首都航天機械公司 王 兵 孟凡起 張龍飛 李建洲 魏博深

湖北汽車工業(yè)學(xué)院 楊全濤

鈦合金具有密度低、高強、高韌、高模量、耐高溫等特性，在軍工、民用等領(lǐng)域得到了廣深的應(yīng)用。但由于鈦合金的鍛造溫度范圍窄，變形抗力受溫度和變形速度的影響較大，所以，用一般的鍛造方法難以獲得理想的微觀組織和力學(xué)性能，材料的利用率不高，并且不利于后續(xù)機加工操作[1]。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計在整體化、輕質(zhì)化方面有了更高的要求。鈦合金以高強、高韌、高模量、耐高溫等特性在航天產(chǎn)品上的運用越來越多，但TC4在熱加工過程中變形抗力較大，鍛造溫度范圍窄，充型難度大，屬于難加工材料，而且價格昂貴[2]。

等溫鍛造是利用材料在超塑性狀態(tài)下金屬流變應(yīng)力降低，使鍛造壓力大大降低，從而降低加工設(shè)備噸位，同時可直接成形形狀復(fù)雜、精度較高的零件。

因此，等溫鍛造是提高鈦合金流動性，降低變形抗力最有效的加工方法之一。為了滿足航天鈦合金材料使用要求，采用等溫鍛造的方式直接成形鈦合金零件的方法非常必要[3-4]。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者都圍繞著鈦合金的等溫鍛造成形工藝進行了研究，Argyris[5]、Yang[6]等人用三維剛塑性有限元軟件DEFORM-3D，對鈦合金的等溫鍛造成形進行了數(shù)值模擬研究。

1 成形工藝及方案

葉柵環(huán)是某航天型號發(fā)動機中的關(guān)鍵部件，材料為TC4，服役工況復(fù)雜，其模型如圖1所示。其幾何形狀較為復(fù)雜，尺寸精度要求較高，最薄壁尺寸為4mm，最深壁厚20mm,在鍛造工藝中屬典型的薄壁件。此零件傳統(tǒng)的制造工藝是采用自由鍛造制坯，然后機械加工至零件尺寸，這種制造工藝不僅浪費原材料，同時機械加工周期長，難度大。為此，借助于等溫鍛造成形技術(shù)，直接通過鍛造的方式成形出TC4支架零件毛坯，然后通過極少量機加工工時成形最終零件。本文采用數(shù)值模擬和物理試驗相結(jié)合的方法研究支架零件的等溫鍛造成形工藝，制定省時高效的成形工藝技術(shù)。

圖1 葉柵環(huán)零件模型圖Fig.1 Part drawing of blade

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及邊界條件

葉柵環(huán)的形狀較為復(fù)雜，等溫鍛造過程中影響因素較多，本課題采用PRO/E 軟件建立坯料和模具的三維幾何模型（圖2），利用DEFORM-3D軟件進行數(shù)值模擬。零件材料為TC4 鈦合金，材料的本構(gòu)關(guān)系由試驗獲得（圖3），材料的其他參數(shù)通過查閱相關(guān)資料獲得。模擬過程中，模具定義為剛體，溫度設(shè)定在970℃，坯料溫度定為970℃；模具與零件、零件與試驗環(huán)境以及模具與試驗環(huán)境定義為絕熱。由于鍛造過程是一個高溫的大變形過程，因此可以忽略坯料的彈性變形。坯料采用剛塑性材料模型，坯料與模具之間的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子可以取0.2[5]。模擬開始時，坯料劃分的單元網(wǎng)格為50000個。在變形過程中，利用DEFORM -3D自動對坯料重新劃分網(wǎng)格，以解決模擬過程中網(wǎng)格畸變過大的問題。

根據(jù)坯料及零件尺寸，上模的垂直行程為24.4mm，結(jié)合等溫鍛造成形的工藝特點，考慮實際生產(chǎn)效率，同時結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)條件，初步確定上模壓下速度為0.5mm/s。

圖2 三維模型圖Fig.2 3D model

2.2 數(shù)值模擬過程

葉柵環(huán)等溫鍛造成形，是通過上、下模的擠壓作用而成。根據(jù)成形過程中金屬的流動變化情況，將葉柵環(huán)的成形過程分為4個階段：第一階段為上凹成形階段，第二階段為鐓粗階段，第三階段為上下環(huán)面成形階段，第四階段為下環(huán)填充階段，具體如圖4所示。

在上凹成形階段，坯料受模具的作用，中間部分受到壓力作用，坯料從整體上看是產(chǎn)生小型彎曲變形，變形程度較小。上模的繼續(xù)下行，到達第二階段，此時坯料受到模具的下壓產(chǎn)生鐓粗變形。在第三階段，坯料與模膛的接觸面積逐漸加大，金屬填充模膛，具有典型模鍛成形的特點。在最后階段，模膛已經(jīng)大部分填充完整，只有少許邊角處存在缺肉，在隨后的繼續(xù)成形過程中，模膛處全部填充完成，成形過程完畢。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3 TC4材料本構(gòu)關(guān)系Fig.3 Constitutive relation of TC4

圖4 鍛造成形過程Fig.4 Forging forming process

成形過程的4個階段，載荷增長率有著明顯的差異：第一階段增長率最小，隨后其增長率隨階段遞增，在第四階段增長率急速增長。成形過程載荷曲線及速度場分別如圖5、6所示。第一階段成形過程中，受壓部位投影面積小，徑向方向金屬流動阻力小，故載荷小，增長幅度較慢，第二階段時金屬徑向摩擦阻力增大，載荷增長較快，當金屬與模具型腔側(cè)壁接觸后，徑向流動阻力加大，金屬開始充填上、下環(huán)模具型腔。在經(jīng)歷了第二階段后，坯料已經(jīng)與模具型腔側(cè)壁完全接觸，金屬徑向充填完成，迫使更多金屬向上、下環(huán)模具型腔流動，由于該兩處模具型腔較窄，金屬充填阻力也很大，導(dǎo)致載荷急劇上升。當金屬基本充滿上、下環(huán)型腔后，多余金屬形成縱向飛邊，載荷繼續(xù)增大。上述分析表明第三階段是金屬模具型腔充填的關(guān)鍵階段，充不滿、折疊等缺陷的產(chǎn)生也是發(fā)生在該階段；而第四階段載荷增加較大，對模具壽命影響較大，應(yīng)該盡量縮短第四階段。

圖5 葉柵環(huán)成形過程載荷曲線Fig.5 Load curve of blade forming process

4 試驗驗證

為驗證有限元仿真結(jié)果，確定支架的鍛造工藝方案及參數(shù)，在630t等溫鍛件液壓機上開展鍛造工藝試驗，成形模具材質(zhì)選用高溫鎳基合金K3。在成形時，坯料與模具均通過加熱系統(tǒng)加熱至970℃，成形過程中采用氮化硼（BN）類潤滑劑，通過浸潤方式涂在毛坯上，成形后的鍛件如圖7所示。從圖中可以看出，接頭鍛件各部分區(qū)域充模完整，表面質(zhì)量完好，表面粗糙度Ra不大于3.2μm， 尺寸精度滿足圖紙要求，只需進行少許車加工即可滿足使用要求。

圖6 速度場分布情況Fig.6 Distribution of velocity field

圖7 葉柵環(huán)實物圖Fig.7 Physical picture of blade

5 結(jié)論

針對TC4葉柵環(huán)等溫鍛造成形問題，本文以數(shù)值模擬為研究方法，對成形過程進行模擬分析，分析了金屬的流動規(guī)律以及各階段成形力分布特點，有助于工件變形機理的深入研究，預(yù)測工藝缺陷，為實際生產(chǎn)提供較優(yōu)的工藝參數(shù)，提高研究效率。通過試驗預(yù)生產(chǎn)的方式進行物理試驗研究，結(jié)合前期分析的結(jié)果進行模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，得到了滿足使用要求的TC4鈦合金鍛件。采用等溫鍛造可生產(chǎn)表面光潔、外形精確的航天用鈦合金精密鍛件，鍛件的金屬流線分布更合理，滿足受力要求；等溫鍛件的材料用量可減少60%～80%，提高材料利用率，減少加工工時。

[1] 孟慶通，龐克昌，周建華.鈦合金機匣精鍛件等溫鍛造技術(shù).中國有色金屬學(xué)報,2010(10)：862-864.

[2] 蔣駿.鈦合金零件制造技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[3] 吳伏家，尹曉霞，超長瑞.TC4鈦合金等溫鍛造過程的數(shù)值模擬和實驗研究. 鍛壓技術(shù),2009(10)：147-150.

[4] 曲銀化，孫建笠，孟祥軍.鈦合金等溫鍛造技術(shù)研究進展.鈦工業(yè)進展，2006，23(1)：6-9.

[5] Argyris J H, Doltsinis J S, Luginsland.Three-dimension thermomechnical analysis metal foring processes//Proc.Int.Workshop Simulation of Metal Forming Processes by the Finite Element Method.Sfuttgart,1985.

[6] Yang D Y, Lee N K,Yoon J H. A three dimension of islthermal turbine blade forging by the rigid-Viscoplastic finiteelement method.Journal of Material Engineering and Performance,1993,2：119-124.