王雪聽(tīng)，劉 東，楊知碩，楊艷慧

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 前言

減重和可靠性一直是飛機(jī)的發(fā)展方向。為滿足這一要求，需要減少飛機(jī)機(jī)體零件重量，選用比強(qiáng)度高的材料。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件作為飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外形的主要組成部分，其重量的減輕將大大提高飛機(jī)飛行效率。鈦合金因其強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)，成為飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件的重要選材。鈦合金整體結(jié)構(gòu)件既能滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件對(duì)強(qiáng)度和耐蝕性等的要求，又能從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上達(dá)到減重的目的，具有很好的發(fā)展前景。

整體結(jié)構(gòu)件中的隔框、大梁等通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不具有明顯的對(duì)稱關(guān)系，較多的筋、輻板以及局部凸臺(tái)是其主要特征。這類鍛件投影面積大、成形載荷高、材料流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，容易發(fā)生充填不滿、渦流、穿流、拉縮等宏觀缺陷［1-2］。文獻(xiàn)［3］根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況定性地闡述了這類缺陷的特征、產(chǎn)生原因及其預(yù)防措施。文獻(xiàn) ［4-5］對(duì)等溫鍛中的復(fù)雜盤(pán)形鍛件成形缺陷進(jìn)行了定性研究。本文利用曲率對(duì)整體結(jié)構(gòu)件成形過(guò)程中坯料的流線進(jìn)行分析，并定量分析由流線分布引起的缺陷產(chǎn)生原因。

1 曲率

曲線的曲率即曲線上的某點(diǎn)的切線方向角對(duì)弧長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)率，可通過(guò)微分來(lái)定義。它表明曲線偏離直線的程度。數(shù)學(xué)上，曲率表明曲線在某一點(diǎn)的彎曲程度的數(shù)值。曲率越大，表示曲線的彎曲程度越大。曲率可按式 (1)確定:

式中，K為曲率;y′為曲線的一階導(dǎo)數(shù);y″為曲線的二階導(dǎo)數(shù)。

2 鍛件流線質(zhì)量的評(píng)價(jià)

鍛造時(shí)，金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬主要伸長(zhǎng)方向呈碎粒狀或鏈狀分布。塑性雜質(zhì)隨著金屬變形沿主要伸長(zhǎng)方向呈帶狀分布。因此熱鍛后的鍛件低倍組織中可見(jiàn)鍛造流線，又叫纖維組織。流線使金屬性能呈各向異性［6］，使鍛件的塑性和韌性在縱向上增加，在橫向上降低，而強(qiáng)度在不同方向上差別不大。為提高結(jié)構(gòu)件的可靠性和使用壽命，力求零件工作時(shí)的最大正應(yīng)力方向與流線方向平行，最大切應(yīng)力方向與流線方向垂直，流線的分布與零件外輪廓相符而不被切斷。為了評(píng)價(jià)鍛件內(nèi)流線分布情況，本文將采用DEFORM-2D有限元軟件對(duì)典型截面成形過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)成形過(guò)程中坯料內(nèi)流線曲率與模具外形曲率進(jìn)行對(duì)比，以揭示大型框鍛件成形過(guò)程中的渦流、穿流等缺陷產(chǎn)生的原因。

3 試驗(yàn)方案

針對(duì)具有筋和腹板的整體結(jié)構(gòu)件，設(shè)計(jì)了一典型截面 (圖1)，腹板厚度δ、筋間距L、筋寬W、筋高H、筋根圓弧半徑R、筋頂圓弧半徑r和拔模斜度n作為其特征尺寸。為了討論腹板厚度δ、筋寬W和筋根圓弧半徑R對(duì)結(jié)構(gòu)件成形過(guò)程的影響，采用表1所示的兩水平三因素表，確定了5個(gè)試驗(yàn)方案 (表2)。

在模擬過(guò)程中，選擇平面應(yīng)變進(jìn)行模擬。工件材料為T(mén)C4，初始溫度為950℃;模具材料為5CrNiMo，溫度為270℃。環(huán)境溫度20℃，摩擦系數(shù)為0．3，工件與模具之間的換熱系數(shù)設(shè)定為2000 W/(m2·K)，工件與環(huán)境的換熱系數(shù)為 20 W/(m2·K)。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table mm

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Scheme of experiment

4 模擬分析

4.1 成形過(guò)程中鍛件內(nèi)流線分布

以方案1為例，分析成形過(guò)程中流線分布情況 (圖3)。從圖3a可以看出，當(dāng)壓下量為15 mm時(shí)，四根筋對(duì)應(yīng)的模腔均未填充完整，金屬流線比較順暢平滑，沿著鍛件輪廓線分布。隨著壓下量增加，在Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)和Ⅲ號(hào)筋剛好填充完整時(shí) (圖3b)，流線與鍛件外形仍基本保持一致。此后，隨著壓下量繼續(xù)增大，Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)和Ⅲ號(hào)筋的模具型腔已經(jīng)填充完整，金屬無(wú)法沿縱向流動(dòng)，多余的金屬只能沿著腹板橫向流動(dòng)，而由于型槽的限制，在筋的根部金屬會(huì)產(chǎn)生劇烈的相對(duì)流動(dòng)。從圖3c可看出，Ⅱ號(hào)筋根部流線已經(jīng)產(chǎn)生明顯的彎曲，Ⅲ號(hào)筋根部的流線發(fā)生劇烈彎曲。隨著過(guò)程的進(jìn)行，筋根部金屬相對(duì)流動(dòng)更加劇烈，腹板部位金屬的橫向流動(dòng)將筋部初始填充的金屬擠向筋外側(cè)的死角，形成渦流 (圖3d中Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)筋)。隨著壓下量繼續(xù)增加，由于四根筋都已經(jīng)填充完整，多余的金屬會(huì)沿著腹板橫向發(fā)生劇烈的流動(dòng)，導(dǎo)致流線貫穿筋根部，形成穿流(圖3e中Ⅲ號(hào)和Ⅳ號(hào)筋)。

總體來(lái)看，Ⅰ號(hào)筋流線分布比較理想，Ⅱ號(hào)筋根部流線彎曲劇烈，有渦流的趨勢(shì);Ⅲ號(hào)筋和Ⅳ號(hào)筋根部流線發(fā)生劇烈彎曲，并貫穿筋根部，形成穿流。比較不同筋處流線分布形態(tài)可以看出，越靠近飛邊槽的筋，筋根部腹板處金屬橫向流動(dòng)越劇烈，越容易產(chǎn)生穿流。

圖3 方案1典型截面成形過(guò)程中流線分布情況Fig.3 Flow line distribution during forming process of case 1

為進(jìn)一步分析成形過(guò)程中流線變化規(guī)律，考察與坯料外表面的距離為筋寬的10%的流線。圖4給出了方案1中該流線隨壓下量的變化情況。從圖可以看出，壓下量為19.3 mm時(shí)，流線比較順暢平滑;壓下量為21.2 mm時(shí)，在筋根部位流線發(fā)生彎曲并產(chǎn)生不同程度的橫向移動(dòng)，Ⅲ號(hào)筋處橫向移動(dòng)最大。Ⅱ號(hào)筋和Ⅳ號(hào)筋處的橫向移動(dòng)較小。壓下量為22 mm時(shí)，筋根部位的流線橫向移動(dòng)的距離更大，其中Ⅲ號(hào)筋處已經(jīng)貫穿筋底，Ⅳ號(hào)筋處移動(dòng)距離約為筋寬的一半。

圖4 方案1典型截面中特征流線變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of flow line with time for case 1

為了研究筋根處流線與鍛件外形之間的關(guān)系，在每個(gè)筋根處流線上選取50個(gè)樣點(diǎn)，如圖5所示。分析流線上樣點(diǎn)的曲率變化情況。

圖5 流線上的樣點(diǎn)Fig.5 Sample points on flow line

圖6給出了流線上樣點(diǎn)的曲率變化情況。理想曲率即為模具輪廓線曲率。從圖可以看出，隨著壓下量增大，Ⅲ號(hào)筋和Ⅳ號(hào)筋的曲率波動(dòng)最大、Ⅰ號(hào)筋變化最小。從整體看，Ⅰ號(hào)筋筋根左側(cè)流線的曲率值接近模具圓角處曲率，表明Ⅰ號(hào)筋處流線形狀與鍛件外形基本一致，其余筋根的曲率有明顯的波動(dòng)，最大曲率值已經(jīng)達(dá)到8左右，偏離鍛件的外形很多，尤其在壓下量最大時(shí)，Ⅲ號(hào)筋處發(fā)生明顯的穿筋現(xiàn)象。

4.2 筋根圓弧半徑R對(duì)流線的影響

以方案2和方案4為例分析筋根圓弧半徑R對(duì)流線的影響。圖7和圖8分別為筋根圓弧半徑R對(duì)流線分布和流線曲率的影響?？梢钥闯?，筋根圓弧半徑R越小，流線發(fā)生彎曲的位置越接近腹板，筋根處流線橫向移動(dòng)距離越長(zhǎng)，曲率波動(dòng)越大，從而產(chǎn)生穿流的可能越大。這是因?yàn)榻罡鶊A弧半徑R越小，腹板部位金屬與筋部金屬的相對(duì)流動(dòng)越劇烈;筋根圓弧半徑R較大時(shí)，腹板部位金屬會(huì)帶動(dòng)筋根部金屬流動(dòng)，減小了腹板金屬與筋部金屬相對(duì)流動(dòng)。

4.3 筋寬W對(duì)流線分布的影響

以方案3和方案5為例分析筋寬對(duì)流線的影響。圖9和圖10分別為筋寬W對(duì)流線分布和流線曲率的影響?？梢钥闯?，筋寬越小，筋根處流線橫向移動(dòng)距離越長(zhǎng)、流線曲率越大，產(chǎn)生穿流的可能性越大。這是因?yàn)榻顚捲叫?，腹板處金屬?duì)筋部金屬流動(dòng)性影響越小，腹板金屬與筋部金屬的相對(duì)流動(dòng)越劇烈。

4.4 腹板厚度δ對(duì)流線的影響

以方案1和方案2為例分析腹板厚度δ對(duì)流線的影響。圖11和圖12分別為腹板厚度δ對(duì)流線分布和流線曲率的影響?？梢钥闯?，腹板厚度越小，筋根流線橫向移動(dòng)距離越長(zhǎng)、流線曲率越大，流線與鍛件外形差異越大，產(chǎn)生穿流的可能性越大。這是因?yàn)楦拱搴穸仍叫?，變形后期，腹板部位金屬橫向流動(dòng)越劇烈，從而使得腹板金屬與筋部金屬的相對(duì)流動(dòng)越劇烈。

圖11 腹板厚δ對(duì)流線的分布影響Fig.11 Effect of web thickness δ on flow line ditribution

圖12 腹板厚δ對(duì)筋根處流線曲率的影響Fig.12 Effect of web thickness δ on flow line curvature

5 結(jié)論

(1)在多筋鍛件成型過(guò)程中，鍛件中間的筋首先充滿，坯料向外側(cè)流動(dòng)，邊緣的筋最后充滿。筋全部充滿后，多余的坯料將發(fā)生劇烈的橫向流動(dòng)。

(2)多數(shù)筋充滿后，在坯料未發(fā)生劇烈橫向流動(dòng)前，流線沿鍛件外形分布，流線曲率與鍛件曲率值基本一致。

(3)在坯料發(fā)生橫向流動(dòng)后，坯料筋根部位流線的曲率發(fā)生明顯的波動(dòng)，波動(dòng)越大越容易發(fā)生拉縮、穿筋等缺陷。

(4)筋根圓弧半徑R越小、筋寬越小、腹板越薄，筋根流線橫向移動(dòng)距離越長(zhǎng)，筋根處流線曲率波動(dòng)越大，容易產(chǎn)生穿流等缺陷。

(5)為使鍛件流線與模具型腔符合以及防止拉縮和穿流等缺陷發(fā)生，應(yīng)合理設(shè)計(jì)鍛件，并嚴(yán)格控制坯料體積。

［1］ 韓勇，湯立民．大型航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工裝備與先進(jìn)加工技術(shù) ［J］．航空制造技術(shù)．2009，(1):44－47．

［2］ 楊建勇，湯立民，楚王偉．大型航空結(jié)構(gòu)件精確制造技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］．航空精密制造術(shù)．2000，45(2):34－35．

［3］ 陳詩(shī)蓀．鋁合金鍛件的渦流、穿流和低倍粗晶［J］．熱加工工藝．1980(04):28－35．

［4］ Yanqiu Zhang，Debin Shan，F(xiàn)uchang Xu．Flow lines control of disk structure with complex shape in isothermal precision forging ［J］． Mater． Process．Technol．(2009)745 －753．

［5］ Debin Shan，Yanqiu Zhang，Yong，Wang．Defect analysis of complex－shape aluminum alloy forging［J］． Trans． NonferrousMet． Soc． China 16(2006):s1574－1579．

［6］ 韓彩霞，工程材料與材料成形工藝 ［M］．天津大學(xué)出版社，2010:206－207．