發布日期：2024-1-15 11:04:41
引言
輥彎成形(冷彎成形)是通過順序配置的多道次特定輪廓型面的成形軋輥,把金屬卷材或單張板材逐漸地進行橫向彎曲,以制成特定斷面的長條型材的板金屬冷加工方法,屬于典型的增量成形工藝,輥彎成形原理如圖1所示。輥彎成形生產以其高效率、低成本、高經濟性及生產過程連續性,被廣泛應用于建筑、汽車及機械制造等領域中[1-4]。
近年來,國內外學者對輥彎成形工藝參數展開了較多研究。趙淘等[5]以TC4鈦合金為研究對象,提出了一種新的滾彎成形工藝,提高了成形精度。彭雪鋒[6]提出了一種高強鋼局部感應加熱輥彎成形技術,相比于傳統輥彎成形,有效降低了材料的變形抗力,提高了成形性能。ZHAOJJ等[7]通過有限元仿真法研究了200、250、300、350、400和450℃溫度下QP980超高強鋼輥彎成形的回彈角度,結果表明,350℃下回彈角度最小。王玉華等[8]對鐵鎳合金進行了滾彎成形回彈規律研究,結果表明,彎曲半徑越大、板料厚度越小、上下輥夾持力越小,回彈越大。LIUXL等[9]對DP980超高強鋼輥彎成形帽形件進行了研究,結合有限元仿真與實驗對回彈規律進行分析,結果表明,回彈量隨凸緣寬度、側壁高度、輥縫和輥縫間距的增大而增大,隨板帶厚度和腹板寬度的增大而減小。BADROM等[10-11]通過有限元仿真及實驗對比了TC4板材輥彎成形與純彎曲的回彈行為,并建立了TC4板材輥彎成形的本構模型,結果表明,相對于純彎曲,輥彎成形回彈更小,恒半徑成形方法可減少輥彎成形的回彈與缺陷。BUDDHIKAA等[12]采用DP600與DP1000超高強鋼對輥彎成形回彈進行了研究,發現增大道次間距會導致回彈增大。韓飛等[13]采用有限元仿真結合輥彎成形實驗對QP980超高強鋼的回彈進行了研究,結果表明,單道次輥彎成形隨著設計角度增大,回彈角度先增后減,多道次輥彎成形隨著道次數增加,回彈角度逐漸降低。
上述研究中,主要是針對輥彎成形工藝參數對回彈的影響進行了研究,而關于輥彎成形回彈的顯微機理研究卻并不多見,探究輥彎成形制件微觀組織與織構的變化,可以深入了解輥彎成形的顯微變形機理,體現不同設計角度實驗對性能和組織的影響,是優化鈦板輥彎成形的重要前提。本文采用TA2純鈦板進行輥彎成形回彈研究,分析了TA2純鈦板輥彎成形的回彈與硬度變化規律,并通過微觀角度闡述了TA2純鈦板輥彎成形回彈的顯微機理,為TA2純鈦板輥彎成形實際加工提供經驗與理論支撐。
1、實驗材料
本文選用寶鈦公司生產的TA2純鈦板,板長500mm,寬100mm,厚1mm,化學成分如表1所示。初始板材采用AxioscopeA1蔡司光學顯微鏡進行微觀組織觀察,如圖2所示,可以看出,初始板材基本為均勻的α等軸晶組織,平均晶粒尺寸約為13μm。
2、輥彎成形實驗與回彈規律研究
2.1輥彎成形實驗
本實驗采用北方工業大學自主研制的高精度輥彎成形機組設備,如圖3所示,上軸輥與下軸輥半徑均為40mm,道次間距600mm,成形速度0.5m·s-1,最終成形截面為V型。
為了探究輥彎成形的設計角度與道次加工數對TA2純鈦板性能的影響,按照單道次不同設計角度與終設計角度30°不同道次數進行設計,如表2所示。TA2純鈦板輥彎成形后V型制件如圖4所示。
2.2回彈規律研究
由于鈦的彈性模量較低,僅為鋼的1/2,在輥彎成形實驗中回彈更大,成形精度更低;鈦板輥彎產生的成形缺陷主要為回彈,而未發現其他缺陷。
對于回彈,通常認為彎曲角度越大,回彈越大。終設計角度相同,道次數越多,回彈越小[14-15]。然而本文實驗結論與上述觀點有明顯不同。TA2純鈦板輥彎成形后的產品采用光學測量設備進行回彈角度測量,回彈角示意圖如圖5所示,圖中θ為設計成形角度,θ′為實際成形角度,β為回彈角。回彈角變化趨勢如圖6所示,在單道次輥彎成形實驗中,隨著設計角度增大,回彈角度從3.19°逐漸降低至0.83°,呈逐漸減小的趨勢,這與杜芳靜[16]對TA2M鈦合金板材彎曲成形進行研究得到的回彈規律一致。
在終設計角度為30°的輥彎成形實驗中,隨著道次數增加,回彈角度從0.83°增加到9.22°,有明顯的增大趨勢,說明對于TA2純鈦板,在終設計角度為30°時,增加道次數難以降低回彈,并且相較于單道次30°成形,回彈量明顯增大。
2.3顯微硬度研究
采用TEST-TECH型顯微硬度計對TA2板材輥彎成形RD-TD外側彎角區域樣品進行顯微硬度檢測,檢測位置如圖7所示。根據所選取試樣橫向尺寸相隔相同間距選取樣品表面5個點取平均值,得到TA2純鈦板輥彎成形顯微硬度變化曲線,如圖8所示。在單道次輥彎成形試驗中,從10°到20°再到30°試樣顯微硬度從(202±4)HV提高到(210±4)HV,在多道次輥彎成形試驗中,從單道次30°成形到2道次10°-30°成形再到3道次10°-20°-30°成形,試樣顯微硬度從(210±4)HV降低至(191±5)HV。
結合回彈與顯微硬度變化趨勢,在單道次輥彎成形實驗中,隨著設計角度增大,回彈逐漸減小,硬度逐漸增大,在終設計角度30°輥彎成形實驗中,隨著道次數增加,回彈逐漸增大,顯微硬度逐漸減小。
3、微觀組織分析
用于電子背散射衍射(ElectronBack-ScatterDiffraction,EBSD)研究的樣品選擇輥彎成形后產品的RD-TD外側彎角區域,取樣位置同顯微硬度檢測位置,如圖7所示。電解拋光溫度為25℃,電壓為30V,電解液為5%高氯酸酒精,試樣電解拋光后在帶有OxfordEBSD探頭的Sigma300型掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM)上進行EBSD分析,使用HKL-Channel5軟件進行織構和大小角度晶界分析(小角度晶界為2%~15%,大角度晶界為大于15°)TA2純鈦板輥彎成形不同設計角度的顯微組織如圖9所示,在單道次輥彎成形實驗中,隨著設計角度增大,變形量增大,<0001>取向的晶粒逐漸減少,同時發現少量孿晶,可以得知TA2純鈦板單道次輥彎成形孿生參與協調塑性變形。在終設計角度30°輥彎成形實驗中,隨著道次數增加,<0001>取向的晶粒逐漸增多,2道次與3道次產生少量異常長大晶粒,同時在多道次輥彎成形樣品中,并未觀察到孿晶。從圖9還可以得知,輥彎成形單道次10°、20°、30°成形、2道次10°-30°成形以及3道次10°-20°-30°成形試樣平均晶粒尺寸分別為12、12、13、12和13μm,盡管在單道次輥彎成形實驗中出現少量孿晶,多道次輥彎成形產生少量異常長大的晶粒,但平均晶粒尺寸變化幅度很小。
為了深入探究輥彎成形對TA2純鈦板擇優取向的影響,對TA2純鈦板輥彎成形的織構進行檢測,得到TA2鈦合金板材{0001}極圖,如圖10所示,試樣均呈現基面雙峰織構,主要織構為{101-0}<0001>,輥彎成形實驗中TA2純鈦板織構取向基本不變,只是強度和對稱度發生變化。在單道次輥彎成形實驗中,單道次10°成形試樣的織構雙峰峰值差值較小,織構強度最大值為13.09,隨著設計角度的增大,單道次20°成形試樣的織構雙峰峰值差值增大,織構強度最大值為14.04,單道次30°成形的織構雙峰峰值差值最大,第2峰近乎消失,織構強度最大值為20.31。在終設計角度30°輥彎成形實驗中,對比單道次30°成形樣品,2道次10°-30°成形的織構雙峰差值減少,3道次10°-20°-30°成形的織構雙峰差值最小,織構強度最大值分別為18.82和12.30。
綜合上述織構分析發現,在單道次輥彎成形實驗中,隨著設計角度增大,基面織構雙峰向單峰轉變,織構強度逐漸增大。在終設計角度30°輥彎成形實驗中,隨著道次數的增加,基面織構單峰再次轉變為雙峰,織構強度逐漸降低。
為了進一步探究TA2純鈦板輥彎成形回彈的微觀機理,對TA2純鈦板輥彎成形進行取向差角分布的分析,如圖11所示,單道次10°成形試樣無明顯峰值,單道次20°、30°成形試樣在85°左右存在峰值,張斌等[17]總結了α結構鈦室溫下常見的孿晶與取向,通過旋轉角與旋轉軸可以區分晶界類型,由此可知單道次20°與30°成形產生的孿晶為85°/<101-2>拉伸孿晶,而單道次10°成形試樣由于變形量較小且回彈較大,導致孿生現象不明顯。在終設計角度30°輥彎成形實驗中,對比單道次30°成形樣品,2道次10°-30°、3道次10°-20°-30°成形的85°峰值消失,這是由于一次變形產生的孿晶會抑制二次變形的孿生[18-19],在多道次輥彎成形實驗中,由于多道次輥彎成形反復加載-卸載,產生的拉伸、壓縮和剪切等綜合應變較為復雜[20],新孿晶的產生受到抑制,而單道次產生的孿晶由于復雜的變形機制逐漸消失,最終導致多道次輥彎成形試樣無明顯峰值。
為了分析TA2純鈦板輥彎成形后的局部應變分布情況,進行了TA2純鈦板輥彎成形局部取向差(KernelAverageMisorientation,KAM)的研究,TA2純鈦板輥彎成形KAM圖如圖12所示,在單道次輥彎成形試驗中,設計角度為10°時,位錯密度最大,隨著設計角度增大,TA2純鈦板位錯密度逐漸減小,SOFINOWSKIK等[21]指出在純鈦板材在拉伸過程中應變量達到3.5%時,可移動位錯密度達到飽和。本文研究發現,TA2純鈦板在單道次輥彎成形10°時,位錯密度已經達到峰值,而對于單道次20°、30°成形,隨著設計角度增大,變形量增大,位錯密度逐漸降低導致卸載后內應力難以通過位錯滑移進行釋放,板材應變硬化增強,回彈逐漸降低,顯微硬度逐漸增大。在終設計角度30°輥彎成形試驗中,隨著道次數的增加,變形量遞增使板材在道次間發生彈性回復,在下一道次重新加載進入塑性變形,反復加載-卸載使板材應變逐道次累加[22],位錯密度逐漸增大,卸載后板材通過位錯滑移產生的彈性回復逐漸增大,回彈逐漸增大,顯微硬度逐漸降低。綜合上述分析發現,在TA2純鈦板終設計角度30°輥彎成形實驗中,單道次成形30°回彈最小、位錯密度最低,這是由輥彎成形特有的工藝特點決定的。
4、結論
(1)對于TA2純鈦板單道次輥彎成形,隨著設計角度增大,回彈逐漸減小,顯微硬度逐漸增大,孿生參與協調塑性變形,產生少量85°/<101-2>拉伸孿晶,基面織構雙峰向單峰轉變,織構強度逐漸增大,變形量逐漸增大而位錯密度逐漸降低是回彈降低的主要原因。
(2)對于TA2純鈦板多道次輥彎成形,隨著道次數增加,回彈逐漸增大,而硬度逐漸降低,孿生現象消失,基面織構單峰再次轉變為雙峰,織構強度逐漸降低,位錯密度逐漸增大,這是由于變形量遞增,反復加載卸載后通過位錯滑移產生彈性回復逐漸增大,導致回彈與硬度發生明顯變化,這是由輥彎成形所特有的工藝特點決定的。
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