引言

滚珠旋压是一种塑性成形工艺步骤,因其拥有出产精度高、、、工模具亏损低和资料利用率高档利益,在民用、、、军工等领域日渐获得宽泛的利用[1-2]
。TC4钛合金在室温下作为一种中等强度α+β型钛合金,因其怪异的晶格结构,使得该资料在室温下变形阻力大,塑性加工机能差,所以通常选取热加工的步骤使其降低变形抗力后再进行后续的加工[3]
。随着管材减薄率的不休增长,管件可能会产生理论起皮或理论裂纹等缺点,其中断裂是最重要的粉碎大局[4]
。这不仅降低了资料的利用率,还造成了巨大的经济损失[5]
。因而,对管开裂景象的钻研已成为旋压成形工艺中亟待解决的问题
。

近年来,为了描述资料的危险演化过程,提出了很多基于陆续介质力学理论为基础的断裂预测准则,如Lemaitre断裂准则和Lou准则
。随着推算机仿真技术的发展,将断裂准则与有限元仿拍照结合,便能够实现对金属在成形过程中危险演化过程及裂纹形成地位进行精确的预测[6]
。ZHANM等[7]基于Lemaitre断裂准则对5A02-O铝合金的旋压过程进行了有限元仿照和尝试钻研,确定了各旋压工艺参数的最优领域,为工艺配置和工艺参数优化配置奠定了基础
。夏琴香等[8]以Haynes230镍基高温合金为钻研对象,通过度析拉深旋压应力特点,构建出思考拉深旋压两种分裂大局的修改Lou准则,了局批注修改的Lou准则能同时思考最大主/切应力的影响,正确预测拉深旋压分裂的形成地位与形成时刻
。XUW等[9]将6种断裂准则引入ABAQUS有限元软件,并对各断裂准则在钛合金管旋压中的合用性进行了评估
。了局批注只有McClintocky预测模型在减薄率为20%~30%时,能力够解除Ti-15-3合金管的开裂景象
。张冉阳等[4]基于铸态7075铝合金的资料个性,成立了思考资料拉压异性的Lemaitre危险模型,并分析了资料的危险演化特点
。ZHANM等[10]基于Lemaitre与Cockcroft-Latham断裂准则,成立并验证了旋压成形和弯管过程中断裂地位和成形极限预测的有限元模型
。了局发现,Lemaitre准则更能正确地预测旋压成形和管材弯曲过程中危险产生的地位和散布
：：：蚪淼萚11]成立了预测分形旋压开裂的有限元模型,发现Lemaitre准则可能预测分形旋压危险值的散布及裂纹出现的地位
。LIH等[12]将GTN模型利用于旋压成形,得出GTN模型不适合旋压成形过程中危险的演化过程
。张晶等[13]选取修改的Cockcroft-Latham和Oyane断裂准则来预测滚珠旋压过程中危险值的散布情况,了局批注Oyane断裂准则的预测了局与尝试了局相切合
。从以往的钻研中能够发现,随着加工资料及加工工艺的分歧,各断裂准则的合用领域也不一样
。

上述对断裂的钻研重要集中在室温下对资料危险值的预测,并没有思考资料在成形过程中温度以及高温前提下应力状态对断裂危险的影响
。钛合金在高温下热软化效应显著,资料变形抗力减小,使得资料应力状态也更为复杂,进而影响资料在加工变形过程中的危险和断裂行为[14]
。所以上述类型断裂准则并不合用于对温度敏感的钛合金热旋压断裂的预测
。钻研批注,Johnson-Cook(J-C)危险模型能够正确描述资料在高温、、、高应变以及高应变率时的应力状态及断裂个性,并且在工程中得到了越来越宽泛的利用[15]
。王新云等[16]利用Johnson-Cook危险模型对2024铝合金方盒件热拉深成形过程中的危险演化进行了预测,并获得了与尝试一致的了局
。

本钻研基于J-C危险模型对TC4钛合金管热旋压过程进行了有限元仿照
。并从等效塑性应变和应力状态等方面分析了危险值与进给率、、、减薄率和旋压温度之间的关系
。本文钻研了局以期为美满钛合金管热旋压成形工艺设计和提高产品质量提供理论凭据和出产领导
。

1、、、资料与步骤

1.1　尝试资料

本钻研所使用的资料为TC4钛合金,其成分列于表1[17]
。

表 1 TC4 钛合金化学成分 (%, 质量分数) [17]

为了成立TC4钛合金在高温下应力与应变的关系,通过Gleeble3800热仿照试验机,对TC4钛合金拉伸试样进行高温单轴拉伸尝试
。凭据GB/T228.1—2021[18]设计拉伸试样,如图1所示
。为了便于夹持,在试样两端加工出M10mm×1.5mm的螺纹
。为了满足高温旋压成形中资料应变速度领域,试样别离在600、、、650、、、700和750℃,应变率为0.01、、、0.1和1s-1时进行拉伸,拉伸尝试过程如图2所示
。在尝试中,试样加热至预约温度,保温3min,之后起头对试样进行拉伸,将载荷巨细的忽然降落以为是试样的断裂时刻
。最后获得TC4分歧应变率下各温度时的真应力-真应变曲线,如图3所示
。

1.2　J-C危险模型

基于J-C危险模型分析了管材在滚珠旋压过程中的危险行为
。J-C危险模型以为在塑性变形过程中危险会逐步堆集,且危险值越大,资料产生断裂的风险越高
。J-C危险模型可暗示为:

式中:D为危险值,取值领域为0~1;Δε为等效塑性应变增量;εf为断裂应变;σ?为应力三轴度;ε·?为无穷纲应变率,ε·?=ε·/ε·0;ε·0为参考应变率;ε·为应变率;T?为温度项,T?=(T-Tr)/(Tm-Tr);T为尝试温度;Tr为室温;Tm为资料熔点温度;D1~D5为资料危险参数,其中D1=0.1573,D2=1.8107,D3=-4.7419,D4=0.0197,D5=10.854
。

1.3　有限元模型成立

利用Abaqus/Explicit软件成立滚珠旋压有限元模型,所成立的有限元模型如图4所示
。模型重要由滚珠、、、芯轴和管坯3部门组成,其中管坯资料为TC4钛合金,资料密度4.45×10³kg·m^-3,泊松比为0.34
。为了缩短推算功夫,将滚珠与芯轴设置为刚体,而管坯设置为可变形体
。管坯沿径向方向均匀划分7层网格,共划分254184个单元
。为了减小网格单元的变形,选取ALE自适应网格技术对滚珠旋压过程中网格进行重构,从而在分析步求解过程中逐步改善网格质量,预防网格因过度变形而导致模型推算中断
。选取罚接触法来仿照变形体与刚体之间的接触行为,滚珠与管坯间的摩擦因数为0.7[19]
。管坯及旋压模具根基参数设置如表2所示
。

表 2 管坯及旋压模具根基参数

2、、、了局与会商

2.1　有限元模型有效性验证

有限元模型在分析推算中,使用网格质量缩放技术可能削减模型推算功夫,提高模型分析效能
。但是必要满足的前提是,在大部门仿真功夫区域内,动能与内能之比不超过5%,不然以为模型失真
。图5为当质量放大系数为4000时,动能与内能之比随功夫的变动
。从图5中能够看到,在0~0.4s,动能与内能之比迅速增长至20%,后又迅速降落至2.6%
。这是由于在有限元模型中,滚珠并不是直接与管坯接触,而是留有肯定的间距,所以在旋压初期,滚珠有肯定的空转功夫,导致模型内能减小,从而使得动能与内能之比增大
。而在0.5~16.5s,曲线趋于不变,曲线的比值维持在0.5%,远小于所要求的5%
。

图6为在一样前提下,仿照与尝试断裂情况对比
。在仿真中,当减薄率为35%时,在管的理论出现网格删除,即管产生了断裂
。此外,还在卧式高速滚珠旋压机上进行了滚珠旋压尝试,尝试中当减薄率为32.5%时,管件出现了断裂
。仿真与尝试的减薄率差值为8.6%,通过对断裂地位与减薄率数值的定量对比分析,批注仿真了局与尝试了局吻合优良
。综上分析得出所成立的有限元模型是有效的,能够利用于预测管在旋压过程中危险情况和断裂景象
。

2.2　危险个性分析

工艺参数对旋压加工过程拥有重大影响,如进给比、、、减薄率过大或过小时,旋压件都有可能产生裂纹,甚至产生断裂
。马旭等[20]以为旋压温度对旋压成形质量也有着显著的影响
。因而,选用进给比、、、减薄率和旋压温度3个旋压工艺参数对TC4钛合金管危险变动过程进行钻研
。钛合金旋压时的温度通常为600~800℃、、、进给率在0.1~0.25mm·r-1、、、单道次减薄率为20%~35%,旋压工艺参数及各参数水平拔取如表3所示
。

表 3 旋压工艺参数及水平值

资料在变形过程中,资料危险演化机制与等效塑性应变变动有很大关系
。并且资料在成形过程中的应力状态,如应力三轴度,也是影响资料产生断裂的重要成分[21]
。所以本文选择等效塑性应变和应力三轴度来评估工艺参数对危险堆集的影响
。在旋压过程中发现最大危险区总是位于滚珠正下方,所以沿管径向方向等距拔取8个节点来分析危险值的散布特点,各节点散布如图7所示
。

2.3　进给率对危险值的影响

图8为在其他工艺参数不变的情况下,分歧进给率下危险值沿径向节点的变动
。能够看出,随着进给率的增大,危险值显著增大,尤其当进给率在0.15~0.2mm·r-1时,危险值增长幅度最为显著,最大危险值增量达0.15
。注明较小的进给率克制了危险值的增大,削减了管材断裂的风险,从而提高了管材的可成形性
。从图中曲线变动能够看出,即便在各进给率下的危险值均未达到尺度阈值1,但最大危险值总是位于外理论,这批注在旋压过程傍边,危险断裂是最有可能优先产生在管的外理论
。

图9为分歧进给率下沿径向节点等效塑性应变、、、应力三轴度的散布与变动
。从图9a中能够看出,各层等效塑性应变随进给率的增大而单调增长,这是由于随着进给率的增大,滚珠沿管周向每转一圈所旋资料增多导致的
。在图9a中还能够看到,当进给率为0.10mm·r-1时,内层与外层等效塑性应变差距最大,差值为0.43
。而当进给率为0.25mm·r-1时,内层与外层等效塑性应变差值最小,差值为0.36,注明进给率的增长同时推进了管外层与内层的金属流动
。结合图8和图9a,各层危险值随着等效塑性应变的增长而单调增长,即管的塑性变形水平越大,则越有利于危险的累积
。从图9b中能够看出,当进给率为0.10mm·r-1时,节点1~节点4应力三轴度都为正值,节点5~节点8为负值;进给率为0.25mm·r-1时,节点1~节点6应力三轴度为正值,节点7和节点8为负值
。这批注,随着进给率的增长,应力三轴度正值的节点数增多,受拉金属厚度增多
。由图9b可知,随着进给率的增长,应力三轴度增长
。由于在应力三轴度数值较大的区域；岢鱿钟α,所以进给率的增长导致了危险值增大
。

2.4　减薄率对危险值的影响

图10显示在其他工艺参数不变的情况下,分歧减薄率下危险值沿径向节点的变动
。从图10中能够看到,在分歧减薄率下,节点1和节点2阐发出了最高的危险值
。当减薄率为35%时,外层危险值达到了1,注明管材在外理论出现了裂纹,此时不仅在管外层出现了高的危险值,并且管内层危险值也达到了0.70,高于在减薄率为20%和25%时的最大危险值0.84和0.68
。这也注明减薄率的增长不仅推进了外层裂纹的产生,并且还对内层的裂纹萌生也有着很大的推进作用
。

图11为分歧减薄率下沿径向节点等效塑性应变和应力三轴度的散布
。从图11a中能够看到,各节点等效塑性应变随减薄率的增长而增长,且内层与外层等效塑性应变变动差距性显著
。当减薄率为35%时,外层等效塑性应变值达到3.34,高于其他减薄率下的各层等效塑性应变值;此减薄率下内层等效塑性应变值为1.90,高于减薄率为20%和25%时的最大等效塑性应变值1.34和1.64
。因而,随着减薄率的增长,等效塑性应变增长,危险将得到发展
。在图11b中,减薄率为35%,节点5和节点6的应力三轴度别离为0.24和0.08,此时资料处于拉应力状态,资料容易产生断裂
。而在其他减薄率时,节点5和节点6的应力三轴度均为负,此时资料处于压应力状态,资料不易产生断裂
。注明随着减薄率的增长,资料的应力状态由受压逐步向受拉转变
。由图11可知,随着减薄率的增长,参加变形的金属资料增多,以至等效塑性应变和应力三轴度都随之增长,进而导致危险值的增长(图10)
。

2.5　旋压温度对危险值的影响

图12显示了在其他工艺参数不变的情况下,分歧旋压温度下危险值沿径向节点的变动
。由图可知,固然外层危险值在旋压温度600℃时存在颠簸,但其余温度下各节点处危险值均随旋压温度的升高而单调降低
。出格的,当旋压温度为650~700℃时,危险值急剧降落,最大危险值由0.80降至0.66,而旋压温度为700~750℃时,危险值降落幅度有所减小,最大危险值由0.66降至0.62
。固然各旋压温度下的危险值均未达到尺度阈值1,但是在旋压过程傍边,旋压温度越低,危险值越大,产生断裂的风险也就越高
。

图13为分歧温度下沿径向节点等效塑性应变和应力三轴度的散布
。从图13a中能够看出,各节点等效塑性应变随旋压温度变动不显著
。此外,在管旋压过程中,节点1和节点2相较于其他节点产生了更大的塑性变形
。这是由于在旋压过程中滚珠只与管外层接触,使得网格从外至内的变形量顺次递减,且随着滚珠不休对管的挤压,有少量金属流向滚珠的前方,从而在管外理论产生了肯定水平的金属堆积,所以管外层等效塑性应变最大
。从图13b中能够看出,除节点5之外,各节点应力三轴度随温度的降落而降落
。应力三轴度数值较大的区域,；岢鱿钟α
。所以危险值随旋压温度的升高而降低的重要原因是应力三轴度的降低
。

3、、、结论

(1)通过仿真了局与尝试了局对比,证了然JC危险模型能够正确预测TC4钛合金管在滚珠旋压过程中危险值的散布
。

(2)旋压过程中,管坯外理论出现受拉状态,内理论出现受压状态,且管外理论危险值均高于内理论,所以管外理论拥有高的断裂风险
。

(3)分歧工艺参数对TC4钛合金管危险断裂行为的影响法规为:危险值随进给率和减薄率的增大而增长,而随温度的升高而出现降低趋向
。

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（注，，，原文标题：：：热旋压TC4钛合金管危险个性钻研）