引言
在現(xiàn)代工業(yè)制造中，鈦合金作為一種高性能材料，以其高強(qiáng)度、低密度、良好的耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性而備受青睞[1,2]。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，其結(jié)構(gòu)件也越來越呈現(xiàn)出大尺寸、薄壁曲面、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，進(jìn)一步提高了航空航天飛行器的性能、結(jié)構(gòu)剛性，減輕了重量[3,4]。
鈦合金熱成形技術(shù)是一種通過將鈦合金材料加熱至一定溫度后進(jìn)行成形的制造工藝，它基于鈦合金在高溫下具有良好的塑性和可變形性的特點(diǎn)，通過控制溫度和應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金材料的可控變形[5]。然而，鈦合金熱成形過程中的起皺問題一直是一個(gè)難題，起皺不僅會(huì)影響成形件的外觀質(zhì)量，更重要的是會(huì)降低其成形精度和使用壽命[6,7]。
針對(duì)鈦合金熱成形起皺的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和探討[8-14]。他們通過試驗(yàn)和仿真等手段，分析了起皺產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素，并提出了多種有效的控制措施。起皺現(xiàn)象的產(chǎn)生與多種因素有關(guān)。首先，鈦合金材料的力學(xué)性能對(duì)其熱成形行為有著重要影響，在成形過程中容易產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布，從而導(dǎo)致起皺。其次，工藝參數(shù)的設(shè)置也是影響起皺高度的關(guān)鍵因素，成形溫度、壓邊力、潤(rùn)滑條件、模具結(jié)構(gòu)等參數(shù)的合理選擇和優(yōu)化，對(duì)降低起皺高度具有重要意義。此外，材料的初始形狀和尺寸、模具的設(shè)計(jì)和制造精度等也會(huì)對(duì)起皺現(xiàn)象產(chǎn)生影響。為了評(píng)估板料壓縮失穩(wěn)性能，日本學(xué)者吉田清太提出方板對(duì)角拉伸試驗(yàn)(Yoshida Buckling Test，YBT)，利用這種試驗(yàn)可以模擬板料貼模時(shí)的情況，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際沖壓成形時(shí)的貼模性和定形性具有一定關(guān)系。Kim 等[15]提出了一種改進(jìn)的吉田屈曲試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了不同長(zhǎng)、寬的 YBT 試樣研究幾何形狀和應(yīng)力比對(duì)起皺產(chǎn)生和發(fā)展的影響。郭禪等[16]選取純鈦 TA1 進(jìn)行方板對(duì)角拉伸試驗(yàn)，測(cè)試了該材料的抗皺性能，驗(yàn)證了塑性成形仿真軟件對(duì)板材起皺問題具有很高的預(yù)測(cè)精度。袁偉杰等[17]基于方板對(duì)角拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎?Abaqus 軟件對(duì)鍍錫板的起皺行為進(jìn)行了模擬并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最后繪制了鍍錫板的起皺高度評(píng)定圖。劉迪輝等[18]以 DC04 鋼板為研究對(duì)象，對(duì)比了各溫度下的方板對(duì)角拉伸過程，發(fā)現(xiàn)在 23~150℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，方板的最終起皺高度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。
目前，對(duì)于鈦合金板材熱成形起皺行為研究較少，本文以TC4鈦合金板材為研究對(duì)象，以起皺高度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)高溫下改進(jìn)的方板對(duì)角拉伸試驗(yàn)（YBT）進(jìn)行了研究，深入分析了邊界尺寸、溫度以及厚度對(duì)鈦合金熱成形過程中失穩(wěn)起皺的影響規(guī)律，以期為鈦合金熱成形工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。
1、試驗(yàn)及結(jié)果
1.1 高溫單向拉伸試驗(yàn)
本試驗(yàn)采用厚度為 0.5mm 和 1.0mm 的TC4鈦合金材料。通過 MTS 電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)獲取其力學(xué)性能，試驗(yàn)溫度為 500、600、700℃，拉伸應(yīng)變速率為 0.005/s。
拉伸試樣的切割方式采用線切割，沿著板材的軋制方向（RD）。在不同溫度下部分材料參數(shù)見表 1，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 1 所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著溫度的升高，TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度和峰值應(yīng)力逐漸降低，屈服強(qiáng)度由 605.4MPa 降低到 271.2MPa，峰值應(yīng)力由 786.9MPa 降低到 303.5MPa，延伸率由 42.9%升高到 61.5%。
1.2 方板對(duì)角拉伸試驗(yàn)
為分析不同應(yīng)力狀態(tài)下的TC4鈦合金板材起皺行為，本文基于改進(jìn)后的 YBT 試樣設(shè)計(jì)了 5 種不同尺寸的試件，其主要變形區(qū)域的邊長(zhǎng) l=w，尺寸分別為 l=75、l=80、l=85、l=90以及 l=95mm，幾何形狀如圖 2 所示。分別在 500、600 和 700℃條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸方向?yàn)榘宀能堉品较颍≧D），拉伸速率 0.1mm/s，拉伸位移為 3.0mm。部分試驗(yàn)結(jié)果及兩種截面形狀如圖 3 所示，從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出 l=80、85、90 以及 95mm 試件的起皺形狀為“V”形，并且不同尺寸的試件起皺程度不同，尺寸越大的試件起皺高度越高。其中 l=75mm的試件起皺形狀不同，呈現(xiàn)“波浪”形，起皺高度也發(fā)生了改變。
2、數(shù)值模擬結(jié)果與分析
運(yùn)用 Abaqus 軟件建立 YBT 試樣的殼單元有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將單向拉伸試驗(yàn)獲取的材料力學(xué)性能作為有限元材料模型，在模擬過程省略了夾持部位，試樣下端的邊界條件為固定約束，試樣上端的邊界條件為拉伸速率 0.1mm/s。 提取分析后的截面形狀，并記錄起皺高度，圖 4 為起皺高度示意圖，將分析結(jié)果和試驗(yàn)所得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖 5 所示。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，說明采取的數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確模擬板料成形起皺失穩(wěn)問題。
3、結(jié)果分析
3.1 邊界尺寸對(duì)起皺高度的影響
壓縮失穩(wěn)起皺是指板料內(nèi)部受到的壓力大于或等于板厚度方向的臨界應(yīng)力，使得板材失去穩(wěn)定性而出現(xiàn)的一種失穩(wěn)現(xiàn)象。這是由于板厚度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩方向的尺寸而造成的，厚度方向的穩(wěn)定性較其他兩方向的穩(wěn)定性差。通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，板料失穩(wěn)起皺行為受到板材邊界尺寸的影響。對(duì)于大多數(shù)板材失穩(wěn)起皺后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)半波，并且板材的厚度與其他方向的尺寸相差越大，板材失穩(wěn)起皺的高度越高。圖 6 為不同尺寸的試件臨界起皺時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖以及拉伸后截面形狀與起皺高度。從圖 6(b)、(c)可以看出尺寸越大的板材失穩(wěn)起皺的臨界壓應(yīng)力越小，在變形過程中先產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，導(dǎo)致在拉伸位移一定的情況下起皺高度更高。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) l=75mm 的板材出現(xiàn)了兩個(gè)半波，這主要是因?yàn)檫吔绯叽绲臏p小導(dǎo)致拉伸過程中夾持部分的載荷發(fā)生變化，從而引起了應(yīng)力狀態(tài)的變化，如圖6(a)所示，最終導(dǎo)致起皺形態(tài)與高度發(fā)生了改變。
3.2 溫度對(duì)起皺高度的影響
在成形過程中，溫度對(duì)鈦合金板材的力學(xué)性能、成形性能及材料內(nèi)部的應(yīng)力分布都有著顯著的影響，進(jìn)而影響其起皺行為。塑性狀態(tài)下材料具有更高的抗皺能力，這是因?yàn)椴牧显谒苄誀顟B(tài)下更容易產(chǎn)生中面的收縮變形[19]。當(dāng)試樣中心區(qū)域出現(xiàn)彈性失穩(wěn)時(shí)，方板其他區(qū)域尤其是夾持端已處于塑性變形階段。根據(jù)塑性力學(xué)理論，材料屈服強(qiáng)度的降低會(huì)擴(kuò)大塑性變形區(qū)范圍，導(dǎo)致應(yīng)力增長(zhǎng)速率下降，產(chǎn)生的橫向壓力相對(duì)較小，薄板起皺高度降低。圖 7為不同溫度下相同尺寸試件的橫向應(yīng)力分布圖以及截面形狀，從圖中可以看出在拉伸位移相同的情況下，隨著溫度的升高，材料內(nèi)部產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力的區(qū)域減少。這是因?yàn)樵谳^低的溫度下，TC4 鈦合金的泊松比降低[20-22]，彈性模量和屈服強(qiáng)度較高，材料流動(dòng)性較差，在垂直于拉伸方向上更易形成材料堆積從而產(chǎn)生較大的橫向壓應(yīng)力使板材起皺導(dǎo)致在拉伸位移相同的情況下起皺高度更高，如圖 7(d)所示。
3.3 厚度對(duì)起皺高度的影響
厚度是影響鈦合金起皺的關(guān)鍵因素之一。圖 8 為不同厚度的試件在相同條件下的臨界起皺時(shí)刻的橫向應(yīng)力分布云圖以及拉伸后截面形狀。從圖中可以看出板厚增加會(huì)顯著提高臨界起皺應(yīng)力，使板料更不易失穩(wěn)，而薄板的臨界應(yīng)力較低，在相同條件下更容易達(dá)到失穩(wěn)條件，導(dǎo)致起皺。當(dāng)起皺產(chǎn)生后，板料外側(cè)區(qū)域因受拉應(yīng)力作用產(chǎn)生延展變形，而內(nèi)側(cè)則因受壓應(yīng)力作用形成局部堆積。此時(shí)，其受力特點(diǎn)與彎曲問題相同，彎曲剛度(D′)是衡量板材抵抗彎曲變形能力的物理量，其表達(dá)式為：
式中，E 為材料的彈性模量；I 為截面慣性矩，反應(yīng)截面形狀對(duì)彎曲剛度的影響。
對(duì)于寬度為 b、厚度為 t 的矩形截面板材，其截面慣性矩為：
整理可得：
由此可見，彎曲剛度與板厚的三次方成正比，板厚的增加可顯著提升彎曲剛度。厚板憑借其更高的彎曲剛度，在相同拉伸位移條件下能更有效的抑制整體變形量，使得材料表面的起伏幅度顯著降低，最終表現(xiàn)為更小的起皺高度。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) 1.0mm 厚，l=75mm 的試件未發(fā)生明顯的起皺現(xiàn)象，其橫向應(yīng)力分布如圖 8(c)所示，從圖中可以看出在拉伸到一定位移后方板中心雖產(chǎn)生了集中壓應(yīng)力，但由于厚度的增加與邊界尺寸的減小限制了方板的變形程度，導(dǎo)致所產(chǎn)生的壓應(yīng)力不足以使方板產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。
4、結(jié)論
（1）對(duì)比不同尺寸的試件在相同條件下的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊界尺寸對(duì)起皺高度有明顯的影響。通常情況下，隨著邊界尺寸的增大，引起板材產(chǎn)生失穩(wěn)起皺的壓應(yīng)力減小，板材越容易起皺，導(dǎo)致最終起皺的高度增加。而當(dāng)邊界尺寸過小時(shí)，板材所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變從而引起不同的起皺形狀，導(dǎo)致起皺的高度也發(fā)生變化。
（2）在同種厚度的條件下，500℃-700℃范圍內(nèi)隨著成形溫度的升高，鈦合金的彈性模量和屈服強(qiáng)度降低，材料流動(dòng)性增強(qiáng)，沿拉伸方向變形能力提高，產(chǎn)生的橫向壓應(yīng)力分布區(qū)域減少，最終的起皺高度降低。
（3）在相同溫度的條件下，隨著板材厚度的增加，板材的穩(wěn)定性更強(qiáng)，變形程度減小，板材內(nèi)部應(yīng)力分布更加均勻，試件的起皺高度明顯降低。
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遼寧省“興遼英才”資助項(xiàng)目（XLYC2403146）
第一作者簡(jiǎn)介，通訊作者簡(jiǎn)介
第 一 作 者 ： 張 永 亮 ， 男 ， 1983 ， 博 士 ， 高 級(jí) 工 程 師 ， 研 究 方 向 為 航 空 制 造 ，E-mail:zhangyl009@avic.com
通訊作者：趙天章，男，1987，博士，教授，主要從事航空輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)塑性成形技術(shù)研究，E-mail：zhaotianzhang@sau.edu.cn
（注，原文標(biāo)題：TC4鈦合金熱成形起皺高度及影響因素）
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