TC4板材自阻电加热数控渐进翻边路径研究

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TC4钛合金具有优良的耐蚀性 、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性等-系列优点，在宇航、船舰 、兵器以及化工等工业部门都得到广泛的应用。TC4板材在高温状态下 (500%以上)，塑性可得到显著的改善，延伸率增加，成形性能得以改善I。1金属板料数控渐进成形技术是由在 2O世纪 90年代提出的- 种金属板料成形新工艺，是-种先进的无模成形技术。

局部自阻电加热数控渐进成形技术是由南京某大学科研人员于 2008年首次提出，该技术通过将板材通上电流，利用通电时产生的焦耳效应使板料加热软化继而成形，为常温下难成形的板料提供了-种新的加工方法[31。文献 对 1060纯铝板进行了渐进成形翻边，并得到了成功的翻边零件，说明了渐进成形技术可以成功的运用到常温下塑性较好的板材的翻边。

利用局部自阻电加热数控渐进成形技术对 TC4板材进行圆孔翻边，无需模具和专用的加热设备 ，对不同尺寸的翻边件只需设计相应夹具，成形设备简单，可以大大降低小批量翻边件的成本并缩短制作周期 ，为此 ，作者利用局部 自阻电加热渐进成形技术对 TC4板材进行圆孑L翻边并提出了比较合理的加工路径。

2 TC4圆孔翻边试验2.1试验设备图 1试验设备Fig.1 Test Equipment试验采用的渐进成形设备为南京某大学自主研制的数控渐进成形机床NH-SK1060，加热装置采用低电压(15v)大电流(O～来稿 日期：2012-09-14作者简介：张其龙，(1988-)，男，安徽天长，硕士研究生，主要研究方向：数控渐进成形234 张其龙等：TC4板材自阻电加热数控渐进翻边路径研究 第7期1500)A直流电源，成形工具头采用材料为 YG8硬质合金，其直径为 12ram。在进行成形操作时，电源的正负极分别与成形工具头和夹具连接，夹具与机床工作台间需做适当的绝缘处理，保证电流回路经过哆头和成形板料的接触面。板料上均匀涂抹MoS 粉末作为润滑lJIsI，试验设备，如图 1所示。

22试验方法22.1成形工艺试验采用厚度为 1.08mm的 TC4板料，使用电火花线切割在板料上加工预制孔，并使用砂纸对孔壁进行打磨。然后对板料进行清洗并涂抹 MoS 作为润滑剂，最后将板料安装在夹具上，打开直流电源，启动数控程序进行翻边成形。

2.2-2工作电流及其他工艺参数结合以往关于自阻电加热渐进成形的研究及实际试验结果，选用电源工作电流为 300A。电流过低会导致 TC4板料塑性不足，电流过高会导致成形温度过高，当温度超过 540CH，-j-，MoS粉未会与氧气发生剧烈反应，生成摩擦系数较大的MoO ，严重影响成形效果，同时温度过高也会导致板料的氧化▲给速度为900mm/min，每层进给量为 0.3ram。

2.2-3成形路径与铝合金在常温下的渐进成形翻边不同，TC4板料在进行渐进成形翻边时，板料与T具头接触的区域塑性较好，但在其内侧的非接触区域温度较低，塑性较差 ，从而限制了预制孔边缘处材料在圆周方向的变形。针对此问题，设计了i种不同的成形路径，以比较成形路径对结果的影响。

路径 1：- 次成形 ，成形T具头在 TC4板料上首先下压-层进给量，并沿第-个二维层面上的轮廓挤压板料使之变形，接着工具头再下压-层进行第二层轮廓的加工，以此方法最终使预制孑L周围的材料竖立成直角，其原理图，如图 2所示。

夹板<图2路径 1成形原理图Fig.2 Schematic Diagram of Strategy 1图3路径 2成形路径Fig.3 Schematic Diagram of Strategy 2路径 2：使用多道次渐进成形 l，考虑到热成形相对较差的润滑条件，避免道次过多导致零件表面质量过差，在这里采用 道次的成形，成形角度分别为4O。、65。、90。，其路径图，如图3所永。

路径 3：先用渐进成形使板料成肜-个初始角度0(初始成形 )，然后用 具头直壁部分与板料的预制孑L处接触并作圆周运动，走完-周后，扩大圆周直径继续第二周的加 ，以此方法使得板料的成形部分由预制孔处逐渐成形为直角直至翻边完成 (翻边成形)。在这里采用 050。，相邻圆周直径相差 0.6ram，其原理，如网4所示图4路径 3成形原理图Fig-4 Schematic Diagram of Strategy 33成形路径对成形结果的影响圆孔翻边的变形程度用翻边前预制孔直径d与翻边后竖边的平均直径，J的比值 表示，Kd/D，K称为翻边系数。厕孑L翻边时濒临破坏的翻边系数称为极限翻边系数iSl。极限翻边系数越小，成形性能越好。分别用以上i种成形路径对预制孔直径为50mm的板料进行翻边试验，得到不同翻边路径可以翻边的最大直径，由此可计算每个零件的极限翻边系数，试验结果，如表 1所示。

表 1试验结果Tab.1 Test Results预制孑L直径d/mm翻边路径 编号 翻边直径D/mm翻边系数 失效形式由表 1可知对于50ram的预制孔 ，路径 1、路径 2、路径 3对应的极限翻边系数分别为 0.694、0.667、0.602。路径 1iJ现失效的形式为直壁破裂，如图5所示。在加工过程中.[具头接触的区域温度较高，板料的塑性较好 ，工具头与板料的非接触区域温度较低 ，塑性差，导致预StJL附近的材料不能塑性流动补充[具头加工区域，因此会出现直壁处的减薄破裂。路径 2相对于路径 1有所改善，这表明该方法能够-定程度上改善预制孔周围塑性较差的材料对于成形区域的约束作用，以提高翻边的成功几率。但当预制孑L周围材料变形量达到极限值时也会出现直壁处破裂，如图No.7July.201 3 机 械 设 计 与制 造 355所示。路径 3可得到最小的极限翻边系数，如图4所示。加工过程中，工具头与AB区域始终保持接触，使其具有较高的温度 ，保持较好的塑性 ，随着成形的进行，AB区域逐渐增大直至翻边完成。当AB区域增大到-定值时，板料所受的力也会达到板料破坏的极值，会在 C点即翻边直角处失效破裂，如图5所示。

(a)完整零件 (b)直壁处破裂 (c)直角处破裂图5 TC4圆孔翻边零件Fig.5 Finished Parts4路径 3中初始成形角度的影响在渐进成形中成形后的板料厚度符合余弦定理 。翻边件的成形角度为90。，根据公式计算得翻边后板料理论厚度tt。·cos90-0(为板料初始厚度)。在路径 3中初始成形角0分别取30。、45、60。、75。，其他工艺参数不变，分析成形零件的厚度分布，初始成形角为 45。、60。的翻边件的厚度随着直立高度的分布图，如图 6所示。

暑暑灶盼高度 (mm)图6不同预成形角零件厚度随着直立高度的变化Fig.6 Thickness Distribution of the Finished Part试验表明，当0-30。时可看到在翻边件直角处有明显的材料堆积痕迹，如图 7所示。当0-45。时，翻边件直角处的板料厚度大于板料原始厚度，并随着高度的增加而变薄，这是由于在翻边成形中，工具头对板料的径向力使得翻边件直角处的材料不断积累，厚度不断增加，并且这种现象随着0的减小而加剧，随着0的增大而缓和。0-60。时，翻边零件的直壁处会出现-个减薄带”，这是因为初始成形的成形角度相对较大，与路径 1中出现的减薄破裂的原理相同，0-75。时板料出现破裂。其中 60。的初始成形角加工出的零件厚度分布较为均匀。

图7翻边件的材料堆积现象Fjg.7 Phenomenon of Material Accumulation5结论(1)试验用三种成形路径均可成功得到翻边系数不同的零件 ，其中路径 3的成形性能最好。

(2)路径 1与路径 2会在直壁处出现破裂，失效原因是工具头与板料的非接触区温度较低、塑性较差。路径 3会在翻边件直角处破裂，破裂原因是成形力过大。

(3)路径 3中初始成形角的大嗅影响翻边件的厚度分布，初始成形角较嗅导致翻边件在直角处产生材料堆积，较大会导致翻边件在直壁处出现急剧减薄甚至破裂。60。的初始成形角加工出的零件质量较好。