基于有限元模拟的TC4筒形件无芯模收口旋压的方法

摘要

本发明公开了基于有限元模拟的TC4筒形件无芯模收口旋压的方法，包括以下步骤：将TC4钛合金材料进行热压缩实验，测出其真应力‑真应变曲线；将获得的真应力‑真应变曲线进行分析计算，建立TC4钛合金的本构方程；设定筒形件直径，建立待加工的管坯三维模型，将建立的本构方程输入到有限元软件中，并输入等轴TC4钛合金的材料参数，同时进行网格划分；将材料模型进行斜线拉锥旋压轨迹的收口旋压有限元模拟，得到收口旋压结果。提出采用斜线拉锥旋压轨迹进行TC4钛合金筒形件的收口旋压，使收口段的厚度能够分布较为均匀，能够提高无芯模收口旋压件的成型质量。

说明书

技术领域

本发明属于材料加工成型领域，具体涉及基于有限元模拟的TC4筒形件无芯模收口旋压的方法。

背景技术

TC4钛合金因具有α+β双相结构，比强度、耐热性和韧性较高，在航空航天、军工、汽车等领域得到广泛应用。旋压成形是一种综合了传统金属压力加工工艺特点的连续局部成形方式，它具有材料利用率高，加工成本低的特点，而无芯模收口旋压表现为对筒形件在径向方向的压缩，使得毛坯直径连续减少，但无芯模支撑，口部成性较差起皱较为严重且口部自由端容易发生失稳。目前国内外的研究表明TC4钛合金旋压成型的情况与旋轮的运动轨迹有很大的关系，不同的轨迹产生的应力分布不同，导致收口旋压的成型质量不同。在一般传统的加工过程中，往往是沿着旋压收口的形状作为轨迹进行旋压，由于无芯模加工缺乏芯模支撑，造成收口段厚度分布不均匀，容易产生应力集中及失稳现象。

传统的收口旋压方法是先根据经验对旋压件进行试旋，当生产的零件存在缺陷时，对工艺进行反复的修改，直至达到得到良好的工件。这种方法往往要花费大量的时间、人力和财力。

发明内容

本发明的目的是采用有限元模拟的方法对TC4筒形件进行无芯模收口旋压模拟计算，可以更好的保证收口旋压工艺的可靠性，缩短工期。

为了实现本发明目的，本发明提供了基于有限元模拟的TC4筒形件无芯模收口旋压的方法，包括以下步骤：

将TC4钛合金材料进行热压缩实验，测出其真应力-真应变曲线；

将获得的真应力-真应变曲线进行分析计算，建立TC4钛合金的本构方程；

设定筒形件直径，建立待加工的管坯三维模型，将建立的本构方程输入到有限元软件中，并添加实际加工生产过程中的工况条件设置接触条件及边界条件，同时进行网格划分；

将管坯三维模型进行斜线拉锥旋压轨迹的收口旋压有限元模拟，得到收口旋压结果。

优选的，所述热压缩实验在Gleeble-3800试验机上进行。

优选的，所述的热压缩为恒温恒定应变速率压缩，以保证真应力-真应变曲线的准确性。

优选的，所述将获得的真应力-真应变曲线进行分析计算，建立TC4钛合金的本构方程，具体包括：

本构方程的表达式为：

根据真应力-真应变曲线获得lnσ与

根据lnσ与

即所述TC4钛合金的本构方程为：

式中，

优选的，斜线拉锥旋压轨迹包括多个道次，每个道次均包括先沿直线方向进行径向旋压，然后沿斜线方向进行收口旋压，最后沿竖线方向移出进入下一道次。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)本发明通过有限元模拟，提出采用斜线拉锥旋压轨迹进行TC4钛合金筒形件的收口旋压，通过模拟结果可知，采用斜线拉锥旋压成型的方法能够减缓材料的流动，进而使收口段的厚度能够分布较为均匀，能够提高无芯模收口旋压件的成型质量。

(2)通过有限元模拟，可以节约时间、人力和财力。

附图说明

图1为传统的无芯模收口旋压轨迹示意图。

图2为本发明优化的无芯模收口旋压路径示意图。

图3为本发明实施例1中工艺优化前TC4钛合金无芯模收口旋压的有限元模拟结果图。

图4为本发明实施例1中工艺优化后TC4钛合金无芯模收口旋压的有限元模拟结果图。

图5为本发明实施例2中工艺优化前TC4钛合金无芯模收口旋压的有限元模拟结果图。

图6为本发明实施例2中工艺优化后TC4钛合金无芯模收口旋压的有限元模拟结果图。

图7为本发明实施例3中工艺优化前TC4钛合金无芯模收口旋压的有限元模拟结果图。

图8为本发明实施例4中工艺优化后TC4钛合金无芯模收口旋压的有限元模拟结果图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供的基于有限元模拟的TC4筒形件无芯模收口旋压的方法，包括以下步骤：

步骤1：将TC4钛合金材料进行热压缩实验，测出其真应力-真应变曲线。

本步骤中，TC4钛合金材料为等轴态，根据国标《GBT7314-2005金属材料压缩试验方法》的测定要求，首先对TC4钛合金切割成标准试样。将标准试样于Gleeble-3800试验机上进行恒温恒应变速率压缩，并在压缩样的两端垫上石墨片以减少摩擦影响。通过计算机导出获得真应力-真应变曲线。

步骤2：将获得的真应力-真应变曲线进行分析计算，建立TC4钛合金的本构方程。

步骤2.1：TC4钛合金本构模型为参数简单，精度高的Arrhenius本构，以提高有限元模拟计算的精度。Arrhenius本构方程可以描述金属材料的应力-应变行为：

式中，

当温度一定时：

而当应变速率

步骤2.2：根据压缩实验获得的真应力-曲线真应变，作出lnσ与

步骤3：设定筒形件直径，建立待加工的管坯三维模型，将建立的本构方程输入到有限元软件中，并添加实际加工生产过程中的工况条件设置接触条件及边界条件参数，同时进行网格划分。

本实施例的筒形件直径为60mm，利用Solidworks三维建模软件根据筒形件及旋轮的二维数据建立三维模型，之后将三维模型导入到ABAQUS软件中，并对筒形件进行网格划分。将步骤2求得的本构方程输入并添加实际加工生产过程中的工况条件来设置接触条件及边界条件。

步骤4：将材料模型进行斜线拉锥旋压轨迹的收口旋压有限元模拟，得到收口旋压结果。采用有限元模拟技术对于提高TC4筒形收口件的生产质量，降低生产成本，具有重要的意义。

本步骤中，图2为斜线拉锥旋压轨迹的示意图，1th、2th为旋压的道次，每一道次由直线段、斜线段和竖线段组成：旋轮先按照直线段运动进行径向旋压，之后按照斜线段作收口旋压，最终通过竖线段移出进行下一道次。依次进行多个道次，最终形成锥形收口面。得到的模拟结果如图4所示。采用斜线拉锥旋压成型的方法能够减缓材料的流动，进而减小应力集中，促使收口段的厚度能够分布较为均匀，可以有效提高无芯模收口旋压成型质量。

为了验证本方法的效果，本实施例还进行了传统的沿收口轨迹旋压的有限元模拟，传统的收口轨迹如图1所示，每一道次都是按照轨迹进行收口旋压。得到的有限元模拟结果如图3所示。

模拟结果图中左侧为应力分布云图值，通过云图数据可以知道，斜线拉锥轨迹的应力分布明显比传统的应力分布均匀，且斜线拉锥轨迹的应力分布最大值明显较小，这表明斜线拉锥轨迹能够显著改善TC4钛合金收口旋压件的应力分布，且能够减小应力集中情况。由两种结果对比可知，优化后的收口旋压件即本实施例提供的方法的成行情况明显优于传统的未优化的旋压件。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中进行传统的沿收口轨迹旋压的有限元模拟和采用斜线拉锥旋压轨迹进行收口旋压有限元模拟的筒形件直径为120mm。

图5为传统的沿收口轨迹旋压的有限元模拟的有限元模拟结果，图6为采用斜线拉锥旋压轨迹的有限元模拟结果。由两种结果对比可知，优化后的收口旋压件成行情况明显优于未优化的旋压件。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中进行传统的沿收口轨迹旋压的有限元模拟和采用斜线拉锥旋压轨迹进行收口旋压有限元模拟的筒形件直径为200mm。

图7为传统的沿收口轨迹旋压的有限元模拟的有限元模拟结果，图8为采用斜线拉锥旋压轨迹的有限元模拟结果。由两种结果对比可知，优化后的收口旋压件成行情况明显优于未优化的旋压件。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。