TC4钛合金管气压校圆工艺的研究浅谈
杨会荣
【摘 要】钛合金TC4材料由于有较高的屈服强度，且弹性模量低，在常温下存在成型困难，回弹大，塑性变形范围窄等特点，导致成型时容易出现裂纹等缺陷。特别是在较薄件，尺寸精度要求高的条件不容易实现。论文针对管外径为219mm，厚度为1mm的，长度为1000mm，其圆度公差要求±0.10mm，直线度公差为0.5mm的管进行成型工艺研究。以提高成品率，降低制造成本，创新一种制造新途径。
【Abstract】Titanium alloy TC4 has the characteristics of high yield ratio， low elastic modulus， molding difficulty at room temperature， high springback and narrow plastic deformation range and so on， which make it is easy to appear cracks and other defects in forming. Especially for thin parts， it is not easy to realize under the condition of requiring high dimensional accuracy. In this paper， the forming process of the tube with outer diameter of 219mm， thickness of 1mm， length of 1000 mm， roundness tolerance requirement of ±0.10mm and straightness tolerance of 0.5mm is studied， so as to improve the rate of final products， reduce the manufacturing cost and innovate a new way of manufacturing.
【关键词】钛合金TC4;应力应变;温度;压力
【Keywords】titanium alloy TC4; stress-strain; temperature; pressure
【中图分类号】TG301? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2018）12-0184-02
1 基本材料选取
材料：钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于（α+β）型钛合金，图1所示为其组织。
2 材料基本性能简介
具有良好的综合力学机械性能，使用温度为300～350℃。比强度大。TC4的强度sb=1.012GPa，密度g=4.4×103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。 钛合金热导率低。 钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。与一般钛合金相比，钛铝金属间化合物的最大优点是在较高的温度条件下仍能保持良好的机械性能和耐腐蚀性能，其中部分合金的最高使用温度达到816℃，个别合金使用温度达到982℃，重量轻，耐高温，高强度，抗蠕变性能好使其成为未来海洋装备和航空装备最具竞争力的材料。钛无毒、无重金属析出，强度高且具有和人体较好的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，例如人体的骨关节，连接件，固定板等可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。
3 材料应变、时间和温度的模拟关系
应变和温度的关系，在815℃速率和流变峰值应变图如图2：
如图3所示：在试验高温过程的拉伸，材料由于相应的应变所对应的应力先是很快达到顶值，然后又逐渐下降;并且随着对应应变的增加，后期曲线逐渐变得平缓。保温时间为0～16min范围内，应变应力曲线在短时间内变化很大，图形形成急速上升。
4 建立数学模型及模具相关参数的模拟选取
在建立有限元模拟状态之中，建立了合金材料模拟变形的变动应力，与宏观热力参数之间的关系，为了获得相应的数值模拟最终状态数据尤为关键。文章通过对比指数模拟，串联模拟，以及并联模型Johnson-Cook，还有Kumar 5种高温基本类型关系的经验公式，对高温拉伸试验数据的收集整理，最终采用Kumar模型在温度为：850～930℃，变化速率为：4×10-4～1×10-2s-1，实际应变为真实变形的范围内，模拟建立了合金的高温本构方程的数学表达式如下：
联立以上可求模具内径，加工气压。
在此基础上根据FEA的计算结果，确定了上下模具的结构和尺寸。以上設计不考虑钛管加工减薄量和加工过程是恒温。
5 结论
通过以上模拟计算和模具的模拟设计研究，为制造强度高，公差要求严的零部件提供了一种新的成型方案。
【摘 要】钛合金TC4材料由于有较高的屈服强度，且弹性模量低，在常温下存在成型困难，回弹大，塑性变形范围窄等特点，导致成型时容易出现裂纹等缺陷。特别是在较薄件，尺寸精度要求高的条件不容易实现。论文针对管外径为219mm，厚度为1mm的，长度为1000mm，其圆度公差要求±0.10mm，直线度公差为0.5mm的管进行成型工艺研究。以提高成品率，降低制造成本，创新一种制造新途径。
【Abstract】Titanium alloy TC4 has the characteristics of high yield ratio， low elastic modulus， molding difficulty at room temperature， high springback and narrow plastic deformation range and so on， which make it is easy to appear cracks and other defects in forming. Especially for thin parts， it is not easy to realize under the condition of requiring high dimensional accuracy. In this paper， the forming process of the tube with outer diameter of 219mm， thickness of 1mm， length of 1000 mm， roundness tolerance requirement of ±0.10mm and straightness tolerance of 0.5mm is studied， so as to improve the rate of final products， reduce the manufacturing cost and innovate a new way of manufacturing.
【关键词】钛合金TC4;应力应变;温度;压力
【Keywords】titanium alloy TC4; stress-strain; temperature; pressure
【中图分类号】TG301? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2018）12-0184-02
1 基本材料选取
材料：钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于（α+β）型钛合金，图1所示为其组织。
2 材料基本性能简介
具有良好的综合力学机械性能，使用温度为300～350℃。比强度大。TC4的强度sb=1.012GPa，密度g=4.4×103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。 钛合金热导率低。 钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。与一般钛合金相比，钛铝金属间化合物的最大优点是在较高的温度条件下仍能保持良好的机械性能和耐腐蚀性能，其中部分合金的最高使用温度达到816℃，个别合金使用温度达到982℃，重量轻，耐高温，高强度，抗蠕变性能好使其成为未来海洋装备和航空装备最具竞争力的材料。钛无毒、无重金属析出，强度高且具有和人体较好的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，例如人体的骨关节，连接件，固定板等可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。
3 材料应变、时间和温度的模拟关系
应变和温度的关系，在815℃速率和流变峰值应变图如图2：
如图3所示：在试验高温过程的拉伸，材料由于相应的应变所对应的应力先是很快达到顶值，然后又逐渐下降;并且随着对应应变的增加，后期曲线逐渐变得平缓。保温时间为0～16min范围内，应变应力曲线在短时间内变化很大，图形形成急速上升。
4 建立数学模型及模具相关参数的模拟选取
在建立有限元模拟状态之中，建立了合金材料模拟变形的变动应力，与宏观热力参数之间的关系，为了获得相应的数值模拟最终状态数据尤为关键。文章通过对比指数模拟，串联模拟，以及并联模型Johnson-Cook，还有Kumar 5种高温基本类型关系的经验公式，对高温拉伸试验数据的收集整理，最终采用Kumar模型在温度为：850～930℃，变化速率为：4×10-4～1×10-2s-1，实际应变为真实变形的范围内，模拟建立了合金的高温本构方程的数学表达式如下：
联立以上可求模具内径，加工气压。
在此基础上根据FEA的计算结果，确定了上下模具的结构和尺寸。以上設计不考虑钛管加工减薄量和加工过程是恒温。
5 结论
通过以上模拟计算和模具的模拟设计研究，为制造强度高，公差要求严的零部件提供了一种新的成型方案。
