1、 基本材料選取
材料：鈦合金 TC4 材料的組成為 Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，圖 1 所示為其組織。
化學(xué)成分如下：
2、 材料基本性能簡(jiǎn)介
具有良好的綜合力學(xué)機械性能，使用溫度為 300~350℃。比強度大。TC4 的強度 sb=1.012GPa，密度 g=4.4×103，比強度sb/g=23.5，而合金鋼的比強度 sb/g 小于 18。 鈦合金熱導率低。 鈦合金的熱導率為鐵的 1/5、鋁的 1/10，TC4 的熱導率 l=7.955W/m·K。與一般鈦合金相比，鈦鋁金屬間化合物的最大優(yōu)點(diǎn)是在較高的溫度條件下仍能保持良好的機械性能和耐腐蝕性能，其中部分合金的最高使用溫度達到 816℃，個(gè)別合金使用溫度達到 982℃，重量輕，耐高溫，高強度，抗蠕變性能好使其成為未來(lái)海洋裝備和航空裝備最具競爭力的材料。鈦無(wú)毒、無(wú)重金屬析出，強度高且具有和人體較好的生物相容性，是非常理想的醫用金屬材料，例如人體的骨關(guān)節，連接件，固定板等可用作植入人體的植入物等。目前，在醫學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是 Ti-6Al-4v ELI 合金。
3 、材料應變、時(shí)間和溫度的模擬關(guān)系
應變和溫度的關(guān)系，在 815℃速率和流變峰值應變圖如圖2：
初始應變速率為 5×10-3s-1、溫度為 900℃，分別保溫5，10，15min 進(jìn)行拉伸試驗獲得如下應變與應力的相應的曲線(xiàn)如圖 3 所示。
如圖 3 所示：在試驗高溫過(guò)程的拉伸，材料由于相應的應變所對應的應力先是很快達到頂值，然后又逐漸下降；并且隨著(zhù)對應應變的增加，后期曲線(xiàn)逐漸變得平緩。保溫時(shí)間為 0~16min 范圍內，應變應力曲線(xiàn)在短時(shí)間內變化很大，圖形形成急速上升。
4、 建立數學(xué)模型及模具相關(guān)參數的模擬選取
在建立有限元模擬狀態(tài)之中，建立了合金材料模擬變形的變動(dòng)應力，與宏觀(guān)熱力參數之間的關(guān)系，為了獲得相應的數值模擬最終狀態(tài)數據尤為關(guān)鍵。文章通過(guò)對比指數模擬，串聯(lián)
模擬，以及并聯(lián)模型 Johnson-Cook，還有 Kumar 5 種高溫基本類(lèi)型關(guān)系的經(jīng)驗公式，對高溫拉伸試驗數據的收集整理，最終采用 Kumar 模型在溫度為：850~930℃，變化速率為：4×10-4~1×10-2s-1，實(shí)際應變?yōu)檎鎸?shí)變形的范圍內，模擬建立了合金的高溫本構方程的數學(xué)表達式如下：
氣壓成形是建立在高溫前提下的變形過(guò)程，模具和工件在溫度變化的同時(shí)會(huì )發(fā)生熱脹冷縮的現象，并且考慮兩種材料的膨脹系數不同，變形量有差異，通過(guò)對比各類(lèi)高溫模具材
料不同溫度下的力學(xué)性能，特別是合金與這些材料的線(xiàn)膨脹系數進(jìn)行比較后。最后將選擇 Ni7N 即 ZG35Cr24Ni7SiN 作為T(mén)C4 氣壓成形模具材料。并依據兩者的高溫的機械性能參數和大型模具設計的經(jīng)驗數據，確定模具型面的縮放系數為6%。
聯(lián)立以上可求模具內徑，加工氣壓。
在此基礎上根據 FEA 的計算結果，確定了上下模具的結構和尺寸。以上設計不考慮鈦管加工減薄量和加工過(guò)程是恒溫。
5、 結論
通過(guò)以上模擬計算和模具的模擬設計研究，為制造強度高，公差要求嚴的零部件提供了一種新的成型方案。
相關(guān)鏈接
