电脉冲辅助TC4钛合金板滚弯成形研究

发布时间：2020-08-25 18:35

【摘要】：由于具有高屈强比和优良的耐腐蚀性,钛合金材料在航空航天领域得到了广泛的应用。但室温下钛合金变形抗力大、塑性差及回弹变形严重,给钛合金圆筒形件或变曲率件的室温精确滚弯成形工艺带来了挑战。本文基于钛合金的电塑性特性,提出了一种电脉冲辅助钛合金板滚弯成形新工艺,对不同电参数(电流密度、频率及通电时间)下TC4板的滚弯成形规律进行了实验研究和理论分析。具体工作包括:(1)通过电脉冲辅助单向拉伸实验,研究了不同电脉冲参数下的TC4钛合金板的力学性能,比较了预通电处理和相同条件下退火处理对材料力学性能的改善作用,结果表明电脉冲辅助作用可显著降低TC4钛合金板的变形抗力,并且提高材料塑性;显微组织分析表明电脉冲能促进材料再结晶的发生,并改变材料的断裂形式。(2)为便于研究电脉冲辅助钛合金板滚弯时的回弹机制,对TC4钛合金板滚弯的瞬态(即成形板材某一圆弧段)进行了实验研究、有限元分析以及微观组织分析。首先,采用ABAQUS有限元分析软件模拟了电辅助滚弯瞬时的温度场分布以得到合理的电参数;然后,结合电脉冲辅助滚弯瞬时状态的弯曲实验,从电脉冲促进材料应力松弛角度解释了电脉冲辅助作用对板材回弹抑制的机制;显微组织分析表明电脉冲辅助作用也有助于促进材料的动态再结晶。(3)开展了电脉冲辅助作用下TC4钛合金板的连续滚弯实验,研究了电脉冲对板料连续弯曲成形时的温度分布规律,分析了电脉冲辅助滚弯成形试样曲率半径分布的稳定性,基于平面应变假设及考虑电脉冲影响的流动应力模型,推导了本工艺下板料回弹与电脉冲参数的关系,通过与实验对比,验证了模型的合理性;通过向材料加载非均匀电脉冲,获得了成形变曲率零件的新途径。此外,通过金相组织分析,研究了电脉冲对钛合金变形层微观组织的影响。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252.2
【图文】：

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钛元素被发现至今已经有两百多年的历史，但因为钛元素的高熔点、活泼的化学性质使得钛和钛合金的制造工艺十分复杂，所以在工业生产中一直不能得到广泛应用。1932 年，卢森堡化学家 Wilhelm Justin Kroll 利用 Ca 还原 TiCl4制备了金属钛，被称为“钛工业之父”，随后美国在 1948 年用 Mg 取代 Ca 还原制造 2 吨的海绵钛，从此奠定了工业提取海绵钛的“Kroll 工艺”[8]。如今，钛合金产品的研发是各国竞相追求的新领域，同时也是衡量各国空天、汽车及医疗等行业发展的重要标准[9]。钛合金构件在航空工业及军事上的广泛应用，主要是因为其优异的综合力学性能、良好的耐蚀性，且由于较低的密度（仅为钢和镍基超合金的 1/2 左右），使其获得很高的比强度，所以在注重减重要求的空天领域中备受青睐。美国的 Douglas Aircraft 公司于 1949 年定购了第一批真正用于飞行目的的钛，开辟了钛合金在航空航天领域实际应用的先河，美军于 1950 年第一次在 F84 战斗轰炸机上使用纯钛的后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件。20 世纪 60 年代后，钛合金在航空领域上的用量逐渐增加，已取代铝、镁及某些钢材料构件，如图 1.1（a）中的 A380 客机，在机翼和动力装置大量使用钛合金部件；特别地，在一些承力构件如起落架、发动机叶片及涡轮盘发挥着其独特的性能优势，图 1.1（b）是通过激光增材工艺制造的迄今国际上最大的主承力关键钛合金构件：5.02m2飞机机身整体加强框。

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可采用滚弯工艺进行多弧段弯型，焊接后再通过整体校正工件尺寸和外形精度的方式[26]，如图1.5 所示。(a) 多弧段滚弯 (b) 拼焊 (c) 整体件校形图 1.5 适用于较大直径的焊管加工路线1.3.2 滚弯工艺介绍滚弯工艺是基于三点成圆的数学原理，通过调节各个工作辊的相对位置向试样加载弯矩，试样利用工作辊与其摩擦力的带动下，通过旋转不断地产生塑性变形，最终获得所需的外形形状和尺寸精度的零件[27]。滚弯机又称卷板机，按工作辊数量及其排布方式、位置调整方式有多种分类方法，这里依据工作辊的数量主要分类如表 1.3。表 1.3 滚弯机的主要类型和特点类型两轴三轴对称三轴非对称四轴示意图特点①可预弯边，滚弯精度和效率高。②适合滚弯6~10mm 以下的高强度薄板。①无预弯边功能，剩余直边大。②需另配预压边设备，结构简单，适用范围广。①单向预弯边，板料需调头弯边。② 中薄板应用较多，也有用于厚板大机型的。①有双向预弯边，剩余直边短，对中方便。②卷制精度和效率高，最适合 CNC 控制。相比于需要借助液压机或折弯压力机模具进行的压弯工艺，滚弯工艺具有明显的优势，比

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南京航空航天大学硕士学位论文件下进行的压缩实验，暗示了不只是焦耳热一种因素起作用电塑性作用系数 ξ 来联系电流与位错之间的相互作用，建立了效应的本构方程(1-4)，采用此模型对实验值拟合良好。02621310nEAF instinstr VIC r uh 料常数；r0、rinst、hinst分别为初始半径、瞬时半径和瞬时高度塑性作用系数；V、I 为通入电压和电流。

【参考文献】