0 引言
钛合金具有较高的比强度、比刚度以及良好的抗腐蚀性等优点，已被广泛应用于航空航天、医药工程等领域。由于钛合金弹性模量低、屈强比高、变形抗力大等特点，常温成形困难。因此钛合金常采用热成形的工艺方法。与其他金属钣金成形相同，影响零件成形精度的主要因素是成形后的型面回弹问题。即零件从模具取出后，由于材料成形后残余应力的释放而导致的与原来变形方向相反的回弹变形。通过预先确定出零件在某个温度区间内成形后的回弹量，并对成形模具合理设计，采用回弹补偿的方式可以控制零件成形后的型面精度。目前，回弹补偿主要有解析法、有限元数值模拟法及试验法3种方法。本文针对某种典型钛合金零件，通过解析计算与几何修正法设计出带有回弹补偿的热成形模具，并在实际研制过程中利用试验结果优化成形工艺参数的方法，实现了此类零件的精确成形。
1 零件特征及材料性能
某TC4钛合金零件厚度a=1.5mm，上型面的纵切面为直径R100的圆弧面的一部分，另外各带有8个小圆角(约1.38及2.38)的下陷；零件下型面的纵切面为R94的圆弧的一部分（见图1）。型面精度要求，要与理论外形的轮廓度小于0.2mm，通过样板检验。TC4常温及高温(700℃)的力学性能参数见表1。
图1 零件剖面尺寸
表1 TC4室温及高温的力学性能参数
2 模具型面设计
2.1 数值解析法确定主型面
零件热成形过程中材料充分压入模具，此时零件和模具的型面一致，求出回弹前零件的型面也同时确定了模具的型面。由于零件型面伴有不同方向的下陷、弯曲，且零件毛坯是在高温下成形，成形后的毛坯由高温降至常温，其回弹是在变温的环境中进行。成形过程中材料经过晶界扩散、滑移及粘性流动等变化，初始的应力逐渐释放。并且成形、保压过程中材料的弹性模量、硬化系数均有不同程度的变化。因此，对于回弹前零件的弯曲半径的理论计算较为困难。为简化起见，把零件近似成常温下单方向的等曲率弯曲。其变形过程遵循C.Rosserd方程：
式中n——材料的应变硬化系数
m——应变速率敏感性系数，常温下m≈0
因此式(1)可写成：
常温下弯曲成形的角度相对回弹SBo(△θ/θ)o的方程式为：
当变形量较小时，式(3)仍然适用，高温下的回弹量SBT(△θ/θ)T为：
式中ρo——中性层曲率半径/mm
h——材料厚度/mm
ET——TC4材料在成形温度下的弹性模量/GPa
nT——TC4材料在成形温度下的应变硬化系数
KT——拉伸/弯曲系数，可通过试验由式(5)求得
ε——应变，同种零件常温和高温相同
σT——成形温度下的抗拉强度/Pa
根据以上的方程及所知的物理量，可以求出(△θ/θ)T和△θ，进而求出回弹前模具主型面A及A＇区域的半径值：
2.2 几何修正法确定下陷及转角型面
一般来说，对于简单的等曲率单方向弯曲，工件的回弹主要在曲面的法线方向，但由于实际的工件大多带有多个型面或曲面，这些型面的回弹往往出现在多个方向。因此需对这些型面进行回弹前的位置确定。对于类似如图2所示零件，取零件下陷处圆角B处的切点a、b、c、d，回弹前所对应的节点分别为a＇、b＇、c＇、d＇，需要由已知的a、b、c、d的节点位置求出回弹前a＇、b＇、c＇、d＇的节点位置，根据模面的几何修正法，a节点的冲压反向向量为x1，法向向量为x1，则a节点回弹前的位置a＇应x1与x2夹角区域内，设为xa，因为曲面R1的回弹前曲面R1＇已经确定，那么节点a＇一定在a＇b＇上，a＇b＇与R1＇为的同心圆，且半径可由R1＇求出。a＇在<x1ax1＇与a＇b＇相交的封闭弧内，因为这个区间很小，xa的散布方向波动较小，因此xa与a＇b＇的交点a＇的位置能比较准确的确定出来。
图2 回弹前后零件型面节点的位置（局部）
同理，切点b＇、c＇、d＇的位置也可用此方法确定，又由于R的回弹前半径R＇可由SBT求出，那么a＇、b＇、c＇、d＇所在的圆的圆心随之确定。
因此，a＇d＇，c＇d＇以及a＇b＇可以由此推出，模具的其他转角及下陷型面B区域的位置由此确定。采用这种方法，可以确定出零件回弹前的型面，回弹前的零件型面，即模具的上下模分模型面，如图3所示。据此采用NX三维软件设计模具，如图4所示。
图3 带有回弹补偿的模具（局部）型面尺寸
图4 带有回弹补偿的热成形模具数模（下模）
3 验证试验及参数优化
为验证带有回弹补偿的热成形模具的有效性，需对该模具进行热成形工艺试验。热成形过程主要有4项工艺参数，分别为预热时间ty、成形温度Te、成形压力Fm、保压时间t，分别取在工艺范围内的3组值。考虑到全水平试验(34—81)不易实现。因此采用正交试验法，做4因素3水平的热成形工艺试验L9(34)，共9组（见表2、表3）。每组成形5件，以避免偶然因素引起的试验结果失真。
表2 因子水平表
表3 正交试验表
由使用带有回弹补偿的热成形模具的试验结果可知，在不同的工艺参数下，零件热成形后的成形精度存在差异。在9组试验中，1、4、7组成形后的零件普遍在中间拱高处与检验样板有0. 2mm～0.4mm的间隙；3、6、8、9组成形后的零件普遍在边缘处有0.15mm～0.3mm的间隙；2、5组成形后的零件型面精度好，几乎完全贴合样板。不同工艺参数成形后的零件旱现出3种不同型面精度，如图5所示。试验结果表明，热成形的成形温度对应力的消除起主要作用；预热温度与成形压力对回弹的影响较小；保压时间，即应力消除的时间，在较高的温度下和较小的变化区间内，对回弹有一定影响。
图5 正交试验结果对比
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 结论
1)采用带有回弹补偿的钛合金热成形模具的设计方法，能有效提高弯曲类零件热成形后的型面精度，实现弯曲类钛合金零件的精确成形。
2)在适宜的钛合金热成形参数范围内，预热温度及成形压力对零件回弹影响较小，成形温度与保压时间对回弹有明显影响。其中，成形温度对回弹的影响较大，保压时间次之。
3)使用本文设计的回弹模具成形零件适宜的成形温度为700℃，保压时间为60s～90s。
4)由于采用较复杂的解析法确定回弹前模具弯曲半径需引用材料高温时的多个性能参数，在一定程度上限制了该种计算方法的推广使用。
5 公司介绍
昆山广巨精密五金有限公司成立于2013/08/09日，地址：江苏省昆山市陆家镇丰夏路10号，注册资本：1000万元整，总投资：4000万元整。
公司主营：五轴三维激光切割加工，汽车金属零部件试制加工（白车身试制/软模件/原型样件/DV/EV/PV工程件）精密电子电器手板打样/小批量生产，超薄板精密切割加工，数控折弯加工，冲压拉深加工，CNC加工，蓝光扫描/三次元/关节臂检测等。 有从设计开发检讨--可行性分析--软模设计--模具制作--成型加工--三维切割--数控折弯--三次元检测整套流程能力。
公司有一流的软硬件及人才实力，配备进口日本三菱三维激光切割机/二维激光切割机/超精密激光切割机共计14台，进口数控折弯机/加拿大爱克数控折弯机共计6台，南通国盛数控CNC加工中心共计11台，南通锻压设备共计8台，雷顿三次元、蓝光扫描、关节臂测量设备各一台，以及各类辅助设备等。同时有经验十年以上模具/产品设计师，钳工师傅，数控操作师傅，检验员等，公司合计70余人。是一支技术及品质都很过硬的优秀团队。（联系人：尹经理18963677040）
