渐变曲率Inconel718厚板热弯曲成形精度与表面质量控制

高 鹏， 张凯锋， 蒋少松

(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001)

Inconel718作为一种时效强化的镍基高温合金，具有高温强度好、稳定性优、成形及焊接性能佳的特点［1～3］，在工业领域得到广泛应用［4，5］。而高温合金厚板零件除具备合金本身的优点外，还因其自身结构特点而具有刚度高、耐磨损等特点，因而越来越受到航空、航天等领域的重视。厚板零件在成形过程中，由于变形载荷大，内外表面应力梯度大，冷成形困难，通常采用高温成形。同时，高温成形后的组织性能对高温合金成形件的质量具有重要影响［6～9］。因此，高温合金厚板零件的高温成形工艺和质量越来越受到关注。板材弯曲常用工艺是针对截面形状不变的零件来设定的，工艺参数(凸凹模间隙和摩擦系数)通常是固定的。然而在实际应用中，厚板零件的形状多种多样，传统的固定参数已经很难满足越来越复杂的零件成形。因此，研究变截面的厚板弯曲件成形工艺具有实际意义。有限元数值模拟技术在材料成形精度及工艺参数分析等方面已经得到了广泛的应用［10］，对于板材弯曲的成形性分析及参数优化等方面均取得了良好的效果［11］。与工艺实验相比，可有效地降低实验成本及时间。

本研究以具有渐变曲率厚板热弯曲件为背景，采用成形实验与数值模拟相结合的方式，分析了凸凹模间隙及摩擦条件对成形质量的影响规律，提出了渐变凸凹模间隙并辅以渐变摩擦系数的方法，提高了零件成形精度，并且保证了表面质量。通过高温成形实验制得了较高质量的渐变曲率Inconel718厚板弯曲件。

1 实验材料及方法

实验材料采用厚度为12mm的Inconel718热轧板材，其化学成分见表1。图1为厚板弯曲件的制造过程，厚板经90°U形弯曲后得到零件。板材坯料尺寸为700mm×350mm，零件的U形弯曲段外表面的曲率半径由R30渐变为R90。

成形工艺采用带压料弯曲，过程如图2所示。弯曲模具材料选用热作模具钢H13，采用热模具成形，具体工艺为:坯料放入加热炉中加热至成形温度，同时将模具工作表面喷烤至工作温度(约350℃)后，坯料出炉进行热弯曲。

板材分别经950℃，1038℃，1100℃加热后在空气中冷却，制备金相试样与板材原始组织进行对比。截取部分厚板制成外径20mm，内径10mm，高7mm的圆环，分别在无润滑和采用玻璃润滑剂、BN润滑剂、石墨润滑剂等条件下在H13模具钢表面进行圆环压缩法测定摩擦系数μ，温度条件与热弯曲成形一致。初始热弯曲实验设定凸凹模间隙Z为13.2mm，润滑条件为玻璃润滑剂。而后采用Deform 3D数值模拟软件模拟Inconel718厚板不同条件下的成形情况:(1)固定凸模摩擦系数μt与凸凹模间隙Z，改变凹模摩擦系数μb;(2)固定摩擦系数μt与μb，改变凸凹模间隙Z。采用Infinite SC 1.8m激光扫描仪对成形件进行三维外形扫描。采用Geomagic Qualify 7将扫描结果和数值模拟结果与零件设计模型进行对比分析，优化成形参数。最后采用优化后的工艺参数进行热弯曲成形。

表1 Inconel718厚板化学成分(质量分数/%)Table 1 The chemical composition of Inconel718 thick plate(mass fraction/%)

2 实验结果及讨论

2.1 显微组织与摩擦系数

原始Inconel718板材显微组织中晶粒尺寸均匀，约 20 ～30μm。板材坯料经 950℃，1038℃，1100℃加热后的显微组织如图3所示。与原始板材(图3a)对比，经950℃加热后的晶粒尺寸无明显变化，仅有少数晶粒小幅长大(图3b);而经1038℃加热后的板材，长大的晶粒数量明显增多，平均尺寸约为50μm(图3c);当板材经1100℃加热后，晶粒明显长大至100μm左右(图3d)。就材料的力学性能而言，晶粒尺寸越小，强度越高。但就高温成形的难易程度而言，成形温度越低，变形抗力越大，成形难度也越大。在兼顾成形件的力学性能和成形难易的情况下，选取1038℃作为热弯曲温度。

衡量材料成形中摩擦大小的方法中最容易接受的也是最常用的就是圆环压缩法，利用该方法测得的摩擦系数可应用于成形模拟和成形实验［12］。圆环压缩实验过程中，涂抹润滑剂时，采用相同方式在H13模具钢表面均匀涂抹。同种润滑剂厚度一致，圆环试样在进入加热设备前不涂抹润滑剂，记录每种润滑剂涂抹的工具和次数。在实验温度条件与热弯曲成形一致的前提下，H13模具钢表面粗糙度与成形模具工作表面一致。目的是保证相同的实验条件，并为成形实验的润滑做准备。图 4所示为Inconel718圆环压缩实验，由左至右依次为未压缩圆环、无润滑、涂有玻璃润滑剂、BN润滑剂及石墨润滑剂的压缩圆环。经测定，无润滑、玻璃润滑、BN润滑和石墨润滑的摩擦系数 μ 依次为:0.42，0.32，0.25和0.16。摩擦系数及润滑条件作为后续模拟及成形实验的参考依据。

2.2 初始热弯曲实验

一般情况下，较厚板材弯曲成形的最大凸凹模间隙 Zmax可取 1.1δ(δ为板料厚度)［12］，本实验中即为13.2mm;最小凸凹模间隙Zmin不可小于包含正偏差加热后的板材厚度，经计算本实验中 Zmin＞12.5mm，为考虑实际情况取 Zmin=12.6mm。无润滑成形会造成工件划伤，对厚板弯曲件质量不利，不予采用，所以润滑条件从其他三种中选取。

首先固定工艺参数为一初始值，进行厚板热弯曲实验。具体为凸凹模间隙Z=13.2mm，涂覆玻璃润滑剂。需要说明的是成形实验前涂抹润滑剂时，方法与圆环压缩实验相同，即使用相同的涂抹工具和相同的次数在模具表面涂抹同种的润滑剂，坯料在进入加热设备前不涂抹润滑剂。同时，模具工作表面粗糙度与圆环压缩实验H13模具钢表面一致。从而保证热成形实验的摩擦系数尽可能的接近圆环压缩实验的测定值和数值模拟的设定值。弯曲零件如图5所示，可见零件形状良好，并未发生明显回弹。观察图5b所示的零件弯曲段，可见弯曲外表面存在划伤，并且从曲率半径小的一端至曲率半径大的一端，划伤由重变轻。

而后，对弯曲件进行三维外形扫描，并绘制出扫描结果与零件设计模型的外形尺寸误差图，如图6a所示。可见，弯曲件平面部分的外形尺寸精度良好，均达到了0.2mm以内，尺寸偏差主要出现在弯曲部分。图6b所示的是弯曲段长度方向上的最大尺寸偏差，该值可以直接说明厚板的贴模情况，进而反映弯曲件的尺寸精度。与划伤严重程度的变化趋势相反，弯曲段尺寸偏差随着曲率半径的变大而增加。曲率半径小的区域板材贴模情况优于曲率半径大的区域。

对弯曲段划伤及尺寸偏差的变化趋势进行分析。在润滑条件不变的情况下，划伤的严重程度与摩擦强度有关;同时，在凸凹模间隙不变的情况下，摩擦状态也决定了贴模程度。由图2中所示压弯过程可见，凹模与板材间的摩擦力方向与贴模方向一致，是板材贴模的动力，而凸模与板材间的摩擦力方向则与贴模方向相反，对板材贴模起阻碍作用。由此可以得出，若使板材能够更好的贴模，则板材与凸模间的摩擦应尽量小，而与凹模间的摩擦应尽量大。板材与凸模之间可设定为采用石墨润滑剂，摩擦系数约为0.16，这是本实验润滑条件中摩擦系数最小的。反观凹模，如果板材与其之间的摩擦增大，虽然板材的贴模程度会更高，弯曲段的尺寸偏差也更小，但也会导致更严重划伤出现，这对成形质量是不利的。

可根据压弯模具在不同曲率半径位置的凸凹模相对位置关系来分析摩擦强度。图7a所示的是成形前压弯模具与厚板坯料的相对位置，在图7b中可以直观地看清凸凹模之间存在的空间，即曲率半径大的一端的空间大于曲率半径小的一端。图7c，d与图7e，f分别显示了曲率半径大的一端(R90)与曲率半径小的一端(R30)压弯过程中厚板截面变化，可见这两端凸凹模之间所约束的板料直边长度不同，R90端明显小于R30端。而且，作为弯曲件贴模主要驱动力的摩擦力是通过凸凹模对板坯的约束作用而产生的，最终结果是在曲率半径小的一端弯曲件的贴模情况优于曲率半径大的一端，但曲率半径较小的一端表面粗糙度较差。

2.3 数值模拟

将圆环压缩实验的结果应用于数值模拟。如前所述，首先将板材与凸模间的润滑条件设定为摩擦系数最小的石墨润滑(摩擦系数μt=0.16)，在这一前提下板材弯曲时的贴模阻力可降到最小。为改善厚板弯曲时坯料的贴模状态，使弯曲件具有更好的尺寸精度，对固定凸凹模间隙Z而改变凹模摩擦系数μb和固定凹模摩擦系数μb来改变凸凹模间隙Z这两种状态的弯曲成形进行数值模拟分析。

成形模拟的各部分初始温度设定为:坯料1038℃，模具350℃，环境温度为20℃。由于本工作实验部分采用的是热模具成形，为了尽可能接近成形实验的实际情况，模拟段采用非等温模拟，即模拟的各部分相互之间以及各部分与环境进行热交换，温度随着时间进程而改变。模拟采用的应力应变关系表达式为包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦模型的修正Arrhenius公式:

式中:A与α为与变形温度无关的常数;ΔH为变形激活能;R为气体常数;T为绝对温度;n为应力水平因子。其中 R=8.314J·mol－1·K－1，经实验测定 A=7.7 ×1014，α =0.0056，ΔH=421kJ/mol，n=4.01。

图8a所示的是固定凸凹模间隙Z为13.0mm，摩擦系数μb由0.16至0.32时弯曲段长度方向上的最大尺寸偏差。图8b所示的是固定摩擦系数μb为0.25，凸凹模间隙 Z由12.6mm 至13.2mm 时弯曲段长度方向上的最大尺寸偏差。

由模拟结果可见，在实际可选的工艺条件下，当固定摩擦系数而改变凸凹模间隙时，成形件弯曲段的最大尺寸偏差的变化区间要大于固定凸凹模间隙而改变摩擦条件，这样前者就成为调整尺寸偏差的主要手段，而后者可作为辅助手段。

为了改变弯曲段尺寸偏差随曲率半径的变大而增大的情况，得到偏差均匀的弯曲件，可采用渐变凸凹模间隙和摩擦系数的方法来调整各部分的尺寸偏差。方法是:由曲率半径小的一端至曲率半径大的一端，设定凸凹模间隙由大变小，以调整弯曲段尺寸偏差。同时使摩擦系数由小变大，使曲率半径较小处润滑条件好，从而改善弯曲外表面的粗糙度，也可以进一步起到调整尺寸偏差的作用。由于改变摩擦系数对于尺寸偏差的影响不及改变凸凹模间隙，所以在曲率半径小的一端设定较小的摩擦系数不会使尺寸偏差显著增加。具体方法如图9a所示，由曲率半径R30至R90端，凸凹模间隙Z由13.2mm渐变为12.6mm。同时将此方向等分为三部分，如图9b所示，图中A处涂抹石墨，图中B处涂抹BN，而C处为玻璃润滑剂。再次进行成形数值模拟，结果如图9c所示，可见尺寸偏差比较均匀，均控制在0.5mm以内，贴模效果良好，成形精度较高。

图9 渐变凸凹模间隙与摩擦系数 (a)渐变凸凹模间隙;(b)渐变摩擦系数;(c)数值模拟结果Fig.9 The gradual change of gap and friction coefficient (a)the gradual change of gap;(b)the gradual change of friction coefficient;(c)the result of simulation

2.4 热弯曲成形

通过对Inconel718厚板热弯曲过程的数值模拟，得出曲率半径R30至R90端，当凸凹模间隙Z由13.2mm渐变为12.6mm，润滑条件由石墨变为BN，再变为玻璃润滑剂，可模拟成形出尺寸精度较高的厚板弯曲件。采用与数值模拟相同参数进行Inconel718厚板热弯曲成形实验，具体为:成形前厚板坯料加热至1038℃，模具采用喷枪喷烤至350℃。成形件如图10a，b所示。可见，弯曲件形状良好，外表面未出现明显的划痕。经三维型面扫描，尺寸偏差如图10c所示，可见其测量结果与模拟结果相近，尺寸偏差也比较均匀，基本控制在0.5mm以内。

图10 渐变凸凹模间隙与摩擦系数的高温成形 (a)，(b)热弯曲成形件;(c)尺寸偏差Fig.10 The hot bending with gradual change of gap and friction coefficient(a)，(b)the product of hot bending;(c)the dimension deviation

3 结论

(1)采用固定的凸凹模间隙和摩擦条件成形渐变曲率Inconel718厚板零件，由于凸凹模之间所约束的板料直边长度不同，从曲率半径小的一端至曲率半径大的一端，成形件弯曲段尺寸偏差由小变大，外表面划伤由重变轻。

(2)在本实验条件范围内(摩擦系数μ=0.16～0.32，凸凹模间隙 Z=12.6 ～13.2mm)对参数进行调整，改变凸凹模间隙对成形件弯曲段尺寸偏差的影响大于改变摩擦系数的影响。

(3)采用渐变凸凹模间隙并辅以渐变摩擦系数的方法，可有效提高零件成形精度，使成形件弯曲段尺寸偏差均匀，基本在0.5mm以内，并且有效地避免表面划伤，得到高质量的渐变曲率Inconel718厚板弯曲件。

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