小序

滚珠旋压是一种塑性成形工艺要领,因其具有生产精度高、工模具消耗低和质料使用率高等优点,在民用、军工等领域日渐获得普遍的应用[1-2]。。。。。。TC4钛合金在室温下作为一种中等强度α+β型钛合金,因其奇异的晶格结构,使得该质料在室温下变形阻力大,塑性加工性能差,以是通常接纳热加工的要领使其降低变形抗力后再举行后续的加工[3]。。。。。。随着管材减薄率的一直增添,管件可能会爆发外貌起皮或外貌裂纹等缺陷,其中止裂是最主要的破损形式[4]。。。。。。这不但降低了质料的使用率,还造成了重大的经济损失[5]。。。。。。因此,对管开裂征象的研究已成为旋压成形工艺中亟待解决的问题。。。。。。

近年来,为了形貌质料的损伤演化历程,提出了许多基于一连介质力学理论为基础的断裂展望准则,如Lemaitre断裂准则和Lou准则。。。。。。随着盘算机仿真手艺的生长,将断裂准则与有限元模拟相团结,便可以实现对金属在成形历程中损伤演化历程及裂纹形成位置举行准确的展望[6]。。。。。。ZHANM等[7]基于Lemaitre断裂准则对5A02-O铝合金的旋压历程举行了有限元模拟和实验研究,确定了各旋压工艺参数的最优规模,为工艺设置和工艺参数优化设置涤讪了基础。。。。。。夏琴香等[8]以Haynes230镍基高温合金为研究工具,通太过析拉深旋压应力特征,构建出思量拉深旋压两种破碎形式的修正Lou准则,效果批注修正的Lou准则能同时思量最大主/切应力的影响,准确展望拉深旋压破碎的形成位置与形成时刻。。。。。。XUW等[9]将6种断裂准则引入ABAQUS有限元软件,并对各断裂准则在钛合金管旋压中的适用性举行了评估。。。。。。效果批注只有McClintocky展望模子在减薄率为20%~30%时,才可以消除Ti-15-3合金管的开裂征象。。。。。。张冉阳等[4]基于铸态7075铝合金的质料特征,建设了思量质料拉压异性的Lemaitre损伤模子,并剖析了质料的损伤演化特征。。。。。。ZHANM等[10]基于Lemaitre与Cockcroft-Latham断裂准则,建设并验证了旋压成形和弯管历程中止裂位置和成形极限展望的有限元模子。。。。。。效果发明,Lemaitre准则更能准确地展望旋压成形和管材弯曲历程中损伤爆发的位置和漫衍。。。。。。胡莉巾等[11]建设了展望分形旋压开裂的有限元模子,发明Lemaitre准则能够展望分形旋压损伤值的漫衍及裂纹泛起的位置。。。。。。LIH等[12]将GTN模子应用于旋压成形,得出GTN模子不适合旋压成形历程中损伤的演化历程。。。。。。张晶等[13]接纳修正的Cockcroft-Latham和Oyane断裂准则来展望滚珠旋压历程中损伤值的漫衍情形,效果批注Oyane断裂准则的展望效果与实验效果相切合。。。。。。从以往的研究中可以发明,随着加工质料及加工工艺的差别,各断裂准则的适用规模也不相同。。。。。。

上述对断裂的研究主要集中在室温下对证料损伤值的展望,并没有思量质料在成形历程中温度以及高温条件下应力状态对断裂损伤的影响。。。。。。钛合金在高温下热软化效应显着,质料变形抗力减小,使得质料应力状态也更为重大,进而影响质料在加工变形历程中的损伤和断裂行为[14]。。。。。。以是上述类型断裂准则并不适用于对温度敏感的钛合金热旋压断裂的展望。。。。。。研究批注,Johnson-Cook(J-C)损伤模子可以准确形貌质料在高温、高应变以及高应变率时的应力状态及断裂特征,并且在工程中获得了越来越普遍的应用[15]。。。。。。王新云等[16]使用Johnson-Cook损伤模子对2024铝合金方盒件热拉深成形历程中的损伤演化举行了展望,并取得了与实验一致的效果。。。。。。

本研究基于J-C损伤模子对TC4钛合金管热旋压历程举行了有限元模拟。。。。。。并从等效塑性应变和应力状态等方面剖析了损伤值与进给率、减薄率和旋压温度之间的关系。。。。。。本文研究效果以期为完善钛合金管热旋压成形工艺设计和提高产品质量提供理论依据和生产指导。。。。。。

1、质料与要领

1.1　实验质料

本研究所使用的质料为TC4钛合金,其身排列于表1[17]。。。。。。

表 1 TC4 钛合金化学因素 (%, 质量分数) [17]

为了建设TC4钛合金在高温下应力与应变的关系,通过Gleeble3800热模拟试验机,对TC4钛合金拉伸试样举行高温单轴拉伸实验。。。。。。凭证GB/T228.1—2021[18]设计拉伸试样,如图1所示。。。。。。为了便于夹持,在试样两头加工出M10mm×1.5mm的螺纹。。。。。。为了知足高温旋压成形中质料应变速率规模,试样划分在600、650、700和750℃,应变率为0.01、0.1和1s-1时举行拉伸,拉伸实验历程如图2所示。。。。。。在实验中,试样加热至预定温度,保温3min,之后最先对试样举行拉伸,将载荷巨细的突然下降以为是试样的断裂时刻。。。。。。最后获得TC4差别应变率下各温度时的真应力-真应变曲线,如图3所示。。。。。。

1.2　J-C损伤模子

基于J-C损伤模子剖析了管材在滚珠旋压历程中的损伤行为。。。。。。J-C损伤模子以为在塑性变形历程中损伤会逐渐积累,且损伤值越大,质料爆发断裂的危害越高。。。。。。J-C损伤模子可体现为:

式中:D为损伤值,取值规模为0~1;Δε为等效塑性应变增量;εf为断裂应变;σ?为应力三轴度;ε·?为无量纲应变率,ε·?=ε·/ε·0;ε·0为参考应变率;ε·为应变率;T?为温度项,T?=(T-Tr)/(Tm-Tr);T为实验温度;Tr为室温;Tm为质料熔点温度;D1~D5为质料损伤参数,其中D1=0.1573,D2=1.8107,D3=-4.7419,D4=0.0197,D5=10.854。。。。。。

1.3　有限元模子建设

使用Abaqus/Explicit软件建设滚珠旋压有限元模子,所建设的有限元模子如图4所示。。。。。。模子主要由滚珠、芯轴和管坯3部分组成,其中管坯质料为TC4钛合金,质料密度4.45×10³kg·m^-3,泊松比为0.34。。。。。。为了缩短盘算时间,将滚珠与芯轴设置为刚体,而管坯设置为可变形体。。。。。。管坯沿径向偏向匀称划分7层网格,共划分254184个单位。。。。。。为了减小网格单位的变形,接纳ALE自顺应网格手艺对滚珠旋压历程中网格举行重构,从而在剖析步求解历程中逐步改善网格质量,阻止网格因太过变形而导致模子盘算中止。。。。。。接纳罚接触法来模拟变形体与刚体之间的接触行为,滚珠与管坯间的摩擦因数为0.7[19]。。。。。。管坯及旋压模具基本参数设置如表2所示。。。。。。

表 2 管坯及旋压模具基本参数

2、效果与讨论

2.1　有限元模子有用性验证

有限元模子在剖析盘算中,使用网格质量缩松手艺能够镌汰模子盘算时间,提高模子剖析效率。。。。。。可是需要知足的条件是,在大部分仿真时间区域内,动能与内能之比不凌驾5%,不然以为模子失真。。。。。。图5为当质量放大系数为4000时,动能与内能之比随时间的转变。。。。。。从图5中可以看到,在0~0.4s,动能与内能之比迅速增添至20%,后又迅速下降至2.6%。。。。。。这是由于在有限元模子中,滚珠并不是直接与管坯接触,而是留有一定的间距,以是在旋压初期,滚珠有一定的空转时间,导致模子内能减小,从而使得动能与内能之比增大。。。。。。而在0.5~16.5s,曲线趋于稳固,曲线的比值坚持在0.5%,远小于所要求的5%。。。。。。

图6为在相同条件下,模拟与实验断裂情形比照。。。。。。在仿真中,当减薄率为35%时,在管的外貌泛起网格删除,即管爆发了断裂。。。。。。别的,还在卧式高速滚珠旋压机上举行了滚珠旋压实验,实验中当减薄率为32.5%时,管件泛起了断裂。。。。。。仿真与实验的减薄率差值为8.6%,通过对断裂位置与减薄率数值的定量比照剖析,批注仿真效果与实验效果吻合优异。。。。。。综上剖析得出所建设的有限元模子是有用的,可以应用于展望管在旋压历程中损伤情形和断裂征象。。。。。。

2.2　损伤特征剖析

工艺参数对旋压加工历程具有重大影响,如进给比、减薄率过大或过小时,旋压件都有可能爆发裂纹,甚至爆发断裂。。。。。。马旭等[20]以为旋压温度对旋压成形质量也有着显著的影响。。。。。。因此,选用进给比、减薄率和旋压温度3个旋压工艺参数对TC4钛合金管损伤转变历程举行研究。。。。。。钛合金旋压时的温度一样平常为600~800℃、进给率在0.1~0.25mm·r-1、单道次减薄率为20%~35%,旋压工艺参数及各参数水平选取如表3所示。。。。。。

表 3 旋压工艺参数及水平值

质料在变形历程中,质料损伤演化机制与等效塑性应变转变有很大关系。。。。。。并且质料在成形历程中的应力状态,如应力三轴度,也是影响质料爆发断裂的主要因素[21]。。。。。。以是本文选择等效塑性应变和应力三轴度来评估工艺参数对损伤积累的影响。。。。。。在旋压历程中发明最大损伤区总是位于滚珠正下方,以是沿管径向偏向等距选取8个节点来剖析损伤值的漫衍特征,各节点漫衍如图7所示。。。。。。

2.3　进给率对损伤值的影响

图8为在其他工艺参数稳固的情形下,差别进给率下损伤值沿径向节点的转变。。。。。。？？？？？？梢钥闯,随着进给率的增大,损伤值显着增大,尤其当进给率在0.15~0.2mm·r-1时,损伤值增添幅度最为显着,最大损伤值增量达0.15。。。。。。说明较小的进给率抑制了损伤值的增大,镌汰了管材断裂的危害,从而提高了管材的可成形性。。。。。。从图中曲线转变可以看出,纵然在各进给率下的损伤值均未抵达标准阈值1,但最大损伤值总是位于外外貌,这批注在旋压历程当中,损伤断裂是最有可能优先爆发在管的外外貌。。。。。。

图9为差别进给率下沿径向节点等效塑性应变、应力三轴度的漫衍与转变。。。。。。从图9a中可以看出,各层等效塑性应变随进给率的增大而枯燥增添,这是由于随着进给率的增大,滚珠沿管周向每转一圈所旋质料增多导致的。。。。。。在图9a中还可以看到,当进给率为0.10mm·r-1时,内层与外层等效塑性应变差别最大,差值为0.43。。。。。。而当进给率为0.25mm·r-1时,内层与外层等效塑性应变差值最小,差值为0.36,说明进给率的增添同时增进了管外层与内层的金属流动。。。。。。团结图8和图9a,各层损伤值随着等效塑性应变的增添而枯燥增添,即管的塑性变形水平越大,则越有利于损伤的累积。。。。。。从图9b中可以看出,当进给率为0.10mm·r-1时,节点1~节点4应力三轴度都为正值,节点5~节点8为负值;进给率为0.25mm·r-1时,节点1~节点6应力三轴度为正值,节点7和节点8为负值。。。。。。这批注,随着进给率的增添,应力三轴度正值的节点数增多,受拉金属厚度增多。。。。。。由图9b可知,随着进给率的增添,应力三轴度增添。。。。。。由于在应力三轴度数值较大的区域常；；；；；岱浩鹩α,以是进给率的增添导致了损伤值增大。。。。。。

2.4　减薄率对损伤值的影响

图10显示在其他工艺参数稳固的情形下,差别减薄率下损伤值沿径向节点的转变。。。。。。从图10中可以看到,在差别减薄率下,节点1和节点2体现出了最高的损伤值。。。。。。当减薄率为35%时,外层损伤值抵达了1,说明管材在外外貌泛起了裂纹,此时不但在管外层泛起了高的损伤值,并且管内层损伤值也抵达了0.70,高于在减薄率为20%和25%时的最大损伤值0.84和0.68。。。。。。这也说明减薄率的增添不但增进了外层裂纹的爆发,并且还对内层的裂纹萌生也有着很大的增进作用。。。。。。

图11为差别减薄率下沿径向节点等效塑性应变和应力三轴度的漫衍。。。。。。从图11a中可以看到,各节点等效塑性应变随减薄率的增添而增添,且内层与外层等效塑性应变转变差别性显著。。。。。。当减薄率为35%时,外层等效塑性应变值抵达3.34,高于其他减薄率下的各层等效塑性应变值;此减薄率下内层等效塑性应变值为1.90,高于减薄率为20%和25%时的最大等效塑性应变值1.34和1.64。。。。。。因此,随着减薄率的增添,等效塑性应变增添,损伤将获得生长。。。。。。在图11b中,减薄率为35%,节点5和节点6的应力三轴度划分为0.24和0.08,此时质料处于拉应力状态,质料容易爆发断裂。。。。。。而在其他减薄率时,节点5和节点6的应力三轴度均为负,此时质料处于压应力状态,质料不易爆发断裂。。。。。。说明随着减薄率的增添,质料的应力状态由受压逐渐向受拉转变。。。。。。由图11可知,随着减薄率的增添,加入变形的金属质料增多,致使等效塑性应变和应力三轴度都随之增添,进而导致损伤值的增添(图10)。。。。。。

2.5　旋压温度对损伤值的影响

图12显示了在其他工艺参数稳固的情形下,差别旋压温度下损伤值沿径向节点的转变。。。。。。由图可知,虽然外层损伤值在旋压温度600℃时保存波动,但其余温度下各节点处损伤值均随旋压温度的升高而枯燥降低。。。。。。特别的,当旋压温度为650~700℃时,损伤值急剧下降,最大损伤值由0.80降至0.66,而旋压温度为700~750℃时,损伤值下降幅度有所减小,最大损伤值由0.66降至0.62。。。。。。虽然各旋压温度下的损伤值均未抵达标准阈值1,可是在旋压历程当中,旋压温度越低,损伤值越大,爆发断裂的危害也就越高。。。。。。

图13为差别温度下沿径向节点等效塑性应变和应力三轴度的漫衍。。。。。。从图13a中可以看出,各节点等效塑性应变随旋压温度转变不显着。。。。。。别的,在管旋压历程中,节点1和节点2相较于其他节点爆发了更大的塑性变形。。。。。。这是由于在旋压历程中滚珠只与管外层接触,使得网格从外至内的变形量依次递减,且随着滚珠一直对管的挤压,有少量金属流向滚珠的前方,从而在管外外貌爆发了一定水平的金属群集,以是管外层等效塑性应变最大。。。。。。从图13b中可以看出,除节点5之外,各节点应力三轴度随温度的下降而下降。。。。。。应力三轴度数值较大的区域,常；；；；；岱浩鹩α小！。。。。以是损伤值随旋压温度的升高而降低的主要缘故原由是应力三轴度的降低。。。。。。

3、结论

(1)通过仿真效果与实验效果比照,证实晰JC损伤模子可以准确展望TC4钛合金管在滚珠旋压历程中损伤值的漫衍。。。。。。

(2)旋压历程中,管坯外外貌泛起受拉状态,内外貌泛起受压状态,且管外外貌损伤值均高于内外貌,以是管外外貌具有高的断裂危害。。。。。。

(3)差别工艺参数对TC4钛合金管损伤断裂行为的影响纪律为:损伤值随进给率和减薄率的增大而增添,而随温度的升高而泛起降低趋势。。。。。。

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（注，，，，，原文问题：热旋压TC4钛合金管损伤特征研究）