文/洪慎章·上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院

鈦合金零件等溫鍛造工藝的應(yīng)用與現(xiàn)狀

文/洪慎章·上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院

金屬材料熱變形的目的是降低材料的變形抗力，提高其塑性，有利于成形過(guò)程的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的熱變形方法是將坯料從加熱爐內(nèi)移至冷?；蝾A(yù)熱的模具中進(jìn)行加工。多數(shù)情況下熱變形時(shí)模具的預(yù)熱溫度遠(yuǎn)低于坯料溫度，在成形過(guò)程中，由于坯料與模具之間的溫差較大，會(huì)使坯料溫度急劇降低，導(dǎo)致材料變形抗力增加，塑性降低。尤其是對(duì)于小型零件或表面積與體積比很大的的帶窄肋、薄腹板的零件，薄壁處溫度下降得非?？?。

在成形過(guò)程中，坯料溫度的降低會(huì)減慢材料的塑性流動(dòng)能力，提高其變形抗力，不但增大設(shè)備功率，增加生產(chǎn)成本，降低模具的使用壽命，而且由于材料變形溫度的降低，會(huì)在坯料中產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，形成難變形區(qū)或局部變形區(qū)，從而引起材料組織與性能的不均勻。雖然通過(guò)將坯料加熱到實(shí)際變形溫度以上，或經(jīng)過(guò)多火次成形，可以適當(dāng)解決坯料在變形過(guò)程中溫度降低的問(wèn)題，但是，這樣不僅浪費(fèi)能源，增加坯料的加熱時(shí)間，而且會(huì)造成金屬組織粗大，降低其塑性和強(qiáng)度，增大零件表面氧化層、脫碳層或使其他缺陷層加厚，加大了加工余量，不僅使材料利用率降低，而且增加了機(jī)械加工的工時(shí)，增加了零件的制造成本，這一點(diǎn)在有色金屬材料熱變形方面表現(xiàn)得更為突出。

等溫鍛造工藝的實(shí)質(zhì)及特點(diǎn)

等溫鍛造是一種新興工藝，它與常規(guī)鍛造的主要不同點(diǎn)在于，等溫鍛造是把模具的溫度控制在和毛坯加熱溫度大致相同的范圍內(nèi)，使毛坯在溫度基本不變的條件下完成成形的全過(guò)程。常規(guī)鍛造與等溫鍛造的比較如圖1所示。

這種工藝由于減少或消除了模具激冷和材料應(yīng)變硬化的影響，不僅變形抗力很小，而且有助于簡(jiǎn)化成形過(guò)程，以及能生產(chǎn)出滿足復(fù)雜零件要求的精密鍛件。因此，等溫鍛造具有材料利用率高，機(jī)械加工費(fèi)用少，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，鈦合金材料將得到更廣泛的使用。但是由于鈦合金的鍛造溫度范圍窄，變形抗力大，用常規(guī)鍛造方法很難成形。鈦合金的流動(dòng)應(yīng)力隨著變形溫度的降低或變形速度的增加而迅速增大，因此最適合采用等溫鍛造工藝。等溫鍛造工藝由于克服了常規(guī)熱變形過(guò)程中坯料溫度變化的問(wèn)題，因此具有以下特點(diǎn)：

圖1 常規(guī)鍛造和等溫鍛造的比較

⑴降低材料的變形抗力。在等溫鍛造過(guò)程中，由于坯料與模具的溫度基本一致，因此坯料的變形溫度不會(huì)降低，在變形速度較低的情況下，材料軟化過(guò)程進(jìn)行得比較充分，使材料的變形抗力降低。此外，也可以使用具有一系列優(yōu)良的工藝和使用性能的玻璃潤(rùn)滑劑，進(jìn)一步降低變形抗力，可選用占用空間小，節(jié)約能源的低功率設(shè)備。

⑵提高材料的塑性流動(dòng)能力。等溫鍛造的突出特點(diǎn)之一是可提高材料的塑性流動(dòng)能力。由于等溫鍛造時(shí)坯料溫度不會(huì)降低，而且變形速度是比較低的，從而延長(zhǎng)了材料的變形時(shí)間，可使材料的軟化過(guò)程充分進(jìn)行，提高材料的塑性流動(dòng)能力，并使缺陷得到愈合。這就使形狀復(fù)雜，具有窄肋、薄腹零件的成形成為可能，也為成形低塑性的難變形材料提供了有效途徑。

⑶成形尺寸精度高，表面質(zhì)量好，組織均勻，性能優(yōu)良。等溫鍛造時(shí)，由于坯料變形溫度基本保持恒定，故可以使材料在較低的變形溫度下進(jìn)行成形加工，而且可以采用一火次成形。等溫鍛造時(shí)的坯料加熱溫度比常規(guī)熱變形低100～400℃，加熱時(shí)間縮短1/2～2/3，從而減少了坯料表面氧化、脫碳等缺陷，提高了鍛件的表面質(zhì)量。由于坯料內(nèi)溫度分布比較均勻，在良好的潤(rùn)滑條件下可使坯料的變形均勻，因而產(chǎn)品組織比較均勻，可以得到最佳的使用性能。此外，由于材料變形抗力低，變形溫度波動(dòng)小，從而減少了模具的彈性變形，有利于鍛件幾何尺寸的穩(wěn)定與控制。當(dāng)采用較低的變形速度進(jìn)行成形時(shí)，由于材料的軟化過(guò)程比較充分，從而使成形件的內(nèi)部殘留應(yīng)力變小，成形件在冷卻以及熱處理過(guò)程中變形減小，提高了鍛件的尺寸精度。

⑷延長(zhǎng)模具使用壽命。等溫鍛造時(shí)所用模具材料及加工費(fèi)用較高，加工精度的要求也較高，但是在等溫鍛造過(guò)程中，由于模具是在準(zhǔn)靜載荷、低壓力、無(wú)交變熱應(yīng)力的條件下進(jìn)行工作，并且可以使用一系列具有優(yōu)良的工藝和使用性能的潤(rùn)滑劑，因此模具的使用壽命比常規(guī)熱變形模具的使用壽命要高。等溫鍛造通常采用一道工序進(jìn)行成形，因此只需要一套模具；而常規(guī)熱變形一般需要多道工序，故需要多套模具。總體來(lái)說(shuō)，采用等溫鍛造可提高模具使用壽命，降低模具成本。

⑸材料利用率高。等溫鍛造可以通過(guò)減少加工余量，提高產(chǎn)品尺寸精度來(lái)減少金屬消耗。例如，生產(chǎn)同一渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，等溫鍛造所用的原料只有常規(guī)熱模鍛的1/3左右。

等溫鍛造工藝可以生產(chǎn)各類鍛件，如葉輪、整體渦輪、轉(zhuǎn)子葉輪、帶軸葉輪、飛機(jī)起落架輪轂、艦艇推進(jìn)器螺旋槳，過(guò)去都采用帶飛邊的熱模鍛工藝生產(chǎn)，該工藝不僅加工余量大，變形工序多，加熱能源消耗大，而且存在鍛件質(zhì)量低及生產(chǎn)成本高等缺陷。

螺旋槳鍛件的工藝分析及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工藝分析

螺旋槳鍛件是艦艇推進(jìn)器的關(guān)鍵零件，不僅要有較高的力學(xué)性能，而且外形復(fù)雜，主軸上的6個(gè)槳葉在徑向上呈發(fā)射狀，且扭成傾斜角度50°，從葉根部分的4mm厚度逐漸減薄到葉頂部分的1.5mm。這樣的零件形狀除了采用高速錘成形之外，還可采用等溫鍛造。前者需要高速錘，后者要設(shè)計(jì)專用的等溫鍛造模具，在投資方面，后者比前者節(jié)省。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)螺旋槳的幾何特征，模具的分模面必須在槳葉的輪廓線上，凹模需要采用組合鑲塊的結(jié)構(gòu)，等溫鍛造后的鍛件才能脫模。由于槳葉是螺旋面組成的，故分模面也為與之相應(yīng)的空間曲面。

圖2為螺旋槳等溫鍛造模具結(jié)構(gòu)，它由上下兩部分組成，上模部分由上模板和上凸模組成；下模部分由上壓板、六片上凹模鑲塊、壓緊圈、六片下凹模鑲塊、加熱裝置、下墊板、下模板、下凸模和下頂桿組成。

圖2 螺旋槳等溫鍛造模具結(jié)構(gòu)

結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)等溫鍛造技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展與航空和汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān)。雖然我國(guó)航空、船舶及汽車工業(yè)穩(wěn)定增長(zhǎng)，但至今我國(guó)鈦合金成形技術(shù)還較落后，因此要想在越來(lái)越激烈的世界高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地，我們應(yīng)瞄準(zhǔn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，不斷學(xué)習(xí)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行消化、吸收，在創(chuàng)新和開發(fā)方面縮短差距，為提高我國(guó)等溫鍛造技術(shù)的生產(chǎn)水平及推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步提供技術(shù)支持，使我國(guó)早日成為鈦合金行業(yè)強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)大飛機(jī)的夢(mèng)想。