小曲率薄壁钛合金筒形件冷滚弯成形数值模拟研究

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1、制造技术研究航天制造技术小曲率薄壁钛合金筒形件冷滚弯成形数值模拟研究董文倩韦超（上海航天精密机械研究所，上海201600）摘要：开展TC4钛合金小曲率薄壁筒形件冷滚弯成形数值模拟研究，建立了TC4钛合金薄板冷滚弯成形三维有限元模型，通过工艺试验，验证了模型的可靠性及稳定性。采用虚拟正交试验分析方法，对滚弯过程中上辊下压量、侧辊移动距离等工艺参数对零件回弹影响进行了分析，得到了各工艺参数对回弹影响的显著性及趋势。关键词：小曲率；薄壁；钛合金；筒形件；冷滚弯NumericalSimulationofColdRoll-bendingProcessofSmallCu

2、rvatureThin-walledTubularWorkpiecesforTitaniumAlloyDongWenqainWeiChao(ShanghaiSpaceFlightPrecisionMachineryInstitute,Shanghai201600)Abstract：Astudyofnumericalsimulationofthecoldroll-bendingprocessofsmallcurvaturethin-walledtubularworkpiecesforTC4titaniumallayisdeveloped.The3Dfinite

3、elementmodelfortheformationofTC4sheethasbeenbuilt.Thereliabilityandstabilityofthismodelarevalidatedbyexperiments.Theeffectofprocessingparameterstothespringbackofthin-walledtubularworkpieceisstudiedcomprehensivelybytheadoptionofvirtualorthogonaltests.Thevariationallawoftheprocessing

4、parametersisobtained.Keywords：smallcurvature；thin-walled；titaniumalloy；tubularworkpiece；coldroll-bending1引言所以成形时回弹很大。钛合金材料比普通的结构材料，如铝合金、镁合金等，具有高的比强度、优异的耐蚀性、高耐热性能、[1]无磁性等优点，更能满足航天飞行器在高温环境下的强度和刚度要求。目前在航天领域，采用钛合金薄板弯曲成筒状再焊接纵缝的筒形件是一种常见结构形式，如图1所示，其中，导弹壳体就是由较精密的钛合金薄壁筒形件制造的。钛合金薄板滚弯成形方法图1筒体

5、示意图由于其经济便捷的优点成为筒形件制造的首选工艺，但成形加工方面具有如下难点[2]：一是钛合金屈强比由于TC4钛合金在室温下具有一定的塑性，且加大，在常温下钛合金板材的抗拉强度与屈服强度十分热成形的生产过程比较复杂，钛合金板料热损大，温接近，因此其塑性变形范围窄小，成形过程中变形稍度下降快，使板料成形温度相差较大，各处组织性能[3]大就有可能产生破坏，成形加工困难；二是钛合金弹不均匀，极易出现扭曲变形，所以通过对零件作仔性模量小，仅为钢材的一半左右，由于σ0.2/E比钢大，细的工艺分析，尽量选用冷成形方案。作者简介：董文倩（1985-），工程师，材料加工工

6、程专业；研究方向：钣金精密塑性技术。收稿日期：2013-10-3055制造技术研究2014年4月第2期因此，开展TC4钛合金薄板冷滚弯成形技术研究，通过有限元模拟技术对TC4钛合金薄板冷滚弯过程进行动态模拟，并采用虚拟正交试验方法，对滚弯过程中上辊下压量、侧辊移动距离等工艺参数对零件回弹影响进行了分析，利用得到的数值仿真分析结果，可以校核模具受力，指导实践生产，优化生产工艺，提高零件的成形精度以及生产效率。2有限元模型的建立图3TC4的应力应变关系拟合曲线2.1TC4薄板滚弯成形模型建立2.1.1几何模型的建立与装配σ=160240ε(0≤ε≤0.0069

7、)（1）常见的滚弯机结构形式包括对称三辊式、不对称σ=1184(ε-0.0069)0.01(ε>0.0069)[4]三辊式、四辊式、水平下调式、横竖上调式等。由2.1.3有限元模型网格划分于所采用的研究对象TC4钛合金筒形件厚度仅TC4钛合金薄板的单元类型选择可变形的4节点1.5mm，内径210mm，综合考虑筒形件的校形要求，4边形壳单元（S4R）；上辊、下辊和侧辊等模具的单最终选用四辊式的卷板机结构形式（图2）。与三辊相元类型选择4节点4边形壳单元（R3D4）。比，四辊卷板机有更加灵活多样的弯曲功能，具备双2.1.4接触模型的建立向预弯边、剩余直边短、

8、板料对中方便等一系列优点。需要定义6个接触面，分别是