大型鈦合金整體隔框鍛件局部加載等溫成形技術(shù)

文/張大偉·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

楊合·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

大型鈦合金整體隔框鍛件局部加載等溫成形技術(shù)

文/張大偉·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

楊合·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

隨著航空、航天、汽車及兵器工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是新一代戰(zhàn)機(jī)和大飛機(jī)的研制，以及節(jié)能環(huán)保的迫切需求，使得塑性成形產(chǎn)品的制造朝著高性能、輕量化、短流程、低成本、數(shù)字化、綠色制造的方向發(fā)展。采用高性能輕質(zhì)合金材料（如鋁、鎂、鈦等）和輕量化結(jié)構(gòu)（如薄壁、整體、帶筋等結(jié)構(gòu)）是提高零部件的性能和可靠性、實(shí)現(xiàn)裝備輕量化的有效技術(shù)途徑。大型鈦合金整體隔框構(gòu)件將材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，具有很高的結(jié)構(gòu)效率和優(yōu)異的服役性能，作為關(guān)鍵承力構(gòu)件，對(duì)飛機(jī)減重、提高可靠性和性能等方面效果顯著。

由于材料的難變形性以及結(jié)構(gòu)的大型復(fù)雜化，采用傳統(tǒng)塑性成形工藝整體成形此類大型復(fù)雜構(gòu)件不僅要求大變形壓力、高變形能和高剛度的巨型壓力機(jī)，而且容易出現(xiàn)材料充填困難、鍛件質(zhì)量難以保證等問(wèn)題。局部加載等溫成形技術(shù)的發(fā)展，為鈦合金復(fù)雜大件成形制造難題的解決提供了新思路。本文從理論解析、數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)等方面系統(tǒng)介紹局部加載條件下的材料基本變形特征、大型復(fù)雜構(gòu)件三維有限元模擬以及該技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。

局部加載等溫成形技術(shù)介紹

局部加載等溫成形是融合了局部加載成形和等溫成形兩者優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)塑性成形技術(shù)。在等溫條件下，局部區(qū)域施加載荷、變換加載區(qū)，通過(guò)加載區(qū)與未加載區(qū)之間的不均勻變形協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)件的塑性成形。局部加載不僅可有效降低鍛造載荷，還可通過(guò)控制不均勻變形提高材料成形極限，降低成形載荷，擴(kuò)展成形構(gòu)件的尺寸范圍。等溫成形可顯著降低材料的流動(dòng)應(yīng)力、提高材料的塑性，在特定條件下還可獲得超塑性效應(yīng)，從而降低載荷、提高尺寸精度和組織性能的均勻性。

圖1 鈦合金復(fù)雜大件局部加載等溫成形原理圖

對(duì)于大型復(fù)雜構(gòu)件，通過(guò)模具分區(qū)實(shí)現(xiàn)的局部加載方法是一種簡(jiǎn)單有效的減少接觸面積、擴(kuò)展成形尺寸的方法。如圖1所示，將上模分成多個(gè)子模塊，在一個(gè)局部加載步中，只有部分模具被施加載荷。在成形過(guò)程中根據(jù)變形量實(shí)施一個(gè)或多個(gè)加載道次，每個(gè)加載道次要經(jīng)歷多個(gè)局部加載步。局部加載道次對(duì)成形過(guò)程影響并不明顯，實(shí)際工藝中為了簡(jiǎn)化操作一般采用一個(gè)道次。

構(gòu)件的基本變形特征

大型復(fù)雜隔框的局部加載等溫成形過(guò)程十分復(fù)雜、信息數(shù)據(jù)量非常大，難以快速把握基本成形規(guī)律、認(rèn)知復(fù)雜的工藝過(guò)程。而設(shè)計(jì)能夠反映其成形特點(diǎn)的特征結(jié)構(gòu)體，抓住主要矛盾，通過(guò)研究典型特征結(jié)構(gòu)成形中金屬的變形流動(dòng)行為，探究復(fù)雜成形過(guò)程的基本成形規(guī)律，初步認(rèn)識(shí)復(fù)雜的成形工藝，為復(fù)雜工藝方案的制定、參數(shù)變量的選擇提供理論基礎(chǔ)。獲取的基本規(guī)律可為針對(duì)整體構(gòu)件的三維有限元模型的簡(jiǎn)化建立、合理參數(shù)范圍的確定、初始模擬參數(shù)的選擇提供基礎(chǔ)。通過(guò)分析大型整體隔框的結(jié)構(gòu)特征及其局部加載工藝特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其在一定程度上可以看作由多個(gè)T形構(gòu)件所構(gòu)成的組合體，T形構(gòu)件的局部加載可有效反映筋板類構(gòu)件局部加載成形特征。

T形構(gòu)件局部加載成形的物理模擬試驗(yàn)研究表明，局部加載成形過(guò)程中存在如圖2所示的兩種變形方式：剪切變形模式和鐓擠變形模式。其變形模式依賴于坯料和模具的幾何參數(shù)。當(dāng)坯料厚度較厚時(shí)，局部加載過(guò)程中先發(fā)生剪切變形，然后發(fā)生鐓擠變形。但是當(dāng)局部加載寬度減小到一定值后，整個(gè)變形過(guò)程中型腔對(duì)應(yīng)區(qū)域的材料幾乎不變形，腹板處材料向兩側(cè)流動(dòng)，剪切變形主導(dǎo)著整個(gè)變形過(guò)程；當(dāng)局部加載寬度增大至一定值后，整個(gè)成形過(guò)程完全在鐓擠變形模式下進(jìn)行。

基于圖2所示的簡(jiǎn)化變形模式，應(yīng)用主應(yīng)力法可以建立描述局部加載條件下材料流動(dòng)特征的解析模型，見(jiàn)式⑴。試驗(yàn)和有限元研究表明，當(dāng)局部加載寬度和筋寬比大于5時(shí)，主應(yīng)力法和有限元法的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)。剪切變形模式不利于型腔充填，易造成充不滿、折疊、流線紊亂等缺陷，可以應(yīng)用解析模型調(diào)整坯料和模具參數(shù)，使型腔的充填在鐓擠變形模式下進(jìn)行。

其中：

式中，b為筋寬（mm）；l為局部加載寬度（mm）；H為加載區(qū)腹板厚度（mm）；m為剪切摩擦因子，m＝0.2～0.5；K為剪切屈服強(qiáng)度（MPa）。

圖2 T形構(gòu)件局部加載條件下的變形模式

成形過(guò)程的三維有限元模擬

基于DEFORM-3D軟件，建立大型復(fù)雜構(gòu)件等溫局部加載成形過(guò)程的有限元模型，如圖3所示。坯料為TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）鈦合金，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通過(guò)恒應(yīng)變速率等溫壓縮試驗(yàn)獲得，如圖4所示。模具材料為鎳基高溫合金K403，由于忽略鍛造過(guò)程的熱事件以及假定模具是剛性體，故DEFORM-3D軟件不需要模具材料性能。

圖3 隔框局部加載等溫成形有限元模型

圖4 TA15鈦合金應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

采用四面體實(shí)體網(wǎng)格對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)采用局部網(wǎng)格細(xì)劃和網(wǎng)格自動(dòng)重新劃分技術(shù)以改進(jìn)計(jì)算效率和避免網(wǎng)格畸變。根據(jù)局部加載特征，不同加載步、不同部位采用不同的網(wǎng)格劃分策略：

⑴加載區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格密度大于未加載區(qū)，同時(shí)在加載區(qū)內(nèi)通過(guò)表面曲率、應(yīng)變分布、應(yīng)變速率分布、網(wǎng)格密度窗口等權(quán)重因子進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化。

⑵第一局部加載步的網(wǎng)格數(shù)可比其他局部加載步的網(wǎng)格數(shù)減少30％～50％。

坯料的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

在不同成形階段選擇不同的有限元求解器，不僅有限元求解不出現(xiàn)收斂問(wèn)題，而且在部分區(qū)域出現(xiàn)“觸?！撃！|?！钡那闆r下求解結(jié)果也可靠。采用剪切摩擦模型描述熱成形工藝中的工件和模具之間的摩擦行為，并根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件，應(yīng)用圓環(huán)壓縮試驗(yàn)確定了摩擦邊界條件。模擬分析了某大型鈦合金隔框構(gòu)件局部加載成形過(guò)程，該成形過(guò)程共有兩個(gè)局部加載步，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同局部加載步的坯料網(wǎng)格

圖6 典型階段的有限元模擬鍛件形狀

工業(yè)應(yīng)用

為了驗(yàn)證采用局部加載等溫成形工藝鍛造成形大型鈦合金隔框的可行性，進(jìn)行了大型復(fù)雜鈦合金隔框的局部加載等溫成形工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為TA15鈦合金。該局部加載等溫成形工藝是在普通的6300t等溫鍛造液壓機(jī)上完成的，其成形穩(wěn)定階段的加載速度是0.2mm/s。為了在普通等溫鍛造液壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)局部加載工藝，采用如圖7所示的方法，通過(guò)調(diào)整模具結(jié)構(gòu)、增加相應(yīng)的輔助裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)局部加載。采用筋上分區(qū)閉模鍛造工藝，共有兩個(gè)局部加載步，也就是上模分為兩個(gè)局部加載模塊。

圖7 普通液壓機(jī)上的局部加載示意圖

具體地，其上模分成兩個(gè)子模塊上模1和上模2，下模為整體模，共有兩個(gè)局部加載步。第一局部加載步，上模1與上模座之間放置墊塊，使上模2比上模1高，如圖7a所示，移動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，坯料所承受的載荷主要由上模1施加。第二局部加載步，上模1和上模2在同一水平面并同時(shí)加載，如圖7b所示，移動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于上模1對(duì)應(yīng)區(qū)域在第一局部加載步已經(jīng)成形，故坯料所承受的載荷主要由上模2施加。在局部加載階段最大成形載荷僅為3000t，遠(yuǎn)小于整體加載時(shí)的成形載荷，有限元模擬對(duì)載荷的預(yù)測(cè)誤差小于10％，如圖8所示。所采用的坯料形狀及成形過(guò)程中鍛件的形狀如圖9所示。

圖8 第二局部加載步中的載荷

圖9 局部加載等溫成形大型鈦合金隔框鍛件形狀（部分）

結(jié)束語(yǔ)

局部加載等溫成形技術(shù)是一種先進(jìn)的、省力的近凈成形技術(shù)，可有效解決鈦合金大型隔框鍛造中面臨的現(xiàn)有設(shè)備能力不足、鍛造余量大、容易出現(xiàn)成形缺陷等問(wèn)題。局部加載條件下材料流動(dòng)特征的解析模型可以快速確定初始的幾何參數(shù)，為有限元模擬中模擬參數(shù)、邊界條件的設(shè)定提供范圍；詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)化、工藝優(yōu)化、過(guò)程控制由三維有限元模擬完成。應(yīng)用現(xiàn)有設(shè)備，通過(guò)工藝創(chuàng)新，采用局部加載等溫成形技術(shù)能夠成功鍛造滿足航空鍛件要求的大型鈦合金隔框鍛件。

張大偉，講師，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生畢業(yè)，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)塑性成形技術(shù)及其數(shù)值模擬。