TC4曲面构件自阻加热电塑性成形工艺研究

发布时间：2020-05-21 11:58

【摘要】：曲面构件在航空航天领域应用较为普遍,如火箭结构件、飞机结构件、飞机蒙皮和涡轮风扇叶片等。钛合金由于具有高强度、低密度、耐高温和耐腐蚀等优点被广泛应用于航空航天曲面构件成形。但同时由于其室温成形性能差,工业中通常采用电阻丝加热模压成形的方式制件,此种方式最大的缺点是成形效率低、加工成本高、能源浪费严重。为解决该问题,本文提出一种自阻加热拉压复合成形方式,利用自阻加热的电致塑性效应和焦耳热效应改善钛合金成形性能,提高成形效率和降低能源损失;利用拉压复合的方式改善制件受力状态,减小回弹,提高制件成形精度。为探究该成形工艺及工艺参数的确定,本文开展了以下工作:(1)为确定TC4钛合金电阻加热下的高温成形性能,进行TC4钛合金Gleeble电阻加热高温拉伸试验,得到其不同温度和应变速率下的流变应力曲线。试验表明:整体上TC4钛合金的塑性成型指标(屈服强度、抗拉强度和延伸率)随着温度的升高、应变速率的降低而增强。(2)通过高温拉伸试验数据,求解TC4钛合金热变形参数,建立其热变形过程中含Z参数的双曲正弦函数模型的本构方程,并绘制出TC4钛合金热加工图,进一步明确热塑性加工最佳变形条件(变形温度为820℃左右、应变速率为0.01s~(-1)),给出其热加工过程中失稳判据和易失稳的变形区域。(3)基于Abaqus对自阻加热温升过程和成形工艺动态过程分别进行热-电耦合和电-热-固耦合数值模拟,分析了钛板自阻加热成形过程中的温度场及变形场,得到较适宜加载电流密度为10A/mm~2;并对不同参数下回弹进行模拟,研究了各参数对回弹的影响,确定较佳工艺方案、加热时间,得出温度对回弹减小的贡献更大;钛板曲率半径越大,回弹量越大;拉伸力越大,回弹越小;摩擦系数越大,回弹也越大。(4)设计搭建自阻加热成形试验平台及成型件弯曲模具,结合已经确定的较佳工艺参数,利用该试验平台对前述所确定的试验参数和有限元数值模拟进行验证分析,主要验证不同曲率半径下的成形质量及曲率半径对回弹的影响。试验表明:仿真具有一定回弹趋势预测性,试验与仿真结果最大误差为15.8268%。
【图文】：

钣金件,钛合金

a) 飞机上的筋、飞机蒙皮和飞机涡轮叶片b) 飞机结构件、汽车覆盖件和夹芯结构风扇叶片图 1-1 典型曲面构件应用作为航空航天领域的一种重要的合金材料被广泛用于各类曲面构件工作环境往往需要耐受一定的高温，相比许多传统优点：高强度、低密度，耐高温、抗腐蚀强等。此外，钛合体重量减轻大有脾益，致使钛合金近年来在航空航天、汽车用日趋广泛[6]，其中航发风扇叶片及火箭蒙皮见图 1-2。

电磁感应加热,能量转化

此需要采用热成形。曲面金属构件材料在航空航天，汽车工业主要是钛合金和铝合金，由于材料室温成形性能差及成形后出现的回弹问题，所以现有的曲面金属构件成形方式主是以热成型或者温成形的方式[8-9]。加热方式如自阻加热、火焰加热、电磁感应加电阻丝辅助加热等，这些加热方式均有其特点和适用范围。火焰加热的燃料来料方便，设备简单易操作，加热费用低，适用于各种坯料因此这种加热方式被广泛应用于各种大、中、小型坯料的加热。其缺点是；加热率低、有效吸收能量仅有 20%-30%[10]，，难以控制且精度较低、表面氧化脱碳严重表面光洁度差、对钢板性能有一定影响[11]，污染排放量大、然料消耗大、加热速慢、安全性差等。电磁感应加热是在螺旋线圈中通入高频交流电，电流频率通常在 300-300000或者更高，线圈中产生交变电磁场穿过金属内部，从而在金属内产生较强的感应流，在感应电流的作用下使金属材料加热，如图 1-3a)所示。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261;TG306

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