a c t i c a le l a s t o - p l a s t i cf e m m o d e li se s t a b l i s h e da n dt h ek e yt e c h n o l o g i cp r o b l e m s a r ed e a l tw i t h r e a s o n a b l y t h ed e f o r m i n gb o d y i s d i s p e r s e db y f o u r - n o d e q u a d r a n g u l a ra x i a l - s y m m e t r i c a ls o l i de l e m e n t ；s u r f a c e t o - s u r f a c ec o n t a c te l e m e n ti s u s e df o rc r e a t i n gt h ec o n t a c t p a i r ( 2 ) w i t ht h ef e ms i m u l a t i o n ，t h es t r a i na n ds t r e s so fe a c hn o d eu n d e rd i f i e r e n t d e f o r m a t i o ns t a g ea r e a n a l y z e da n dt h ec o m m o nf o r m i n gl a wo ft h i sr i n gs h e l l c o n t a i n e ri so b t a i n e dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h en o d e si nt h ei n n e re d g eo ft h eb l a n k h a v et h em a x i m u ms t r a i na n ds t r e s sv a l u e s ，s ot h et e a r i n gf a i l u r ei se a s yt oo c c u r h e r e ( 3 ) t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r a i na n ds t r e s s w i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s so ft h e b l a n k sa r ea n a l y z e da n dt h ei n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s so nt h ed e f o r m a t i o na b i l i t yi s d i s c u s s e d f h e nt h e o p t i m u mt h i c k n e s s o fi n i t i a lb l a n ki so b t a i n e df o r p e r f e c t f o r m i n gp a r t ( 4 ) b a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ，b l a n k sw i t hd i f f e r e n ts i z eo f i n n e ra n do u t e re d g ea r es e l e c t e da n dt h ef o r m i n gp r o c e s s e su n d e rt h e s ec o n d i t i o n s a r es i m u l a t e db yf e m t h ed e f o r m a t i o ng r i d d i n gd i a g r a ma n dt h e i rs t r a i na n ds t r e s s v a h l c sa r e g i v e n b a s e do nw h i c ht h ei n f l u e n c el a wo ft h eb l a n k g e o m e t r i c p a r a n l e t e r so nt h es t r a i na n dt h es t r e s sb e i n ga n a l y z e d ，t h eo p t i m u md i m e n s i o no ft h e i j t i 北州k 人学硕l ：学位论文 b l a n ki so b t a i n e db y t a k i n g t h ev e r t i c a lr e m a i na sr e s e a r c hi n d e xv a l u e k e y w o r d s ：7 f i t a n i u ma l l o y ；r i n gs h e l l b l a n kg e o m e t r i cd i m e n s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f o r m i n gl a w v e r t i c a lr e m a i n l i 查塞曲土罂型堑兰玺坚 本文的主要创新与贡献 ( 1 ) 研究了钛合金环壳零件成形过程，建芷了符合实际的成形过程弹塑性 有限元力学模型，j ：对模拟一 ，关键技术问题进行了处理。模拟r f 】采用i j q 节点四 边形轴对称实体单元实现了计算模硝的离散化；采用2 d 而一面接触单元处理了 成形过程中的刚体一柔体接触问题。 ( 2 ) 采用有限元数值模拟对环壳零件成形过程中不同压下量下毛坯各节点 的应力应变分自i 及变化规律进行了分析，获得了环壳零件冲压过程的成形规律。 ( 3 ) 基于正交试验设计选取不同毛坯内外径尺寸，对环壳零件的成形过程 进行了数值模拟，研究了毛坯内外径尺寸对应力应变分布的影响规律。在此基 础上，以成形后内外缘竖边余量为指标，确定了环壳零件成形的最佳毛坯内外 径尺寸。 v 1 1 引言 第1 章绪论 曾被称为”梦幻会属”的钛，从生产使用到现在已有5 0 年的历史了，它不仅 结构性和功能性优越，而且资源丰富，可循环利用。蹋前，钛已被誉为仅次于 铁和铅的第三金属。随着钛工业的迅速发展，钛材的应用领域也越来越广泛。 5 0 、6 0 年代用于航空领域，被誉为“空中金属”；7 0 年代。泛用于化工、冶金、 轻工等领域，被誉为“陆用金属”：目前钛在海水淡化、河海电站及海水工程 没锯中被广泛应用，又被誉为“海洋金属” f 2 1 。 钛及钛合金的优异性能，已被世界各因认可并得到广泛应用。而利用钛合 金板料成形的钛板零件，作为结构件在航空航天领域应用非常j 1 泛，特别在先 进航空发动机上占有相当的比重，并且呈现出结构集成度愈来愈高、结构愈来 愈复杂的发展趋势，在减轻发动机重量、改善和提高发动机性能等方面发挥着 f 1 益重要的作用c 3 j 。因而钛板成形技术也是航空航天工业的重点研究项目。 环壳类容器，包括大型的弯头，在航天器的燃料储存装置，石油、化工领 域的储气设备、输送管道等装置中使用尤其广泛，其生产制造也一直是研究的 热点和难点( ”。 本文将对钛合金环壳零件成形过程展7 i ：深入研究，为该成形过程的应片j 和 发展提供理论依据，所得结论也可用于指导环壳零件的实际成形过程。 1 2 钛板成彤方法与工艺 1 2 1 钛板成形概述 钛板的成形性能与其内部缁织、力学性能以及成形条件有关【引。 h 十年代，在飞机结构上采删了钛板零件。 i | 于钛屈服强度高，弹性模量 低，因而圆弹极大。这样，在钛板零件生产过程t 卜便遇到了大量的成形性问趣。 比如将块厚度为1 毫米的退火7 1 c 4 ( t i 一6 a i 4 v ) 平板压入半径为1 0 0 毫米的 弧) 谚模q 1 ，取出时仍为s f 板，可见其贴模问题的严煎。就其弹性大d , i r l i 论，它 超过了弹簧钢板。热压机床问l t l ：以阿，美困北美航空公司曾组织了七卜多人的 r j 校形丁段，专门解决钛板零州：的成形精度问题。 曲北l ：业人学硕扣学位论文 困内在j 1 ：始生产钛板零件时，碰到的问题也很多。原因是对铝板零件熟悉 的钣金：t 和技术入员，对钛板成形却很i 适应。首先f 料切边工序就因剪刀) j 刃磨损太快而成为难题：校形时锤头檄易镦粗，敲修过程中锤头反弹很高，零 件，模具上锤击印痕累累但仍不能使零件贴模，所以国内外都把钛称为难成形 材料，有的则称它是热成形材料，这都是对铁板成形性能比较笼统的和偏于感 性的评价。 事实上，钛虽然有回弹特别人的缺点，但也有很显著的优点，其- i ：要成形 性能可以归纳女f 1 ： ( 1 )强度( j 。、j 。，) 较高，再加e 厚向异性指数( r 值) 也大，所以要 求成形机床的吨位较大，单位成形力大； ( 2 )届强比( c r 0 ，o 。) 大，在常温下钛的抗拉强度与屈服强度十分接近， 有的钛材屈强比可达0 9 以上，因此塑性变形范围十分窄小，成形过程中变形稍 大就有可能产生破坏，这对拉弯和拉形等要求控制应力的成形工艺很不利： ( 3 )钛及其合金的弹性模量e 小，仅为钢材的半左右，因而反映冲压回 弹量大小的比值吲c r 0 ：比钢要大得多； ( 4 )均匀延伸率占值或稳定性指数 值较低，所以发生拉伸失稳前的应变 较小，同时断面收缩率亦较低，而且波动范围很大，因此容易发生破坏而出现 废品，或只能成形变形程度较小的零件； ( 5 )钛板的弯曲能力差，只有普通材料的五分之一左右，凡有弯曲变形的 工序，工件的弯曲半径都应加大； ( 6 )受压时的稳定性较低，易失稳起皱。再加上弯曲性能不好，在起皱部 位波纹顶部常可见到弯裂( 即所谓“皱裂”) ，这也是钛板成形中的一大问题： ( 7 )硬度比钢高出约一倍，加j 二强度高，因此用于成形钛材的模具材料应 当具有较高的强度和硬度； ( 8 )钛的抗磨损能力比不锈钢还低，极易损伤零件和模具： f 9 )冷作硬化倾向大，般工序问应进行退火以消除应力1 6 j ； 对于钛和钛合金板材的成形来说，传统的冲压工艺是可以利用的。但钛合 金在常温下c r 0 ：较高，且c r 0 ：值大，e 与e 盯。均较小，因而钛板的塑性变 形范围很窄，所需成形力犬，易) 1 ：裂，回弹严重，成形困难。形状复杂和要求 高的钛板零件，需要热成形和热校形。热成形主要是为了提高钛合会的变形怙 和降低成形力，减少成形工序，减少成彤零件的回弹；热校形是解决问弹所引 起的精度不足问题 l 。 b 机l 的铝合金、黑色金属( 钢) 钣金件经常采用冷成形方法神! 常用的列 压成彤改备心l i 产。1 l 于冷成形不涉及加热问题，方法比较成熟，技术难点较 少，所以钛莉l 钛台会板材零件在可以采j 冷成形方法生产时，应尽鞋采j n 。 | i j 二，h “水j r 的瞅制，通常使用单位提的到原材料的技术要求不容易达 到，铁板性能波动范( 吲火，厚度偏差较大，波纹度较，重，o - 值常偏r 通j f l # l ； 准的 ：1 j | i ! 。这些因索都给钛板冷成形带来困难与局限性。般来说。冷成形只 月r 成形形状简单和变形刁i 复杂的零件，如支柱、角片以及曲度平缓的蒙皮、 型材等。 就常用的钛和钛合金而吉，不同牌号的钛合金冷成形性能各异。t a 2 、i a 3 以及t c l 塑性较好，而t c 3 、t c 4 、t a 7 则难于冷成形。冷成形后往往弹性回 跳量大，并引起材料冷作硬化。为消除残余应力，改善材料性能，必须进行退 火处理1 8 1 。 鉴于冷成形具有工艺简单，可在常规的铝合金冲压成形设备上进行，同时 又考虑到该法的局限性，因此常利用冷成形制作钛板预成形件，而后再用热校 形的方法消除不符合设计图纸要求的缺陷，如冷成形后常出现的角度、弯曲半 径、型面尺寸署t a c , b 型等的误差，凸弯边上出现的不易清除的波纹零件起皱与 扭曲，腹板鼓动或翘曲等。 加热成形是目前钛和钛合盒零件成形的主要方法。国外大约有9 0 的钛板 零件采用这种方法加工生产。 热成形主要是充分利用钛合金材料在加热状态下的软化与蠕变性能，使塑 性提高，以降低成形力和改善成形性。避免开裂，也可减少一些回弹。在一定 的高温状态下( 5 0 0 c 以上) ，钛板的塑性可得到明显的改善，延仲率增加，成 形性显著提高。热校形则主要是利用在加热状态下应力松弛的原理，以消除回 弹，解决因回弹引起的零件精度不足的问题。 零件的热校形有两种：热成形和校形两个工序一次完成；预成形后再热校 形。后者是将项成形件放在已加热的模具上预热到规定温度，在压力作用f 保 持一定的时间，进行第二次成形或热压校形，然后取出零件。 热校形通常用来减小【b 其它成形工序制成的预成形件的尺寸误差或畸变， 改善零件质量。通过热校形可在很大程度上减小零件的角度与型而尺、j 的偏差、 外形偏差、弯曲半径偏差、凸弯边上的波纹、所形成的皱折( 死皱除外) 与_ 1 【 阳，以及腹板的翘| l 或敛动等，获得符合最终型面要求的质量合格的零件。 钛板热处理是整个零什期i 工过程中必不可少的辅助工序，主要分：i ：序州热 处理与零件热处理谢年i | 【。一序阍热处理的i _ = j 的是消除加工硬化，恢复塑性，馒 ：r 。韭一步成形。为消除冲眶件的残余应力，最后必须对成。诮零件进行退火处理。 订州还需要剥冲压件进行j e 它方式的热处理，以满足性能需要i 。 些：蛀! ：些兰蟹! ：兰生垒苎 1 2 2 钛板成形质量缺陷与控制指标 钛板的拉深是指利f j 拉深阳模将钛板毛料j & 进i 圳模，毛料外径逐渐缩小形 成7 ：口空心零件的工艺。在t - i “：条件f ；t i l j 定拉深工岂、f ，必须采f h a 够保证扶 得合格零件的、比材料撇限拉深系数小1 0 1 5 的工f 1 冲l 仲系数k 。 一般材料拉深：t 序的主婴障碍是拉深件传力区超过承载能力而破裂，l 强缘 受到压应力导致失稳起皱【i 。但钛合金却与一般材料钌着娃著的0 二同。应当指 出，要拉深 i j 合格的钛板零件必须考虑以下五个因素： ( 1 )危险断面强度条件钛及其合金i h 于厚向异性指数尺值很大，而危 险断面处是周向无应变的双向受拉应力状态，此时危险断面的承载能力要提高 很多，极限拉仲系数k 与r 的统计关系见f 式 k = 1 8 1 6 + 0 3 0 7 r 0 0 0 2 ( 2 )塑性条件通常软钢或铝板的拉深根本不需要考虑这个条件，因为 即使在极限拉深系数下它的塑性还绰绰有余，但对钛特别是铁合金其变形能力 有限，它承受不了从毛料直径压缩到筒形件直径的变形，因此它经常是决定拉 深成败的关键。 ( 3 ) 弯【i i l 条件这也是钛的特殊之处，如果我们用通常拉深钢板所适宜 的圆角半径为5 倍板厚的模具去拉仲t c 3 钛板，显然它会因弯曲而破裂，这是 一种更危险的带拉力的弯曲，假定板料和凸模圆角接触处不发生相对位移，则 可得以下关系 ，模2 。+ f 。板料的最小弯曲半径 ，板料厚度 ( 4 ) 皱裂闷题这也是出钛板本身的特性引起的。钛板受压时l ：l 3 稳定性 只有钢或铝的半左右，极易于起皱，从而难于在拉深时渡过凹模嘲角处的悬 空部分，加j 二钛板的弯曲t t 又不好，所以极易起皱，同时在皱纹的峰谷处会发 生弯裂，即所谓皱裂。为j ，避免皱裂，需采耿专门措施。 ( 5 ) 精度问题铁特j ；i 】是强度高的钛合金回弹比之铡板要火好几倍，【蚓 此有时零件虽然拉深f l5 来了，但精度太低：在拉深盒形件时精度问题变得更为 严重。 因为加热成) 移对零件质量的影响因素较多，而i = l 钛和钛合金零件般揶安 装在飞机雨i 发动机重要的雨i 受热的部位，所以要注意控制成形质精，如零件成 形时刁；衔超过允n ：的最高温度。累计加热时问应控制存规定范嘲 上i 等等i ”i 。 第1 章绪论 x , l 于戏形后的钛合余零件来说，除按通用检查规范进行检查外，还必须对 检验作 n 专门的规定弄n 采i 】特殊的检验方法。 ( 1 )对零件表丽质量要求在成形过程t h 零件表而原则_ j 二刁j 允l = i l 现 表面缺陷；蜘1 果产生了新的划伤、擦伤或轻微的i 到坑以及操作1 _ ：具的刻伤，允 许用匀l 砂柿打麟光滑。在零件l 不得打钢印、p 1 点或用划针划线；作标志时叮 打胶印。可h j1 5 倍放大镜h 视检查零件表面是否有裂纹等缺陷，必要u b q 3 | 更 高倍数的放大镜检查。 ( 2 )对零件边缘质量要求所有的零件边缘都要去毛刺和修光，不得有 裂纹。边缘表而粗糙度刁i 得i 葡于v 4 。 ( 3 )对零件弯边的角度公差要求对于其它零件配合的成形弯边，保持 在2 0 以内：对于无配合要求的9 0 0 加强弯边，保持在5 0 以内。 ( 4 )对零件的厚度变薄量要求零件由成形引起的厚度变薄量，般不 应超过名义厚度的5 ：拉深件或带有拉深性质的复杂弯曲件和冲压件，允许局 部变薄到名义厚度f i 句7 0 。 除此之外，还可以用荧光渗透检验法检查零件表面裂纹。必要时，可用x 射线应力分析仪测定零件表面的残余应力，检查热校形后的消除应力效果；通 过金相分析观察零件组织的变化情况；用显微硬度计测定显微硬度的变化梯度， 检查钛扳零件加热氧化的情况。 1 2 3 钛合金环壳类零件成形方法 环壳类容器，包括大型的弯头，在航天器的燃料储存装置，石油、化工领 域的储气设备、输送管道等装置中使用尤其广泛，其生产制造也直是研究的 热点和难点。 目前国内成形此类环壳零件的方法主要有：( 1 ) 管材绕弯法。潘忠良【1 2 l 提 出采用内压弯管技术，将管材在弯管机上用模具成形；( 2 ) 挤压法和热推法。 邓建德、王颗华i i 卜”i 提出可以采用热推或冷推的办法成形此类零件：( 3 ) 胀形 法。哈尔滨工、f k 大学的王仲仁、苑世剑、王海 4 1 提出了用环壳液压胀形工艺制 造弯头的方法，也可用米成形这类环壳零件：( 4 ) 冲压焊接法，先删模具冲h j 半个壳体，然后再焊接成楚个环壳。( 5 ) 超塑性成形法利用t c 4 钛合金在 高温条件下优异的超魍性性能，采用超塑性成形的方法生产。中困三江航天集 汀北机械厂的王明帅、张朔、丁泉、余天雄1 1 6 i 等人采用超塑性方法成形出航 天器i ：使j f j 的锬合金环形气瓶。 奉文t 1 的铁合会环壳零件，用做航天器i ：的燃料储存装锭，因此对成形质 ! ! 些! ：些苎兰型卫：i ：笪鎏兰 鞋纳要求非常高，既要能耐高温，又要能耐高j ( 要求爆破j j t j 5 0 0 m p a ) ，一 般的捌料和加工方法难以胜任。 i ：迷第一和第二利叻法适j j 。1 功l 工n t l 小管径f j c ：j 坪管或弯头零件，而且加工 过程小：4 - ，可避免地存在内侧管壁起皱雨 外侧管壁减薄等问题，无法满足该零件 蹙厚要求( 3 分o2 r a m ) 。利用胀形法可以加一犬鼠径帆环壳类零件，但是这种方 法的缺陷在于加工成形后的零件焊缝太多，而且焊缝成环向5 ) - , 1 1 i ，无法满足零 件耐高压( 设计要求为爆破压力 _ 5 0 0 m p a ) 的需要。由- j ：超塑性方法在变形过 程小，材料得不到外部的补充，而是靠毛料表面积的局部扩展与厚度变薄来获 得所需零件形状，因此零件壁厚变薄是必然的，为了保证零件的强度，必须采 用厚板成形，而且超塑性成形的气密问题和高温保护的问题也是加工生产中比 较难解决的问题。虽然冲压焊接法要求准确的对中安装及焊接技术，但是成形 质量能满足设计要求，对成形零件的尺寸大小也无限制，因此本文采h l 了这种 加工成形方法。 1 3 钛板成形的国内外研究现状 用冲压成形技术制造钛板零件，是钛工程应用中的一个重要问题。自五 t 年代后期我国航空工业使用钛材以来，有关研究单位、高等院校与工7 一对 钛材的加热方法、机床设备、工装设计与材料、表面保护与清洗等问题，进 行了多方面的试验与研究，取得了丰富的经验与有价值的资料【1 7 叫8 1 。 对钛板冲压热成形来说，传统的冲压工艺都适用，当前的研究主要集中在 钛合金加热方法和热成形设备的研制和开发上，雨对钛合会材料高温成形性能 和超塑性性能的研究也始终是一个热点。 钛合金的热成形及加热方法有多种形式。最早开始成形钛合金零件时，采 j i ； 喷灯或焊枪之类工具加热钛板毛坯，或者将钛板毛坯放进l 乜炉内加热到合适 温度，然后迅速移至压床上冲压成形；后来人们发现可以利用铁合金的高i 乜阻 系数采用自阻加热法，但这种加热方法对所用毛坯的几何形状有- 一一定要求；现 在很多工厂进行钛合金热成形时采用了电热元件如热电偶力热的方法，控温比 较准确，但是加热时间长，也增加了模具费用。国外的公司一般采用专门的机 床加热钛合金，利用机床l 的电热平台加热，然后在机床i 二热成形和热校形【1 9 j 。 随着科学技术的发展，现z l i 也出现了一些针列特殊零件的特殊的加热方法如激 光加热、热流体加热，微波加热等等，但是应h j 不是1 分广泛。 本文所研究讯蜀：壳替器零1 q ：选蹦怕7 1 c 4 钛合金，是往1 9 5 4 l “美吗研制 成功的的筇个具有实j i j 意义的钛合金，是钛i a b q ，的乇牌合金，。i 仝部用钛 第1 章绪论 量的5 0 以上。所以从其研制成功以来，对其成形性能的研究一直没有巾断， 最集r 】1 体现在其本构方程c i ：j 建立和本构方程影l i 向因素的研究上。 林兆荣、杨合i ”1 等人一亿8 0 叫初期就对t c 4 钛扳的应力应变关系进行 了理论和实验研究，建立了t c 4 铁板多种成形温度下的对数方程形式的本构关 系：西北t , i k 火学的李付围、聂秣1 2 2 1 等人通过热态模拟试验，系统地研究了主 要锻造热力参数( 变形速度、变形温度、变形程波) 与t c 4 合金流动应力、 微观组织之问的数值关系，纠学地分析并回归出了能综合反映锻造热力参数和 微观组织演化过程对材料成形性能影响的本构方程；t s e s h a c h a r y u l u 、 sc m e d e i r o s 2 3 1 等人对商用7 f c 4 钛合金在7 5 0 1 1 0 0 0 c 高温下的热变形机理和微 观组织的预测作了研究；si s e m i a t i n 、t r b i e l e r i ”l 等人对t c 4 钛合金中相 组织对钛合金的热成形性能的影响作了研究；w o e i s h y a nl e e ，c h i f e n g l i n 口5 】 等对t c 4 合金在商应变速率下，不同温度时的塑性变形和破裂机理作了分析， 认为流动应力与应变速率和成形温度有密切关系。 钛基合金具有超塑性，其中t c 4 以其优异的超塑性能而被认为是应用前景 最好的结构钛合金，在结构合金超塑成形工艺研究和应用方面已经取得快速的 发展和良好的经济效益。从七十年代中期开始，钛合会板材超塑性的研究才开 始有报道，整个八十年代和九十年代都是钛合金超塑成形研究的高峰时期，超 塑性工艺也逐渐成熟并得到广泛的应用，美国八十年代生产的f 一1 5 a 战- t 机， 使用的t c 4 合金占到机重的2 6 9 ，且三分之二用超塑成形制造零件，目前航 空航天上所使用的钛合金构件很大部分都采用超塑性成形 2 6 1 。 对于制造航空航天结构件而占，大部分t c 4 超塑成形不是种单一的技术 行为，而是与扩散焊接技术桐结合的成果，二者发展结合形成种称之为超塑 成形扩散焊接的工艺技术，杖日s p f g d b 组合技术。扩散焊接技术的出现使得零 件的成本和重量大大降低，而零件的强度并不受影响，所以在航空航天领域应 用- 1 分广泛【2 。 1 4 计算机模拟技术在塑性加工中的应用 塑性如1 2 1 1 具有悠久的历史，足制造业的一个重要分支。随着现 f t j f t , 息技术 和计算机技术的发展，传统产业和信息技术的有机结合，必将大大推动塑t p t d j i t ： ：艺的改进和发展，增加常规塑性加工技术的高技术含量。利蹦有限元数值 模拟技术进行d i c e 过程仿真和采册c a p p 技术逃行加工工艺设计与优化，l l 以 极大的提高生产效率，保障生产质蹬，具有重要的意义0 2 9 1 。 ! ! e ! ：! ! 厶兰堡! ：兰丝鲨苎 1 4 1 计算机模拟技术 计算机技术及有限，t 计算方法经过过去二：_ j j 多年的发展，红计算速度和精 度上都有了极大的进步。这种进步使得计算机模拟仿真从几何变换迈向了力学 图t - l 冲压生产流群 动态分析的新纪元。众所周知，冲压是一个卜分复杂的力学过程。传统的冲压 生产是经验和试探的摸索，尤其是试模阶段，大量的资源和时问支出使得冲压 生产的质量和成水难以得到理恕的控制。计算机有限元数值分析对板料成形过 程的仿真应用可以使技术人员非常直观地在计算机屏幕上观察到材荆变形和流 动的详细过程，了解材料的应变分布、料厚变化、破裂及皱曲的形成经过，获 得成形所需要的载荷及零件成形扁的圈弹和残余应力分都，从i f i i 奉艇掘已彳彳n 勺经 验实时调煨模县参数及成形i 岂，并修改毛料形状和尺寸。l 矧此整个成形过利 第1 革鲻论 的绝大部分问题都能通过伤葵米发现和解决。这种新型的工艺流程( 图l 一1 ) 能 够人大缩短试模和修模的时问，爷约费用，有效地提商产品质量和生产效利”。 计贸。机技术和有限元方法( f e m ) 的l 司步发展，为复杂的：r 程计算问题提 供了崭新的途径。理论j ：有限7 方法能蚶任意复杂的f 1 1 d 题求解，并且只要i t ! f 敝 元嘲格不断细分，所得解的精度促能不断提高。n i i i l l ：计算机的舍入误差和计 算机本身的容量限肖i l ，有限元网格的细分霹度和所得解的精度总会受到限制。 然而从工程的角度讲，一一个问题的解只要达到。定精度就够用了，解的精度的 进一步提高，意义并不一定大。正因为如此，有限元方法在不同的计算机硬竹 条件下都能提供相适用类型问题的有工程意义的解i j ”。 1 4 1 1 板料成形有限元数值模拟技术的研究与进展 自7 0 年代以来，板料成形过程数值模拟经过短短2 0 多年的发展，已经取 得了很大发展，这可以从一系列国际会议及国际刊物上发表的论文数量清楚地 看出，这些论文充分反映了板料成形数值模拟技术在成形模拟、缺陷、本构方 程、前后处理等方面的研究进展【3 引。 ( 1 )塑性有限元理论的发展 2 0 世纪7 0 年代初，有限元方法开始应用于板料成形的数值模拟，使得准确 地模拟实际的板料成形过程成为可能。有限元方法通用性强，可以预测复杂板 料成形过程中的应力、应变分柿以及成形过程所需要的载荷：可以模拟成形过 程中发生的起皱与破裂以及成形后的回弹等；可以比较准确地分析各种工艺参 数对成形过程的影响。用于板料成形过程数值模拟的塑性有限元法可以分为弹 塑性有限元法、弹( 粘) 塑性有限元法、刚塑性有限元法和刚( 粘) 塑性有限 元法。柚朔性有限元法主要用于热加工，因为在热加工过程中，应变硬化效应 不显著，板料变形时变形速度有较大敏感性。而刚塑性有限元法可以被用于板 料胀形、深冲等成形过程。i f l 于刚塑性有限元法不汁弹性，使得刚趔性有限元 法既巧：能计算弹性变形区f l ( 】应力、应变分粕，对回弹、残余应力等卸载问题也 无能为力，因而它在板料成形t ，的应用是有限的。f = _ j 前在板料成形数值模拟一1 1 应用最广的足弹塑性有限，i 法。在扳料成形等同体力学问题中一般采门j l a g r a n g e 描述，用弹塑性有限元法分析极料成形问题，不仪能计算：l 件的变形、 应力、应变分籼，而l _ = l 还能计算。i ：件的网弹、残余应力、残余成变等， l 吲翁 时间较长。复杂形状的板料成形过程小板料与模具不断接触，棚对滑动，粘希 和脱离，为了真实反映这种变化过程，必须使计算增援步减小到一定程度，这 样就涉及到运动方程对时- l 厢i 空的积分问题。根据时问积分方法的不阳，j ，j _ 将板料成形有限元方法分为静态隐式、静态显式和动态显式算法。一般认为， 对于+ 维问题，静态隐式算法更为有效一些，而埘三维问题，动态显式算法m 为有效。t a n g | 3 3 1 认为静态隐式算法是扳料成形数值模拟最好的算法。 近年来，艰于形变理论 l l 能量方法的板料成形模拟技术不容忽视。法例的 b a t o z 取lg u o l 3 4 i 等人开发了娃予形变理论的板料成形一步模拟方法( o n es t e p s i m u l a t i o n ) 或反向方法( i n v e r s ea p p r o a c h ) ：从产品的) 够状h 发，将其作为成形 后工件的c p 而，对其离散，通过有限元方法确定在满足一定的边界条件下工件 q 1 某个节点在初始平板毛坯中的位置，通过计算毛坯节点到工件上的位移卅得 到工件的应力、应变的分衙l 。c h u n 9 1 3 5 l 等人在希尔的最小塑性功路径理论的基 础上，提出了理想成形( i d e a lf o r m i n g ) 的理论，并用于板料成形的分析，可以 得到按最小塑性功路径变形的_ t 件的应力应变。 ( 2 )扳料成形数值模拟技术的发展 单元技术的发展 板料成形数值模拟单元技术经历了薄膜单元、k i r c h h o f f 壳单元、m i n d l i n 壳单元、实体单元、退化壳单元、相对自由度壳单元这一发展过程。板料成形 模拟最早使用的是薄膜单元，但薄膜单元无法考虑板料成形过程中的弯曲效应， 无法实现回弹、起皱等现象的模拟，因而出现了三维实体单元。在采用三维实 体单元时出于板厚很小，为避免凡l i 度矩阵奇异，一般须对板料进行很细的网 格划分，这样使方程规模很大，需要很多的计算时问，故现在很少使用这种单 元。目前使用最多的是薄壳单元，它可以同时考虑薄膜效应和弯曲效应，而且 计算速度和结果精度均好于三维实体单元。 材料本构关系的发展 希尔的各向异性材料本构关系能够很好地反映板料的特点，是目前厂。泛使 用的板料本构关系。c h o u h6 l 提出了增量形式的应力合成本构关系。胡平提出了 可反映塑性变形导致材料模撬软化并能由正交性法则向非正交性法则光滑过渡 的弹塑性有限变形流动理论。b a r l a t ”1 提出的新的本构关系显示出与丛- 1 二结点品 学的屈服面的一致性，后来他又提出证交各向异性材料的应变率辨，并应川到 求最小塑性功的路径q _ l ，。 接触算法发展 在扳料成形过程t h 板剌与模具之问不断接触与分离，产生， 1 i 0 岢和约 束板料最终成j ( ；。i i l i f 常的接触算法是 a g r a n g e 乘予法、j l 函数洲i 等。r 圣 笫l 章结论 平 3 8 q 9 提出了一种用于接触点判断及表丽穿透量计算的简单搜索算法( i o a ) ， 这种算法在笫一次未找到真1 i j = j 交工具表谢单元的情况下，可以以最少的步数 找到真m n 勺接触单元。北京航空航天火学1 3 0 1 根掘板料在冲压成形过程r 卜的特诬， 建立了接触搜索算法和动念边界的施：l i l ，从而解决了三维板料冲压成形过程有 限元分析中的边界条件非线性问题。 1 , 4 1 2 计算机模拟技术在工艺与模具设计中所能解决的问题 计算机仿真技术是从冲压成形过程的实际物理规律出发，借助计算机真实 地反映模具与板料的相互作用关系及板料实际变形的金过程，这就决定了冲压 成形过程的计算机仿真技术，可以用来观察板料实际变形过程。 ，发生的任一特 定现蒙，或用来计算与板料实际变形过程有关的任一特定几何量或物理量，如 预测起皱、拉裂；计算毛坯尺寸、压边力和工件回弹；优化润滑方案：估计模 具磨损等。这就为冲压模具和冲压工艺设计提供了十分有用的工具，也为缩短 新产品模具开发周期，提高模具及冲压件的品质和寿命宅l 造了条件【4 ”4 “。 ( 1 ) 起皱的预测和消除 起皱是薄板冲压成形中常见的失效形式之一。轻微的起皱将破坏冲压零件 的光顺性，影响零件的几何尺寸精度，起皱严重到一定程度将使零件报废。计 算机仿真技术能较好的预测给定条件下工件可能产生的起皱，并通过修改模具 或工艺参数予以消除。当计算机仿真结果显示有起皱现象时，就必须对原有的 工艺方案甚至模具作一定的修改，然后再进行仿真。这样一个修改、仿真的过 程重复进行直到起皱完全消失为止。应当指出，当工件只发生轻微起皱时，用 肉眼是很难观察得到的，这时只有通过计算工件的局部失稳判据才能得出起皱 是否已经开始的结论。 ( 2 )拉裂的预测和消除 拉裂是冲压工艺失效的另一种形式，它同样导致产品的报跛。拉裂严重时 肉眼便可看出，但在冲压成形中可能产生肉眼看不到的微裂纹。无论是微裂纹 还是明显拉裂都将影响产品的正常工作。避免拉裂通常是设计深冲模具和i 1 1 艺 的一大难题。采厢计算机仿真技术能够较为准确的计算材料- z d i , 压成形中的流 动情况，网而准确的得出应变分布和板料壁厚减薄的情况。这就为判断给定模 具和工艺方案产! 盘裂的可能性提供了科学可靠的依掘。上1 计算机仿真结果 表明硒部应变分稚接近材料的成形极限，模其或工艺方案就应予以修改，j ：将 修改厉的方案再次进行仿真检验。这样一个修改、仿真的检验过程不断蓖复， 直至计算机仿真结果表明拉裂的可能性已消除1 4 2 l 。 ，出 ( 3 ) 硼弹的计算 冲压成形件在卸载后的回| f t 是不可避免的物列! 现象。山于叫弹现象的存在， 模具型腔表而的形状与工件表碰的没计形状应当不同，以补偿回弹引起的：【：什 尺寸的变化。但如何精确的计算给定工件可能产生的网弹是一个复杂的n 题， 也是传统的冲压成形设汁方法无法解决的问题。汁算机仿真技术的诞生为计算 复杂冲压件的州弹提供了有效的：l i 具，其原理是简单的。当伤真计算进行到1 ”j 模到达其冲压的镦限位臀时，模具对工件的加载过程宣告结束，这订寸计算机已 得出工件加载过程的变形轮廓并存储于计算机中。加载过程完成后，计算便) r 始对卸载过程进行模拟。在卸载过程q i ，模具对工件的作用力渐渐减小，1 件 也就随之回弹，计算机同样对工件回弹中的变形进行讨+ 算，并按给定的指令定 期存储网弹中的变形状态。模具完全脱离工件后就得到了它的最后形状，并被 计算机存储下来。通过比较卸载前后工件的形状，便可得出工件在卸载中产生 的回弹总量1 4 ”。 在利用计算机仿真技术设计模具时，首先根据给定的零件的形状确定模具 的工作表面形状，利用这个初步的模具设计方案便可粗略估计工件产生的回弹， 再根据这个回弹量去修改模具的表面形状，并通过仿真检验卸载后工件的尺寸 精度是否达到要求。如果没有达到要求，便继续修改模具，直至仿真得到的结 果符合设计要求为止。 ( 4 ) 压边力的确定 压边力的确定实际上与起皱和拉裂的预测紧密相关。压边力太小，工件就 会起皱，若压边力太大，工件就有被拉裂的危险。当模具基本确定以后，可根 据经验粗选压边力大小，再用计算机对成形过程进行仿真。如发现起皱，则加 大压边力；如发现有拉裂的危险，则减小压边力，直到找到一个合适的压边力 为止。但是实际过程中可能发生这样一种情况，对一套给定的模具，没有一个 压边力值能保证既不拉裂又不起皱，这就说明模具本身存在问题应予修改。l “ 此可知，尽管压边力的确定与起皱和拉裂的预测紧密相关，但两者仍有本质的 区别，前者不涉及模具的修改而后者可能涉及。 ( 5 ) 毛坯尺寸的确定 冲肛习茂形工艺中要解决的另一个问题是零件毛坯尺寸的计算问题。【妇于薄 板冲压成形过程r 卜材料的流动情况很复杂，零件毛坯尺寸的计算很困难。采j ； j 汁算机仿真技术，能够比较准确的掌握一一个给定零件在冲压过程t 圳，的材料流动 的情况，这就为零件毛坯尺、j 的精确计算提供了有力的工具。其具体做法可筒 略归纳如f ：当。个给定零件的模具和： 艺方案调试好后，就可在计算机似i 一式的冲压成形过程进行模拟，这时由仿真得到的零件形状应符合设计要求， 第l 章绪论 但通常有4 = i 当一部分与零件形状再u 工艺补充无关的板料与零件4 = 连，这部分板 料就是下料时应当去掉的部分。根据零件的形状年”工艺补充的需要，在仿真得 到的p i 一压什的最后形状上找出条边界线，以区分应当保锹的部分和可以去掉 的部分，再将这条边界线反射到原始毛坯l ，就可得到合删的零件毛坯形状和 尺寸。当然考虑到实际生产中的各种因索，实际毛坯与理论毛坯不一定完全一一 样。但按上述方法计算出的理论毛坯却为实际毛坯的确定提供了科学的参考依 掘1 4 ”。 应当注意，理论毛坯的计算不应影响成形方案的有效性。具体的蜕，就是 当去掉多余材料时，压边力的作用面积可能会改变，这改变硝i 允许影响成形 工艺方案的可行性，如导致回弹补偿不合理，甚至导致拉裂或起皱等。 ( 6 ) 润滑方案的优化 在冲压成形中采用润滑技术是改变材料流动状况的有效方法。确定润滑方 案尽管与防止材料被拉裂有直接关系，但两者显然不是回事，因为一种不合 理的模具设计可使任何实际可能的润滑方案都无法避免零件被拉裂【