TC1M15mm钛板圆孔冷翻边极限与翘曲变形的研究物理测量仪

TC1Mδ1.5mm钛板圆孔冷翻边极限与翘曲变形的研究

TC1Mδ1.5mm钛板圆孔冷翻边极限与翘曲变形的研究 2011年12月04日 来源： 摘要： 室温条件下采用有预制底孔的TC1Mδ1.5mm钛合金坯料进行圆孔翻边成形试验，结果表明除底孔尺寸小于极限值时在唇口边缘发生破裂的正常失效方式之外，卸载后时翻边制件还会出现突缘平面翘曲、翻边孔口部椭圆化、口部收缩等形状翘曲现象，这些都造成钛合金薄板翻边零件无法满足尺寸和位置精度要求。在给出极限翻边系数的同时，对这种形状非轴对称化程度进行了定量描述，并解释了此类现象产生的原因。关键词： 钛合金板材；圆孔翻边；成形极限；形状翘曲1 引言任何材料除了具备必要的使用性能之外，还必须有良好的加工性能。而金属板料的冲压性能一般包括冲剪性、成形性和定形性三个方面，对冲压产品的质量、尺寸和位置精度都有重要的影响。圆孔翻边是板料塑性成形的重要工艺方法之一，衡量翻边成形极限能力的指标是极限翻边系数，而与翻边工艺定形性优劣直接相关因素就是回弹量的大小。对钛合金板材，室温下其弹性模量E及其与屈服强度的比值E/σ0.2值与钢材相比较小，屈强比σ0.2/σb又比较大，因而塑性变形范围窄小，易开裂、回弹严重、成形困难，大回弹造成的零件定形性差问题通常表现在翻边卸载后出现明显的形状翘曲等变化，制件的形状也会产生较为明显的非轴对称现象，在很大程度上影响着制件的几何精度[1][2]。因此通过对钛合金板材进行翻边工艺试验，探讨翻边成形极限以及形状翘曲的规律，对确保飞机结构零件的质量有重要意义。 2 试验方法及工艺条件试验过程参照航空部部标准金属薄板成形性能试验方法-扩孔试验（HB6140.7-87） [3]进行，该标准适用于厚度从0.2～2.0mm范围内的各种金属薄板的扩孔试验，用以检验金属板带的扩孔或翻边成形性能。2.1 试验原理圆孔翻边是凸模在成形力P的作用下，使放置在压边圈与凹模之间的有预制底孔的圆形坯料中心区域被压入凹模，迫使毛坯预制孔径不断扩大直至圆孔被翻成竖边的过程。在成形过程中毛坯外缘直径由于压边力Q的作用而产生的约束不能产生任何收缩。试验原理见图1所示。

图1 圆孔翻边试验原理图Fig.1 Schematic of a hole-flanging operation

如翻边没有出现裂纹以及颈缩的极限最小底孔尺寸为d0min，翻边后竖边中性层孔径为D，则极限翻边系数定义为：

规定当使孔的边缘濒于颈缩或拉裂极限状态时的翻边系数作为极限翻边系数，通常试件翻边孔边缘处在显微镜下观察应无明显的微裂纹为准，符合上述试件极限状态判别标准的最小底孔直径才能作为d0min去计算Kfmin。2.2 试验设备及工艺参数试验在BHB-80 板料双向拉伸试验机上进行，用外径为Φ78.0 mm、中心制有不同尺寸底孔的圆形平板坯料，TC1Mδ1.5钛板实际料厚的平均值为1.45mm。试验采用平底圆柱形凸模，直径Φmm，凸模圆角半径5.0mm，凹模工作洞口直径为Фmm，圆角半径R5.0mm，凸凹模材料均为Cr12MoV，淬火硬度HRC60-64。试验过程中压边力Q保持在10KN，凸模行程速度控制在10mm/min。2.3 试验结果用底孔尺寸分别为Φ24.0 mm、Φ25.0 mm、Φ26.0 mm多个试件进行反复试验，在6个Φ25.0 mm底孔试件中有5件在翻边孔的唇口边缘产生裂纹，而6个Φ26.0 mm底孔试件翻边后全部为完好试件。由此可以确定出TC1Mδ1.5的最小翻边底孔尺寸为d0min=Φ26.0mm，极限翻边系数则为Kfmin=26/41.45=0.63。

（a）Φ25底孔10号破裂试件 （b）Φ26底孔4号完好试件图2 圆孔翻边试件

图2即为底孔尺寸分别为Φ25.0mm 和Φ26.0mm时的破坏和完好翻边试验件的实物照片，图3为№.10号翻边试件在唇口处出现的裂纹部位放大图片，可以观察到破坏形式是翻边试件口部边缘沿半径方向出现裂纹，从裂纹尺寸上看，上部唇口边缘处开裂程度大，而向下裂纹愈来愈小而逐渐消失。因此可以断定对№.10号件开裂的最初始位置为唇口上边缘，开裂的原因是近似于单拉状态的口部边缘处的拉伸变形量超出了许用变形程度。

图3 唇口破裂翻边试件裂纹处的局部放大图Fig.3 Cracks on the fractured lip of hole-flanging specimen

2.4 试验过程中的现象（1）突缘底部平面翘曲图4为翻边成形卸载后试件的形状变化示意图，其中h为翻边试件底平面的翘曲高度，h1为口部向下翘曲高度，a为试件口部内孔椭圆短轴尺寸，b为长轴尺寸。翻边试件的底平面以及口部都发生了一定程度的翘曲，而对常见金属板材翻边成形后的突缘底部以及口部应为平面，不存在任何翘曲。对底孔为Φ26.0mm的极限翻边试件测量出的卸载后形状变化相关尺寸列于表1。

图4 翻边试件卸载后形状变化示意图Fig.4 Schematic illustration of the finished shape after unloading

表1 翻边试件形状变化相关尺寸列表

（2）翻边孔口部椭圆化和收缩根据对试件的测量可知，翻边卸载后的口部由圆形变为椭圆，短轴沿板料的轧制方向。并且长轴和短轴都小于翻边凸模的外径尺寸Φ40.0mm，内孔在完全卸载后发生了明显的口部向内收缩。（3）唇口边缘形成明显的高度差由表1中的h1可见，翻边试件唇口的上边缘各点与测量的基准水平面之间的高度值是有明显差异的，即在在翻边孔口部椭圆化和收缩的同时还使得唇口上边缘各点不再处于同一水平面。并且测量的数据表明在高点处的材料变薄最为严重，破裂试件的开裂也都是发生在高点位置上。以上三方面的形状变化都促使翻边制件表现出明显的翘曲，使试件不再保持轴对称形状。3 翻边件翘曲的原因分析翻边成形卸载后所出现的翘曲、椭圆化和口部收缩的原因主要有以下几个方面：（1）由于轧制板材时晶粒变形的择优取向，即使高度对称的立方晶格的板料也会带有各向异性的性质。而钛板为密排六方晶格，有极为明显的轧制织构倾向，各向异性更为显著，面内各向异性所引起的变形和卸载回弹不均匀是造成突缘底平面翘曲、唇口边缘形成明显的高度差的直接因素；（2）室温下钛板的抗拉强度与屈服强度比较接近，屈强比高，因此塑性变形范围十分窄小，同时弹性模量及其与屈服强度的比值E/σ0.2值也比较小，因而卸载时回弹量较大，这也是造成口部收缩的根本原因和突缘底部平面翘曲的必要条件之一； （3）钛合金板材抵抗压缩性失稳能力差，这也是造成突缘底部平面翘曲和口部椭圆化的另一个重要因素。4 结论通过上述圆孔翻边试验研究，可得出以下结论：（1）TC1Mδ1.5钛板翻边成形卸载后会发生突缘平面翘曲、椭圆化和口部收缩等现象，大回弹所引起的形状变化比其它材料更趋于复杂[4]；（2）形状翘曲现象是TC1M材料突出的各向异性、大回弹以及抵抗压缩性失稳能力低等诸多因素综合作用的结果；（3）与TC1Mδ0.8和TC2Mδ0.8的钛合金薄板相比，TC1Mδ1.5的翻边制件所发生的形状翘曲特征比较相似，但形状非轴对称化程度与前两种板料相比小了许多[5][6]。参考文献[1]理有亲，林兆荣等. 钛板冲压成形技术[M].北京：国防工业出版社，1982：53～54[2] 梁炳文，陈孝戴等. 板金成形性能.北京：机械工业出版社，1999[3] HB6140.7-87，中华人民共和国航空工业部部标准金属薄板成形性试验方法-扩孔试验[S].[4] You-Min Huang，Kuo-Hsiung Chien. The formability of the hole-flanging process[J]，J. Mater. Process. Technol. 2001，117(1):43-51[5] ЧжуанЛинюнъ, ЧуйЦзянъчжун, ЦуйСюй. АнализированиеявлениядисторсииподрубкикруглойдырыизпластинытитанидаТС1М[J], Естественные и технические науки, 2004(5): 133-136[6] 张凌云，崔建忠等. TC1M钛合金薄板圆孔翻边试验特异现象的分析[J]. 沈阳航空工业学院学报，2004，21(3):4～6(end)

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