CN108536948B - 一种钛合金精冲成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种钛合金精冲成形方法，对于不同厚度的TC4钛合金，采用有限元和实验的方法进行精冲，获得压边力，反定力和冲压速度对于钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，然后通过断裂准则判断在多大的静水压应力下会出现裂纹，通过大量的实验和模拟数据拟合，获得了专利中得到的压边力、反顶力和冲裁速度的设计关系曲线，得到压边力、反顶力和冲裁速度的最优组合,亦即在精冲过程中压边力和反顶力随着精冲过程进行不断增大，冲裁速度不断减小，从而使剪切区材料一直处于良好的静水压应力状态，从而获得良好的剪切光亮带。本发明实现钛合金材料精冲成形，生产效率高，原材料利用率高，成形件表面质量好。

Description

一种钛合金精冲成形方法
技术领域
本发明属于金属板料精冲成形的技术领域，尤其涉及一种钛合金精冲成形方法。
背景技术
精冲是一种先进的金属塑性成形工艺，精冲件的冲裁断面光亮带大、尺寸和形位精度高、表面平整，而且精冲的生产效率高。精冲过程中，由于V形压边圈和反顶板将坯料牢牢压紧，剪切变形区的材料处于三向压应力状态，剪切区的金属能够以纯剪切方式变形，从而保证精冲件获得高光亮带。现有的精冲工艺，压边力、反压力以及冲压速度按照初始设定的值在整个精冲过程中保持不变。然而在精冲成形过程中，随着精冲行程增加，剪切变形区里材料承受的静水压应力逐渐减小且材料硬化效应加剧，在精冲成形过程的终了阶段，静水压应力甚至会变为静水拉应力，对于塑性较差的材料，在精冲终了阶段很容易在拉应力作用下产生裂纹，从而形成撕裂带。因此为了使剪切区金属以纯剪切方式变形，精冲材料一般必须具有良好的塑性。目前广泛应用的精冲材料为中低碳钢或中低碳合金钢，其屈服强度一般在240MPa～450MPa，延伸率达到30％以上。在精冲高强度低塑性材料时很容易产生撕裂带，不能获得高质量的精冲件。例如：对于TC4钛合金，屈服强度达到860MPa,延伸率仅为15％左右，属于高强度低塑性材料，在精冲后期，随着剪切区静水压应力的下降，容易导致裂纹的产生，精冲件断面质量很差。
TC4钛合金由于具有密度低、比强度高、高温与低温力学性能好、耐腐蚀以及良好的生物相容性等优点，被广泛地应用于航空航天、船舶、化工、兵器工业以及生物医药等领域。在航空领域有一类中厚板钛合金构件，其性能和尺寸精度要求高，且构件数量需求巨大。目前这类中厚板构件主要采用机加工制造。然而TC4钛合金的铣削加工带来的表面层粗糙度、积屑瘤引起的撕裂、微裂纹等表面完整性缺陷，严重损害了钛合金构件的疲劳寿命性能。另外，机加工还具有效率低，材料利用率低等缺点，因此采用机加工制造中厚板类钛合金航空构件不适应现代航空工业的发展需求。急需研发TC4钛合金这类高强度低塑性材料的精冲成形工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种钛合金精冲成形方法，通过大量的实验和模拟数据拟合，获得了专利中得到的压边力、反顶力和冲裁速度的设计关系曲线，推导出最优组合计算公式，亦即在精冲过程中压边力和反顶力随着精冲过程进行不断增大，冲裁速度不断减小，从而使剪切区材料一直处于良好的静水压应力状态，从而获得良好的剪切光亮带。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种钛合金精冲成形方法，
其特征在于，包括如下步骤：
S1)确定压边力：
设定压边力Fb(h)＝Ah2-Bh+Fb0，0＜h＜t
Fb0＝LRHσbf2，
其中Fb0为普通精冲下的压边力，式中LR为压边圈V型齿圈的周长；H为压边圈V型齿高度；σb为抗拉强度；f2为与齿圈形状有关的系数，f2＝4；h为冲裁行程；t为板料厚度；
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得压边力与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了压边力的设计关系曲线，进而确定系数A和B的数值大小，A＝22.5，B＝15.3；
S2)确定反顶力：
设定反顶力Fcp(h)＝Ch2-Dh+Fcp0，0＜h＜t
Fcp0＝(0.1～0.25)Fs
Fs＝Ltσbf1，
其中Fcp0为普通精冲下的反顶力，Fs为冲裁力，L为零件外形轮廓周长，f1为冲裁修正系数，对于精冲取值0.9，
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得反顶力与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了反顶力的设计关系曲线，进而确定系数C和D的数值大小，C＝29.53，D＝6.37；
S3)确定冲裁速度：
Figure BDA0001615701040000021
vp1＝vp0-E·0.25t-1,
其中vp0为精冲初始速度，取值为10～15mm/s，
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得冲裁速度与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了冲裁速度的设计关系曲线，进而确定系数E的数值大小，E＝9.33。
本发明的有益效果是：提出一种钛合金精冲成形方法，在精冲过程中，逐步增大压边力和反顶力以提高精冲过程中的静水压应力，从而提高钛合金板料在精冲过程中的塑性，抑制裂纹的产生，精冲过程中压边力和反顶力随着精冲行程增加而增大，冲裁速度随着精冲行程增加而减小，通过大量的实验和模拟数据拟合，获得了专利中得到的压边力、反顶力和冲裁速度的设计关系曲线，推导出万能计算公式，使得生产出的钛合金构件的表面质量好，材料利用率高，生产效率高。
附图说明
图1为本发明一个实施例的冲裁过程示意图；
图2为本发明一个实施例的压边力与凸模行程曲线图；
图3为本发明一个实施例的反顶力与凸模行程曲线图；
图4为本发明一个实施例的冲裁速度与凸模行程曲线图。
其中：1-凸模，2-压边圈，3-板料，4-反顶板，5-凹模。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1-4所示，一种钛合金精冲成形方法，
其特征在于，包括如下步骤：
S1)确定压边力：
设定压边力Fb(h)＝Ah2-Bh+Fb0，0＜h＜t
Fb0＝LRHσbf2，
其中Fb0为普通精冲下的压边力，式中LR为压边圈V型齿圈的周长；H为压边圈V型齿高度；σb为抗拉强度；f2为与齿圈形状有关的系数，f2＝4；h为冲裁行程；t为板料厚度；
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得压边力与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了压边力的设计关系曲线，进而确定系数A和B的数值大小，A＝22.5，B＝15.3；
S2)确定反顶力：
设定反顶力Fcp(h)＝Ch2-Dh+Fcp0，0＜h＜t
Fcp0＝(0.1～0.25)Fs
Fs＝Ltσbf1，
其中Fcp0为普通精冲下的反顶力，Fs为冲裁力，L为零件外形轮廓周长，f1为冲裁修正系数，对于精冲取值0.9，
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得反顶力与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了反顶力的设计关系曲线，进而确定系数C和D的数值大小，C＝29.53，D＝6.37；
S3)确定冲裁速度：
Figure BDA0001615701040000041
vp1＝vp0-E·0.25t-1,
其中vp0为精冲初始速度，取值为10～15mm/s，
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得冲裁速度与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了冲裁速度的设计关系曲线，进而确定系数E的数值大小，E＝9.33。
实施例一：
采用精冲成形工艺冲裁出一个直径20mm，厚度为4mm的TC4钛合金板料，查表得TC4钛合金的抗拉强度σb＝1010MPa,则普通冲裁下的冲裁力FS＝Ltσbf1＝2.2×105N,压边力Fb＝LRhσbf2＝3.0×105N,反顶力Fcp＝0.2FS＝4.4×104N,初始冲裁速度为15mm/s,由此可得此种工艺下的压边力Fb(h)＝22.5h2-15.3h+3.0×105,反顶力Fcp＝29.53h2-6.37h+4.4×104,冲裁行程1mm以内的冲裁速度为15mm/s，冲裁行程1-4mm时的冲裁速度Vp1＝9.33·h-1+4.67。

Claims (1)

1.一种钛合金精冲成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)确定压边力：
设定压边力Fb(h)＝Ah2-Bh+Fb0，0＜h＜t
Fb0＝LRHσbf2，
其中Fb0为普通精冲下的压边力，式中LR为压边圈V型齿圈的周长；H为压边圈V型齿高度；σb为抗拉强度；f2为与齿圈形状有关的系数，f2＝4；h为冲裁行程；t为板料厚度；
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得压边力与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了压边力的设计关系曲线，进而确定系数A和B的数值大小，A＝22.5，B＝15.3；
S2)确定反顶力：
设定反顶力Fcp(h)＝Ch2-Dh+Fcp0，0＜h＜t
Fcp0＝(0.1～0.25)Fs
Fs＝Ltσbf1，
其中Fcp0为普通精冲下的反顶力，Fs为冲裁力，L为零件外形轮廓周长，f1为冲裁修正系数，对于精冲取值0.9，
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得反顶力与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了反顶力的设计关系曲线，进而确定系数C和D的数值大小，C＝29.53，D＝6.37；
S3)确定冲裁速度：
Figure FDA0001615701030000011
vp1＝vp0-E·0.25t-1，
其中vp0为精冲初始速度，取值为10～15mm/s，
针对不同t的钛合金采用有限元和实验的方法进行精冲，获得冲裁速度与钛合金精冲过程中剪切带内静水压应力的影响关系，将实验模拟数据进行拟合，获得了冲裁速度的设计关系曲线，进而确定系数E的数值大小，E＝9.33。
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