發(fā)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(jìn)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(chǎn)以其高效率、低成本、高經(jīng)濟(jì)性及生產(chǎn)過程連續(xù)性,被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車及機(jī)械制造等領(lǐng)域中[1-4]。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)輥彎成形工藝參數(shù)展開了較多研究。趙淘等[5]以TC4鈦合金為研究對(duì)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(qiáng)鋼局部感應(yīng)加熱輥彎成形技術(shù),相比于傳統(tǒng)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(qiáng)鋼輥彎成形的回彈角度,結(jié)果表明,350℃下回彈角度最小。王玉華等[8]對(duì)鐵鎳合金進(jìn)行了滾彎成形回彈規(guī)律研究,結(jié)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(duì)DP980超高強(qiáng)鋼輥彎成形帽形件進(jìn)行了研究,結(jié)合有限元仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)回彈規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果表明,回彈量隨凸緣寬度、側(cè)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(gòu)模型,結(jié)果表明,相對(duì)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(qiáng)鋼對(duì)輥彎成形回彈進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)增大道次間距會(huì)導(dǎo)致回彈增大。韓飛等[13]采用有限元仿真結(jié)合輥彎成形實(shí)驗(yàn)對(duì)QP980超高強(qiáng)鋼的回彈進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,單道次輥彎成形隨著設(shè)計(jì)角度增大,回彈角度先增后減,多道次輥彎成形隨著道次數(shù)增加,回彈角度逐漸降低。
上述研究中,主要是針對(duì)輥彎成形工藝參數(shù)對(duì)回彈的影響進(jìn)行了研究,而關(guān)于輥彎成形回彈的顯微機(jī)理研究卻并不多見,探究輥彎成形制件微觀組織與織構(gòu)的變化,可以深入了解輥彎成形的顯微變形機(jī)理,體現(xiàn)不同設(shè)計(jì)角度實(shí)驗(yàn)對(duì)性能和組織的影響,是優(yōu)化鈦板輥彎成形的重要前提。本文采用TA2純鈦板進(jìn)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(guī)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(jī)理,為TA2純鈦板輥彎成形實(shí)際加工提供經(jīng)驗(yàn)與理論支撐。
1、實(shí)驗(yàn)材料
本文選用寶鈦公司生產(chǎn)的TA2純鈦板,板長500mm,寬100mm,厚1mm,化學(xué)成分如表1所示。初始板材采用AxioscopeA1蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)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(shí)驗(yàn)與回彈規(guī)律研究
2.1輥彎成形實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)采用北方工業(yè)大學(xué)自主研制的高精度輥彎成形機(jī)組設(shè)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(shè)計(jì)角度與道次加工數(shù)對(duì)TA2純鈦板性能的影響,按照單道次不同設(shè)計(jì)角度與終設(shè)計(jì)角度30°不同道次數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),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(guī)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(shí)驗(yàn)中回彈更大,成形精度更低;鈦板輥彎產(chǎn)生的成形缺陷主要為回彈,而未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。
對(duì)于回彈,通常認(rèn)為彎曲角度越大,回彈越大。終設(shè)計(jì)角度相同,道次數(shù)越多,回彈越小[14-15]。然而本文實(shí)驗(yàn)結(jié)論與上述觀點(diǎn)有明顯不同。TA2純鈦板輥彎成形后的產(chǎn)品采用光學(xué)測量設(shè)備進(jìn)行回彈角度測量,回彈角示意圖如圖5所示,圖中θ為設(shè)計(jì)成形角度,θ′為實(shí)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(shí)驗(yàn)中,隨著設(shè)計(jì)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(duì)TA2M鈦合金板材彎曲成形進(jìn)行研究得到的回彈規(guī)律一致。
在終設(shè)計(jì)角度為30°的輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著道次數(shù)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(duì)于TA2純鈦板,在終設(shè)計(jì)角度為30°時(shí),增加道次數(shù)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(jì)對(duì)TA2板材輥彎成形RD-TD外側(cè)彎角區(qū)域樣品進(jìn)行顯微硬度檢測,檢測位置如圖7所示。根據(jù)所選取試樣橫向尺寸相隔相同間距選取樣品表面5個(gè)點(diǎn)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(yàn)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(yàn)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(jié)合回彈與顯微硬度變化趨勢,在單道次輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著設(shè)計(jì)角度增大,回彈逐漸減小,硬度逐漸增大,在終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著道次數(shù)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(chǎn)品的RD-TD外側(cè)彎角區(qū)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(jìn)行EBSD分析,使用HKL-Channel5軟件進(jìn)行織構(gòu)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(shè)計(jì)角度的顯微組織如圖9所示,在單道次輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著設(shè)計(jì)角度增大,變形量增大,<0001>取向的晶粒逐漸減少,同時(shí)發(fā)現(xiàn)少量孿晶,可以得知TA2純鈦板單道次輥彎成形孿生參與協(xié)調(diào)塑性變形。在終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著道次數(shù)增加,<0001>取向的晶粒逐漸增多,2道次與3道次產(chǎn)生少量異常長大晶粒,同時(shí)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(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)少量孿晶,多道次輥彎成形產(chǎn)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(duì)TA2純鈦板擇優(yōu)取向的影響,對(duì)TA2純鈦板輥彎成形的織構(gòu)進(jìn)行檢測,得到TA2鈦合金板材{0001}極圖,如圖10所示,試樣均呈現(xiàn)基面雙峰織構(gòu),主要織構(gòu)為{101-0}<0001>,輥彎成形實(shí)驗(yàn)中TA2純鈦板織構(gòu)取向基本不變,只是強(qiáng)度和對(duì)稱度發(fā)生變化。在單道次輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,單道次10°成形試樣的織構(gòu)雙峰峰值差值較小,織構(gòu)強(qiáng)度最大值為13.09,隨著設(shè)計(jì)角度的增大,單道次20°成形試樣的織構(gòu)雙峰峰值差值增大,織構(gòu)強(qiáng)度最大值為14.04,單道次30°成形的織構(gòu)雙峰峰值差值最大,第2峰近乎消失,織構(gòu)強(qiáng)度最大值為20.31。在終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,對(duì)比單道次30°成形樣品,2道次10°-30°成形的織構(gòu)雙峰差值減少,3道次10°-20°-30°成形的織構(gòu)雙峰差值最小,織構(gòu)強(qiáng)度最大值分別為18.82和12.30。
綜合上述織構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),在單道次輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著設(shè)計(jì)角度增大,基面織構(gòu)雙峰向單峰轉(zhuǎn)變,織構(gòu)強(qiáng)度逐漸增大。在終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,隨著道次數(shù)的增加,基面織構(gòu)單峰再次轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰,織構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低。
為了進(jìn)一步探究TA2純鈦板輥彎成形回彈的微觀機(jī)理,對(duì)TA2純鈦板輥彎成形進(jìn)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(jié)了α結(jié)構(gòu)鈦室溫下常見的孿晶與取向,通過旋轉(zhuǎn)角與旋轉(zhuǎn)軸可以區(qū)分晶界類型,由此可知單道次20°與30°成形產(chǎn)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(dǎo)致孿生現(xiàn)象不明顯。在終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,對(duì)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(chǎn)生的孿晶會(huì)抑制二次變形的孿生[18-19],在多道次輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,由于多道次輥彎成形反復(fù)加載-卸載,產(chǎn)生的拉伸、壓縮和剪切等綜合應(yīng)變較為復(fù)雜[20],新孿晶的產(chǎn)生受到抑制,而單道次產(chǎn)生的孿晶由于復(fù)雜的變形機(jī)制逐漸消失,最終導(dǎo)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(yīng)變分布情況,進(jìn)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(yàn)中,設(shè)計(jì)角度為10°時(shí),位錯(cuò)密度最大,隨著設(shè)計(jì)角度增大,TA2純鈦板位錯(cuò)密度逐漸減小,SOFINOWSKIK等[21]指出在純鈦板材在拉伸過程中應(yīng)變量達(dá)到3.5%時(shí),可移動(dòng)位錯(cuò)密度達(dá)到飽和。本文研究發(fā)現(xiàn),TA2純鈦板在單道次輥彎成形10°時(shí),位錯(cuò)密度已經(jīng)達(dá)到峰值,而對(duì)于單道次20°、30°成形,隨著設(shè)計(jì)角度增大,變形量增大,位錯(cuò)密度逐漸降低導(dǎo)致卸載后內(nèi)應(yīng)力難以通過位錯(cuò)滑移進(jìn)行釋放,板材應(yīng)變硬化增強(qiáng),回彈逐漸降低,顯微硬度逐漸增大。在終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形試驗(yàn)中,隨著道次數(shù)的增加,變形量遞增使板材在道次間發(fā)生彈性回復(fù),在下一道次重新加載進(jìn)入塑性變形,反復(fù)加載-卸載使板材應(yīng)變逐道次累加[22],位錯(cuò)密度逐漸增大,卸載后板材通過位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的彈性回復(fù)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(fā)現(xiàn),在TA2純鈦板終設(shè)計(jì)角度30°輥彎成形實(shí)驗(yàn)中,單道次成形30°回彈最小、位錯(cuò)密度最低,這是由輥彎成形特有的工藝特點(diǎn)決定的。
4、結(jié)論
(1)對(duì)于TA2純鈦板單道次輥彎成形,隨著設(shè)計(jì)角度增大,回彈逐漸減小,顯微硬度逐漸增大,孿生參與協(xié)調(diào)塑性變形,產(chǎn)生少量85°/<101-2>拉伸孿晶,基面織構(gòu)雙峰向單峰轉(zhuǎn)變,織構(gòu)強(qiáng)度逐漸增大,變形量逐漸增大而位錯(cuò)密度逐漸降低是回彈降低的主要原因。
(2)對(duì)于TA2純鈦板多道次輥彎成形,隨著道次數(shù)增加,回彈逐漸增大,而硬度逐漸降低,孿生現(xiàn)象消失,基面織構(gòu)單峰再次轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰,織構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低,位錯(cuò)密度逐漸增大,這是由于變形量遞增,反復(fù)加載卸載后通過位錯(cuò)滑移產(chǎn)生彈性回復(fù)逐漸增大,導(dǎo)致回彈與硬度發(fā)生明顯變化,這是由輥彎成形所特有的工藝特點(diǎn)決定的。
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