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引言：本文在室温下对TC2钛合金板料做杯形件拉深成形工艺实验。结果表明：TC2钛合金杯形件拉深的失效方式主要有凸模圆角部位拉裂、筒壁拉裂和凸缘起皱现象。对几种失效方式的原因分析表明：凸模圆角区拉裂主要是因为在凸模圆角区附近板厚减薄最严重造成的；杯壁拉裂更多受外在的工艺因素影响，包括压边力的设定等；凸缘起皱现象主要由于面内各向异性性质使得拉深变形各区域的应力应变分布不均匀，导致了杯形件在拉深成形中的起皱现象。
TC2合金是一种中等强度、高塑性近α型钛合金，含有4%α稳定元素Al和1.5%β稳定元素Mn。合金在室温平衡状态下由α相和少量β相组成，β相的含量一般为2%-4%。该合金板材在热态和室温下有较好的成形性，具有较高的热稳定性，适合用来制造飞机机翼、安定面、襟翼、机翼内部受力构件及其他焊接结构件，在航空航天工业中获得了广泛应用[1-3]，尤其是大规格TC2合金板可以减少焊缝数量， 在航空工业中具有更迫切的需要。
一、实验
合金利用真空自耗电弧炉熔炼，采用一次真空、二次充氩熔炼工艺，制备出Φ520mm的成品铸锭。其相变点为965±10℃。铸锭在西部钛业大吨位快锻机上制备成厚度为220mm的板坯，利用西部钛业有限责任公司2800mm热轧机轧制成5mm厚TC2板材。将制备好的5mm厚TC2坯料在西部钛业有限责任公司的1780mm六辊可逆冷轧机组上进行冷轧变形，变形率分别为5%～45%，然后对冷轧变形后的试样进行了加热温度为780℃，保温3h的真空退火热处理。再从热处理后的板材上取直径为100mm的试样，在室温下利用自制模具进行杯形件拉深成形工艺试验。
二、实验结果与讨论
2.1 TC2钛合金杯形件拉深的主要失效方式
TC2钛合金杯形件拉深失效方式主要有凸模圆角区拉裂、筒壁拉裂和凸缘起皱现象，如图2所示。无论拉裂还是起皱，都是决定拉深工艺成败的关键，是杯形件拉深常见的失效方式[4-6]。
a b c
图2 几种TC2钛合金杯形件拉深成形主要失效方式
（a） 凸模圆角区拉裂；（b）筒壁拉裂；（c）凸缘起皱现象
2.2主要失效方式原因分析
这几种失效方式都发生在拉深的主要变形阶段，其中凸模拉裂是由于杯形件简壁危险断面处最大拉应力超过了材料的承载能力引起的。对1mm厚TC2薄板拉深后杯形件壁厚进行测量，其分布规律曲线如图3所示，板料拉深成形后的杯形件壁厚沿轴向分布呈现出一定的规律性，拉深件杯口部位（8号位置）是厚度增加最大的位置，往下逐渐减小，过了筒壁接近6号部位后板厚由增加转为减小，在凸模圆角区附近（即4号位置，筒壁直段与底部圆角相切的部位）板厚减薄最严重，而在杯形件底部区域（1、2号位置）壁厚基本保持不变。由于杯形件杯壁的4号位置与凸模的有效摩擦最少，甚至完全与凸模没有接触，因此该位置板材壁厚减薄最严重。一旦拉深成形中最大拉应力超过了杯壁部位抗拉能力，就会在此处发生破裂失效现象。
图3 拉深成形后壁厚分布规律曲线
而导致杯壁拉裂的主要是很多的外在因素，主要包括：（1）压边力过大，也会使杯壁的拉应力过大导致拉裂；（2）凹模圆角设计半径过小，导致板料通过凹模圆角时附加拉应力过大：（3）毛料的变形过大，超过其承受极限。为使杯形件拉深成形可以顺利进行，杯壁材料不发生破裂，则杯壁所受的最大拉应力应不得超过材料的承载极限。
起皱是凸缘区材料在受到切向压应力失稳产生的。在变形过程中，冲压毛料的外部边缘部分是压缩的变形区，通常称作法兰区。如果法兰区产生的压缩变形不均匀，在法兰上就会产生切向的压应力，并可能引起法兰部分的起皱。
TC2钛合金均具有近α型显微组织，属于密排六方晶格，有很大的轧制织构倾向，所以轧制后的板料各向异性非常突出，而面内各向异性性质使得拉深变形各区域的应力应变分布不均匀，从而在沿圆周不同方向上表现出来的变形程度不同，直接导致了杯形件在拉深成形中形成壁厚不均匀分布和起皱现象。
三、结论
1）TC2钛合金板材杯形件拉深失效方式主要有凸模圆角区拉裂、筒壁拉裂和凸缘起皱现象。
2）凸模圆角区拉裂主要是因为在凸模圆角区附近（严格来说是筒壁直段与底部圆角相切的部位）板厚减薄最严重造成的。
3） 杯壁拉裂更多受外在的工艺因素影响，包括压边力的设定等。
4）凸缘起皱现象主要由于面内各向异性性质使得拉深变形各区域的应力应变分布不均匀，从而在沿圆周不同方向上表现出来的变形程度不同，导致了杯形件在拉深成形中的起皱现象。
参考文献
[1]理有亲，林兆荣，陈春奎. 钛板冲压成形技术[M]，北京：国防工业出版社，1986.8-9.
[2]赵永庆，奚正平，曲恒磊，等.我国航空用钛合金材料研究现状[J].航空材料学报，2003，10（23）：215.
（作者单位：西部钛业有限责任公司）
TC2合金是一种中等强度、高塑性近α型钛合金，含有4%α稳定元素Al和1.5%β稳定元素Mn。合金在室温平衡状态下由α相和少量β相组成，β相的含量一般为2%-4%。该合金板材在热态和室温下有较好的成形性，具有较高的热稳定性，适合用来制造飞机机翼、安定面、襟翼、机翼内部受力构件及其他焊接结构件，在航空航天工业中获得了广泛应用[1-3]，尤其是大规格TC2合金板可以减少焊缝数量， 在航空工业中具有更迫切的需要。
一、实验
合金利用真空自耗电弧炉熔炼，采用一次真空、二次充氩熔炼工艺，制备出Φ520mm的成品铸锭。其相变点为965±10℃。铸锭在西部钛业大吨位快锻机上制备成厚度为220mm的板坯，利用西部钛业有限责任公司2800mm热轧机轧制成5mm厚TC2板材。将制备好的5mm厚TC2坯料在西部钛业有限责任公司的1780mm六辊可逆冷轧机组上进行冷轧变形，变形率分别为5%～45%，然后对冷轧变形后的试样进行了加热温度为780℃，保温3h的真空退火热处理。再从热处理后的板材上取直径为100mm的试样，在室温下利用自制模具进行杯形件拉深成形工艺试验。
二、实验结果与讨论
2.1 TC2钛合金杯形件拉深的主要失效方式
TC2钛合金杯形件拉深失效方式主要有凸模圆角区拉裂、筒壁拉裂和凸缘起皱现象，如图2所示。无论拉裂还是起皱，都是决定拉深工艺成败的关键，是杯形件拉深常见的失效方式[4-6]。
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图2 几种TC2钛合金杯形件拉深成形主要失效方式
（a） 凸模圆角区拉裂；（b）筒壁拉裂；（c）凸缘起皱现象
2.2主要失效方式原因分析
这几种失效方式都发生在拉深的主要变形阶段，其中凸模拉裂是由于杯形件简壁危险断面处最大拉应力超过了材料的承载能力引起的。对1mm厚TC2薄板拉深后杯形件壁厚进行测量，其分布规律曲线如图3所示，板料拉深成形后的杯形件壁厚沿轴向分布呈现出一定的规律性，拉深件杯口部位（8号位置）是厚度增加最大的位置，往下逐渐减小，过了筒壁接近6号部位后板厚由增加转为减小，在凸模圆角区附近（即4号位置，筒壁直段与底部圆角相切的部位）板厚减薄最严重，而在杯形件底部区域（1、2号位置）壁厚基本保持不变。由于杯形件杯壁的4号位置与凸模的有效摩擦最少，甚至完全与凸模没有接触，因此该位置板材壁厚减薄最严重。一旦拉深成形中最大拉应力超过了杯壁部位抗拉能力，就会在此处发生破裂失效现象。
图3 拉深成形后壁厚分布规律曲线
而导致杯壁拉裂的主要是很多的外在因素，主要包括：（1）压边力过大，也会使杯壁的拉应力过大导致拉裂；（2）凹模圆角设计半径过小，导致板料通过凹模圆角时附加拉应力过大：（3）毛料的变形过大，超过其承受极限。为使杯形件拉深成形可以顺利进行，杯壁材料不发生破裂，则杯壁所受的最大拉应力应不得超过材料的承载极限。
起皱是凸缘区材料在受到切向压应力失稳产生的。在变形过程中，冲压毛料的外部边缘部分是压缩的变形区，通常称作法兰区。如果法兰区产生的压缩变形不均匀，在法兰上就会产生切向的压应力，并可能引起法兰部分的起皱。
TC2钛合金均具有近α型显微组织，属于密排六方晶格，有很大的轧制织构倾向，所以轧制后的板料各向异性非常突出，而面内各向异性性质使得拉深变形各区域的应力应变分布不均匀，从而在沿圆周不同方向上表现出来的变形程度不同，直接导致了杯形件在拉深成形中形成壁厚不均匀分布和起皱现象。
三、结论
1）TC2钛合金板材杯形件拉深失效方式主要有凸模圆角区拉裂、筒壁拉裂和凸缘起皱现象。
2）凸模圆角区拉裂主要是因为在凸模圆角区附近（严格来说是筒壁直段与底部圆角相切的部位）板厚减薄最严重造成的。
3） 杯壁拉裂更多受外在的工艺因素影响，包括压边力的设定等。
4）凸缘起皱现象主要由于面内各向异性性质使得拉深变形各区域的应力应变分布不均匀，从而在沿圆周不同方向上表现出来的变形程度不同，导致了杯形件在拉深成形中的起皱现象。
参考文献
[1]理有亲，林兆荣，陈春奎. 钛板冲压成形技术[M]，北京：国防工业出版社，1986.8-9.
[2]赵永庆，奚正平，曲恒磊，等.我国航空用钛合金材料研究现状[J].航空材料学报，2003，10（23）：215.
（作者单位：西部钛业有限责任公司）