0 引言
鈦合金具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗腐蝕性等優點，已被廣泛應用于航空航天、醫藥工程等領域。由于鈦合金彈性模量低、屈強比高、變形抗力大等特點，常溫成形困難。因此鈦合金常采用熱成形的工藝方法。與其他金屬鈑金成形相同，影響零件成形精度的主要因素是成形后的型面回彈問題。即零件從模具取出后，由于材料成形后殘余應力的釋放而導致的與原來變形方向相反的回彈變形。通過預先確定出零件在某個溫度區間內成形后的回彈量，并對成形模具合理設計，采用回彈補償的方式可以控制零件成形后的型面精度。目前，回彈補償主要有解析法、有限元數值模擬法及試驗法3種方法。本文針對某種典型鈦合金零件，通過解析計算與幾何修正法設計出帶有回彈補償的熱成形模具，并在實際研制過程中利用試驗結果優化成形工藝參數的方法，實現了此類零件的精確成形。
1 零件特征及材料性能
某TC4鈦合金零件厚度a=1.5mm，上型面的縱切面為直徑R100的圓弧面的一部分，另外各帶有8個小圓角(約1.38及2.38)的下陷；零件下型面的縱切面為R94的圓弧的一部分（見圖1）。型面精度要求，要與理論外形的輪廓度小于0.2mm，通過樣板檢驗。TC4常溫及高溫(700℃)的力學性能參數見表1。
圖1 零件剖面尺寸
表1 TC4室溫及高溫的力學性能參數
2 模具型面設計
2.1 數值解析法確定主型面
零件熱成形過程中材料充分壓入模具，此時零件和模具的型面一致，求出回彈前零件的型面也同時確定了模具的型面。由于零件型面伴有不同方向的下陷、彎曲，且零件毛坯是在高溫下成形，成形后的毛坯由高溫降至常溫，其回彈是在變溫的環境中進行。成形過程中材料經過晶界擴散、滑移及粘性流動等變化，初始的應力逐漸釋放。并且成形、保壓過程中材料的彈性模量、硬化系數均有不同程度的變化。因此，對于回彈前零件的彎曲半徑的理論計算較為困難。為簡化起見，把零件近似成常溫下單方向的等曲率彎曲。其變形過程遵循C.Rosserd方程：
式中n——材料的應變硬化系數
m——應變速率敏感性系數，常溫下m≈0
因此式(1)可寫成：
常溫下彎曲成形的角度相對回彈SBo(△θ/θ)o的方程式為：
當變形量較小時，式(3)仍然適用，高溫下的回彈量SBT(△θ/θ)T為：
式中ρo——中性層曲率半徑/mm
h——材料厚度/mm
ET——TC4材料在成形溫度下的彈性模量/GPa
nT——TC4材料在成形溫度下的應變硬化系數
KT——拉伸/彎曲系數，可通過試驗由式(5)求得
ε——應變，同種零件常溫和高溫相同
σT——成形溫度下的抗拉強度/Pa
根據以上的方程及所知的物理量，可以求出(△θ/θ)T和△θ，進而求出回彈前模具主型面A及A＇區域的半徑值：
2.2 幾何修正法確定下陷及轉角型面
一般來說，對于簡單的等曲率單方向彎曲，工件的回彈主要在曲面的法線方向，但由于實際的工件大多帶有多個型面或曲面，這些型面的回彈往往出現在多個方向。因此需對這些型面進行回彈前的位置確定。對于類似如圖2所示零件，取零件下陷處圓角B處的切點a、b、c、d，回彈前所對應的節點分別為a＇、b＇、c＇、d＇，需要由已知的a、b、c、d的節點位置求出回彈前a＇、b＇、c＇、d＇的節點位置，根據模面的幾何修正法，a節點的沖壓反向向量為x1，法向向量為x1，則a節點回彈前的位置a＇應x1與x2夾角區域內，設為xa，因為曲面R1的回彈前曲面R1＇已經確定，那么節點a＇一定在a＇b＇上，a＇b＇與R1＇為的同心圓，且半徑可由R1＇求出。a＇在<x1ax1＇與a＇b＇相交的封閉弧內，因為這個區間很小，xa的散布方向波動較小，因此xa與a＇b＇的交點a＇的位置能比較準確的確定出來。
圖2 回彈前后零件型面節點的位置（局部）
同理，切點b＇、c＇、d＇的位置也可用此方法確定，又由于R的回彈前半徑R＇可由SBT求出，那么a＇、b＇、c＇、d＇所在的圓的圓心隨之確定。
因此，a＇d＇，c＇d＇以及a＇b＇可以由此推出，模具的其他轉角及下陷型面B區域的位置由此確定。采用這種方法，可以確定出零件回彈前的型面，回彈前的零件型面，即模具的上下模分模型面，如圖3所示。據此采用NX三維軟件設計模具，如圖4所示。
圖3 帶有回彈補償的模具（局部）型面尺寸
圖4 帶有回彈補償的熱成形模具數模（下模）
3 驗證試驗及參數優化
為驗證帶有回彈補償的熱成形模具的有效性，需對該模具進行熱成形工藝試驗。熱成形過程主要有4項工藝參數，分別為預熱時間ty、成形溫度Te、成形壓力Fm、保壓時間t，分別取在工藝范圍內的3組值。考慮到全水平試驗(34—81)不易實現。因此采用正交試驗法，做4因素3水平的熱成形工藝試驗L9(34)，共9組（見表2、表3）。每組成形5件，以避免偶然因素引起的試驗結果失真。
表2 因子水平表
表3 正交試驗表
由使用帶有回彈補償的熱成形模具的試驗結果可知，在不同的工藝參數下，零件熱成形后的成形精度存在差異。在9組試驗中，1、4、7組成形后的零件普遍在中間拱高處與檢驗樣板有0. 2mm～0.4mm的間隙；3、6、8、9組成形后的零件普遍在邊緣處有0.15mm～0.3mm的間隙；2、5組成形后的零件型面精度好，幾乎完全貼合樣板。不同工藝參數成形后的零件旱現出3種不同型面精度，如圖5所示。試驗結果表明，熱成形的成形溫度對應力的消除起主要作用；預熱溫度與成形壓力對回彈的影響較小；保壓時間，即應力消除的時間，在較高的溫度下和較小的變化區間內，對回彈有一定影響。
圖5 正交試驗結果對比
a)ty=60s，Tc=650℃，Fm=25t，tb=150s；b)ty=60s，Tc=750℃，
Fm=30t，tb=150s；c)ty=60s，Tc=700℃，Fm=25t，tb=120s
4 結論
1)采用帶有回彈補償的鈦合金熱成形模具的設計方法，能有效提高彎曲類零件熱成形后的型面精度，實現彎曲類鈦合金零件的精確成形。
2)在適宜的鈦合金熱成形參數范圍內，預熱溫度及成形壓力對零件回彈影響較小，成形溫度與保壓時間對回彈有明顯影響。其中，成形溫度對回彈的影響較大，保壓時間次之。
3)使用本文設計的回彈模具成形零件適宜的成形溫度為700℃，保壓時間為60s～90s。
4)由于采用較復雜的解析法確定回彈前模具彎曲半徑需引用材料高溫時的多個性能參數，在一定程度上限制了該種計算方法的推廣使用。
5 公司介紹
昆山廣巨精密五金有限公司成立于2013/08/09日，地址：江蘇省昆山市陸家鎮豐夏路10號，注冊資本：1000萬元整，總投資：4000萬元整。
公司主營：五軸三維激光切割加工，汽車金屬零部件試制加工（白車身試制/軟模件/原型樣件/DV/EV/PV工程件）精密電子電器手板打樣/小批量生產，超薄板精密切割加工，數控折彎加工，沖壓拉深加工，CNC加工，藍光掃描/三次元/關節臂檢測等。 有從設計開發檢討--可行性分析--軟模設計--模具制作--成型加工--三維切割--數控折彎--三次元檢測整套流程能力。
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