【摘 要】
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随着我国航空航天技术的发展,作为运载火箭上面级的通用平台,大尺寸钛合金环形燃料贮箱的研发生产需求已极为迫切。目前,大尺寸钛合金环形燃料贮箱采用多段环壳件拼焊的方法制造,而其环壳件具有复杂曲面结构和极高的装配精度要求,采用传统热成形工艺存在吸氧吸氢、生产周期长、设备与制造成本高等问题。脉冲电流辅助拉深成形工艺可以利用焦耳热效应和电致塑性效应在环壳拉深过程中有效降低成形载荷、提高成形极限,同时能够实现
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随着我国航空航天技术的发展,作为运载火箭上面级的通用平台,大尺寸钛合金环形燃料贮箱的研发生产需求已极为迫切。目前,大尺寸钛合金环形燃料贮箱采用多段环壳件拼焊的方法制造,而其环壳件具有复杂曲面结构和极高的装配精度要求,采用传统热成形工艺存在吸氧吸氢、生产周期长、设备与制造成本高等问题。脉冲电流辅助拉深成形工艺可以利用焦耳热效应和电致塑性效应在环壳拉深过程中有效降低成形载荷、提高成形极限,同时能够实现高效、短流程、少无氧化成形制造,因此本文面向大尺寸TC4合金环壳件研发了脉冲电流辅助拉深工艺方法,并开展这一过程的全流程仿真分析与装备设计,并通过仿真与工艺试验相结合的方法开展TC4合金环壳件脉冲电流辅助拉深成形规律研究。本课题基于ABAQUS Electromagnetic模块建立了TC4合金环壳件电脉冲辅助拉深成形的电-热-结构耦合有限元模型。通过仿真分析对环壳件在成形过程中的温度场、应力应变场的时空分布规律进行分析,发现拉深过程中TC4合金环壳在内、外缘侧壁中心区域分别产生较为显著的切向压应力、切向拉应力集中,成为失稳起皱敏感区域。环壳件拉深过程中易出现其内缘侧壁悬空区起皱、外缘侧壁悬空区减薄以及卸载回弹等成形缺陷,这些缺陷产生的原因主要是拉深压边力、拉深模间隙等工艺参数的范围选择及组合匹配出现问题,比如单位压边力小于5MPa时环壳件会出现起皱、拉深模间隙小于0.9mm时板料减薄过于严重,需要研究电脉冲辅助拉深成形中不同工艺参数对环壳件成形质量的影响规律。研究了电辅助拉深过程中不同电流工艺参数（电流密度、电流加载方向）对环壳件成形质量的影响。研究结果表明电流密度通过改变板料拉深过程中的温度区间从而影响钛合金的流动阻力,电流密度越高、成形温度越高、流动阻力降低,回弹量和减薄率越低,回弹量、减薄率最低能够降低到0.012m、4.47%,在物理实验中通过对拉深模具的结构尺寸进行回弹补偿,可以保证环壳件的成形精度;不同的电流加载方向对板料拉深过程的影响较小,但纵向的电流可在一定程度上降低减薄率。在通电加热阶段使用纵向电流方向并且提高电流密度到10A/mm~2以上,对于环壳件的回弹和减薄可以有一定程度的改善。针对拉深过程中其他的工艺参数,板料随凹模圆角半径的增大,回弹量和减薄率降低;随拉深模间隙的增加,回弹增加而减薄率降低;随单位压边力的增加,回弹降低而减薄率增加。以电流密度、凹模圆角半径、拉深模间隙以及单位压边力作为设计变量,以环壳件的回弹量和减薄率的最佳匹配为目标,建立了多目标的优化数学模型。以BP神经网络预测模型作为优化算法的知识源,将人工神经网络与修正的遗传算法相结合,对拉深过程的各项工艺参数进行优化。得到最优组合为电流密度10.98A/mm~2,单位压边力11.96MPa,凹模内、外缘圆角半径分别为12、14mm,拉深模间隙为1.03mm。设计并加工组装了电辅助拉深模具的工装,开展了环壳件电脉冲辅助加热拉深工艺试验,验证了拉深模具与电流施加方式的可行性。
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