CN110000246A - 一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法 - Google Patents

一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法 Download PDF

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武永
吴迪鹏
陈明和
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Abstract

本发明公开了一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，属于金属板材热校形工艺领域，该方法通过建立应力松弛方程的同时，通过应力松弛方程推导出蠕变本构方程函数，再对毛坯热成形进行仿真模拟，根据钛合金板材热成形后的变形量初步确定成形温度、初始应力条件及应力松弛时间，根据应力松弛平缓阶段的松弛应力值，在模具设计中加入少量的弹性阶段补偿量，后进行钛合金钣金零件热成形工艺，最终成形出精度高的零件；利用本发明的方法可以有效地以最大的程度减小成形过程中的回弹，降低成形后零件的内应力，以最短的时间得到更为精确的钛合金钣金零件，提高产品的生产效率，降低生产成本。

Description

一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法
技术领域
本发明属于金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理领域，涉及一种金属板材热校形工艺，尤其涉及一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法。
背景技术
随着航空工业的发展飞行器结构刚度等性能指标不断提高，对航空材料的服役要求日趋苛刻。为了尽可能提高飞机的飞行性能，必须不断提高飞行器零件材料的比强度和比刚度。钛合金拥有轻质高强的特性，是理想的先进飞行器用材之一。特别是对于先进高超音速的飞行器而言，材料除了要保证比强度和比刚度以外，还必须考虑材料耐高温，耐腐蚀等特性。为此，国内外的研究者们通过不断努力研发了一些高温钛合金材料，并且已经成功应用至航空航天工业之上。由于钛合金的常温下难以加工，因此航空工业中钛合金钣金零件多采用热成形的方法进行制造。
基于应力松弛的校形方法是在常温下通过夹具装夹将零件固定，并使零件变形达到设计要求，然后将零件及夹具一同加热至应力松弛温度，利用材料在升温条件下内部应力随时间增长而减小，将弹性变形转变为塑性变形的特性得到尺寸精度高的零件。在应力松弛的初期，板料变形刚刚完成，内部存在残余应力，而随着松弛的发生，应力水平不断下降趋于平缓直至达到松弛极限。目前，已有许多国内外学者对高温钛合金应力松弛行为进行了研究，但应用于热成形时依然存在成形效率较低，尺寸精度难以保证的问题。
现有技术中，CN103990664A中提出了一种钛合金钣金零件成形加工方法，采用钛合金材料在应力松弛和进入蠕变状态的温度下时,经过保温保压一定时间进行成形加工,成功实现对钛合金钣金零件进行高质量和高稳定性的成形加工，但是并没有研究初始应变以及初始载荷对钛合金热成形的影响。
CN103886125A中提供了一种钛合金热复合成形数值模拟方法，通过对材料进行单向拉伸以及应力松弛实验，建立本构方程用于热拉伸变形仿真模拟，通过对回弹的数值计算及分析优化松弛时间，回弹大大减小，达到精确成形，但是由于有限元模拟的精度问题，与实际成形有所差异。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题公开了一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，该方法通过建立应力松弛方程的同时，通过应力松弛方程推导出蠕变本构方程函数，以最大的程度减小成形过程中的回弹，降低成形后零件的内应力，在实际生产过程中提高产品的生产效率，降低生产成本，解决了现有技术中存在的问题。
本发明是这样实现的：
一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：对钛合金板材进行短时高温应力松弛试验，获得某钛合金在不同温度及不同初始条件下的应力松弛曲线；
步骤二：通过origin软件绘制钛合金本构曲线，拟合得到不同参数下的应力松弛方程；
步骤三：通过应力松弛方程推导出蠕变本构方程函数；通过应力松弛方程推导出蠕变本构方程函数，以便后续导入ABAQUS等仿真软件中；
步骤四：将毛坯及模具模型导入仿真软件中，并添加材料密度、弹性模量、泊松比、塑性阶段应力应变曲线以及蠕变方程，对毛坯热成形进行仿真模拟；对毛坯热成形进行仿真模拟，为实际生产工艺参数的选择作参考依据；
步骤五：根据钛合金板材热成形后的变形量初步确定成形温度、初始应力条件及应力松弛时间；
步骤六：根据应力松弛平缓阶段的松弛应力值，在模具设计中加入弹性阶段补偿量，增加模具在该应力以及高温环境下发生的应变值为：
其中：ε为弹性阶段的真实应变，σ为弹性阶段的真实应力，E为弹性模量。
步骤七：对钛合金板材毛坯件喷涂高温防氧化剂并将其装夹在模具中，再放入热成形机床中进行随炉加热，当温度达到设计的成形温度，开始进行保温成形，当毛坯保压至设计的应力松弛时间，停止加压；
步骤八：停止加热，待模具及零件冷却后，打开热成形机床，取出钛合金零件，测量回弹角大小，微调成形温度、初始应力条件及应力松弛时间；
步骤九：重复上述步骤四与步骤五，根据具体的需求，得出符合产品质量要求的最佳热成形参数，最终成形出精度高的零件。
进一步，所述的步骤二中采用公式(1)所示的二次指数衰减函数拟合，得到不同参数下的应力松弛方程：
其中σ为瞬时剩余应力；σr为应力松弛极限；b，c及τ1，τ2为材料松弛常数；t为松弛时间。
进一步，所述的步骤三具体为采用公式(2)所示的双曲正弦函数对应力数据进行拟合得到蠕变本构模型：
其中T为蠕变过程温度，单位K，Q为蠕变活化能，单位KJ/mol*K，R为气体常数，A、B和n为材料蠕变常数。
进一步，所述的仿真软件为ABAQUS仿真软件，但不限于ABAQUS仿真软件。
进一步，所述的高温防氧化剂为氮化硼。
进一步，所述的钛合金的尺寸面积大于1m2，壁厚小于3mm，尤其针对1mm～1.5mm的大型复杂薄壁钣金零件。
进一步，所述的钛合金为TA32钛合金板材，所述的TA32钛合金板材的最佳成形参数：成形温度为775～800℃，初始应力条件为175～200MPa，应力松弛时间为1100～1300s。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明通过origin软件绘制钛合金本构曲线，拟合得到不同参数下的应力松弛方程，再通过应力松弛方程推导出蠕变本构方程函数，通过建立更加有效可靠的短时应力松弛方程的同时，表征蠕变与应力松弛的精确关联，以最大的程度减小成形过程中的回弹，降低成形后零件的内应力，以最短的时间得到性能好，尺寸精度高的大型复杂薄壁钛合金蒙皮件；
使用本发明进行大尺寸钛合金钣金零件热成形工艺，可以有效地以最大的程度减小成形过程中的回弹，降低成形后零件的内应力，以最短的时间得到更为精确的钛合金钣金零件，提高产品的生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1为大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法流程图；
图2为钛合金钣金零件热成形示意图；
图3为大型复杂薄壁钛合金蒙皮样件图；
图4为TA32钛合金不同条件下的应力松弛曲线，其中(a)为初始载荷100MPa应力松弛曲线，(b)为初始载荷150MPa应力松弛曲线，(c)为初始载荷200MPa应力松弛曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1为大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法流程图，本发明采用TA32钛合金板材作为实例，具体步骤如下：
(1)选择TA32钛合金板材，根据国标GB/T10120-2013金属应力松弛试验方法，将TA32钛合金板料制成试验试样，在万能试验机上按照指定的实验方案进行短时高温应力松弛试验并获得TA32钛合金在不同温度及不同初始条件下的应力松弛曲线；
(2)通过origin软件绘制TA32钛合金的应力松弛曲线，如图4所示，采用如下公式(1)所示的二次指数衰减函数拟合，得到不同参数下的应力松弛方程，不同初始应力的应力松弛方程系数如表(1)所示；
其中σ为瞬时剩余应力；σr为应力松弛极限；b，c及τ1，τ2为材料松弛常数；t为松弛时间。
表1不同初始应力的应力松弛方程系数
(3)采用双曲正弦函数如公式(2)所示(或幂指数函数)对应力数据进行拟合得到蠕变本构模型。
其中T为蠕变过程温度(单位K)，Q为蠕变活化能(单位KJ/(mol*K))，R为气体常数，A、B和n为材料蠕变常数。拟合后各实验条件得到的蠕变本构方程的参数如表(2)所示。
表2不同应力水平蠕变方程系数
(4)将毛坯及模具模型导入ABAQUS仿真软件中，并添加相关材料参数以及蠕变方程，对毛坯热成形进行仿真模拟，为实际生产工艺参数的选择作参考依据；
(5)根据TA32钛合金板材热成形后的变形量初步确定合适的成形温度750～825℃，初始应力条件100～200MPa，应力松弛时间1000～1400s；
(6)根据应力松弛平缓阶段的松弛应力值，在模具设计中加入少量的弹性阶段补偿量，弹性变形可用公式(3)表示(即增加模具在该应力以及高温环境下发生的应变值)；
其中，ε为弹性阶段的真实应变，σ为弹性阶段的真实应力，E为弹性模量。
(7)如图2所示，对钛合金板材毛坯件喷涂氮化硼，并将其装夹在设计好的模具中，再放入热成形机床中进行随炉加热，当温度达到设计的成形温度，开始进行保温成形，当毛坯保压至设计的应力松弛时间(即对零件进行保压校形)，停止加压；
(8)停止加热，待模具及零件冷却后，打开热成形机床，取出钛合金零件，测量回弹角大小，微调成形温度、初始应力条件及应力松弛时间；
(9)重复步骤4)与步骤5)，得到出最佳热成形参数，成形温度为775～800℃，初始应力条件为175～200MPa，应力松弛时间为1100～1300s，最终成形出贴膜度达到0.2mm以下的高精度的零件。
本发明的方法针对的成形件为如图3所示的大型复杂薄壁钛合金蒙皮件，其尺寸面积大于1m2，壁厚小于3mm，尤其针对1mm～1.5mm的大型复杂薄壁钣金零件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：对钛合金板材进行短时高温应力松弛试验，获得某钛合金在不同温度及不同初始条件下的应力松弛曲线；
步骤二：通过origin软件绘制钛合金本构曲线，拟合得到不同参数下的应力松弛方程；步骤三：通过应力松弛方程推导出蠕变本构方程函数；
步骤四：将毛坯及模具模型导入仿真软件中，并添加材料密度、弹性模量、泊松比、塑性阶段应力应变曲线以及蠕变方程，对毛坯热成形进行仿真模拟；
步骤五：根据钛合金板材热成形后的变形量初步确定成形温度、初始应力条件及应力松弛时间；
步骤六：根据应力松弛平缓阶段的松弛应力值，在模具设计中加入弹性阶段补偿量，增加模具在该应力以及高温环境下发生的应变值为：
其中，ε为弹性阶段的真实应变，σ为弹性阶段的真实应力，E为弹性模量；
步骤七：对钛合金板材毛坯件喷涂高温防氧化剂并将其装夹在模具中，再放入热成形机床中进行随炉加热，当温度达到设计的成形温度，开始进行保温成形，当毛坯保压至设计的应力松弛时间，停止加压；
步骤八：停止加热，待模具及零件冷却后，打开热成形机床，取出钛合金零件，测量回弹角大小，微调成形温度、初始应力条件及应力松弛时间；
步骤九：重复上述步骤四与步骤五，得到最佳热成形参数，最终成形出精度高的零件。
2.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，所述的步骤二中采用公式(1)所示的二次指数衰减函数拟合，得到不同参数下的应力松弛方程：
其中σ为瞬时剩余应力；σr为应力松弛极限；b，c及τ1，τ2为材料松弛常数；t为松弛时间。
3.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，所述的步骤三具体为采用公式(2)所示的双曲正弦函数对应力数据进行拟合得到蠕变本构模型：
其中T为蠕变过程温度，单位K，Q为蠕变活化能，单位KJ/mol*K，R为气体常数，A、B和n为材料蠕变常数。
4.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，所述的仿真软件为ABAQUS仿真软件。
5.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，所述的高温防氧化剂为氮化硼。
6.根据权利要求1所述的一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，所述的钛合金的尺寸面积大于1m2，壁厚小于3mm。
7.根据权利要求6所述的一种大型复杂薄壁钛合金蒙皮件短时应力松弛校形方法，其特征在于，所述的钛合金为TA32钛合金板材，所述的TA32钛合金板材的最佳成形参数：成形温度为775～800℃，初始应力条件为175～200MPa，应力松弛时间为1100～1300s。
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