銅葉片精鍛工藝研究

文/李建軍，彭謙之，黃茂林，樸學華·中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司

銅葉片精鍛工藝研究

文/李建軍，彭謙之，黃茂林，樸學華·中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司

李建軍，高級工程師，從事航空發(fā)動機鍛件研究，研究變形高溫合金、有色金屬等鍛造技術(shù)。

利用有限元軟件，對銅葉片鍛造過程的各工步進行了仿真，分析了折紋等缺陷的產(chǎn)生原因，優(yōu)化了工藝參數(shù)，并在有限元軟件中進行了驗證?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，進行了工藝試驗。得出以下結(jié)論：對于復(fù)雜鍛件的鍛造，預(yù)鍛毛坯應(yīng)采用大圓角過渡，防止折紋產(chǎn)生。對于扭角較大葉片的鍛造，其預(yù)鍛件葉身也應(yīng)存在一定扭角，防止由于葉身和榫頭之間的剪切變形導(dǎo)致折紋的產(chǎn)生。采用摔子進行拔長能夠有效避免棒材心部開裂。復(fù)雜鍛件的校正，其型面復(fù)雜的部分應(yīng)處于下模，方便鍛件定位，避免折紋的發(fā)生。

葉片是航空發(fā)動機中重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，長期在巨大的氣體負荷、質(zhì)量負荷和溫度負荷下工作。目前航空發(fā)動機朝著大推力、高推重比、高效率和長壽命的方向發(fā)展，對壓氣機的增壓比、渦輪前燃氣溫度提出了更高的要求。據(jù)報道，目前美國新一代渦扇發(fā)動機的壓氣機增壓比已經(jīng)達到了30～40，渦輪前燃氣溫度高達1300～1700℃。這對航空發(fā)動機葉片的材料和制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)。葉片精鍛技術(shù)是目前壓氣機葉片成形工藝的主流發(fā)展趨勢，采用精鍛工藝生產(chǎn)的葉片，具有尺寸精度高、材料利用率高的特點，同時由于機械加工量少或者不需要機械加工，保留了完整的鍛造流線，其機械性能也大幅提升。

本課題研究的銅葉片具有尺寸精度要求高、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，部分區(qū)域不允許進行機械加工，部分轉(zhuǎn)接處內(nèi)圓角僅為R0.3mm或R0.5mm，易出現(xiàn)折紋，鍛造難度較大。為了保證研制進度，本課題首先利用了有限元軟件對葉片鍛造成形過程進行了仿真，通過分析仿真結(jié)果，對鍛造工藝參數(shù)進行了相應(yīng)優(yōu)化，最后進行了工藝試驗。本課題旨在為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

試驗材料、設(shè)備及參數(shù)

葉片材料為鈹青銅，鍛件形狀如圖1所示，其中葉盆表面的氣流通道為非加工面。

圖1 葉片鍛件形狀

圖2 各工步所用毛坯

初步確定的鍛造工藝路線為：下料→拔長→預(yù)鍛→切邊→熱精壓→切邊→淬火→冷精壓→切邊→校正。根據(jù)鍛件最終體積、毛邊量和燒損初步設(shè)計了各工步坯料，其形狀如圖2所示。

鍛造模擬在Forge軟件中進行。模擬參數(shù)為：始鍛溫度740℃，模具預(yù)熱溫度為250℃，采用水基石墨進行潤滑，材料本構(gòu)關(guān)系采用軟件自帶。

工藝試制中，拔長采用空氣錘，預(yù)鍛、精壓、校正等工序采用曲柄壓力機，而切邊在沖床上進行。各鍛造工步間的加熱采用箱式電阻爐。

金相觀察使用Leica DMIRM+Q550MW光學金相顯微鏡。金相取樣位置位于葉身和榫頭。

試驗結(jié)果與分析

仿真結(jié)果與分析

⑴終鍛仿真結(jié)果與分析。

圖3為終鍛折紋情況。從圖中可以看出，在大榫頭與葉背連接處存在一條較長的折紋，此外，葉片毛邊上也顯示存在折疊。由于葉片毛邊會在后續(xù)切邊工序中進行切除，不影響葉片的使用，所以要解決的是葉背與大榫頭連接處的折紋問題。

圖3 終鍛折紋分布

圖4為葉片橫截面、縱截面切片示意圖，圖4a為橫截面取樣位置。從圖4b中可以看出，在終鍛初始階段葉身是呈水平的。而終鍛葉片有一定的扭角。因此，如圖4c所示，隨著終鍛的逐步進行，葉身在模具作用下逐漸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而榫頭的位置是保持不變的，這相當于葉身與榫頭之間產(chǎn)生了剪切變形。圖4d為這種剪切變形發(fā)生到一定程度后葉片縱截面切片。從圖中可以看出，在葉背與榫頭交接處已經(jīng)形成了一個尖角。

圖4 葉身切面

圖5為鍛造末期葉片毛坯與模具的接觸情況，其中天藍色的區(qū)域為已接觸區(qū)。從圖中可以看出葉盆氣流通道以及葉背中間部分區(qū)域首先與模具接觸，而葉身與大榫頭交接處未接觸。同時考慮到氣流通道的厚度比葉身其他區(qū)域的厚度要小。隨著鍛造過程的進行，氣流通道處多余的金屬將向大榫頭處排出，如圖5c所示。在這兩者的作用下，葉背與大榫頭交接處形成了如圖3a所示的折紋。基于以上分析，解決大榫頭與葉身交接處折紋的方法有兩種：①修改預(yù)鍛毛坯，將預(yù)鍛毛坯葉身部位改為與終鍛葉片葉身類似，即帶扭角；②增大預(yù)鍛毛坯葉身與大榫頭交接處的圓角，增大這一區(qū)域的金屬體積，防止葉身排出的金屬堆積形成折紋。考慮到若將預(yù)鍛毛坯葉身改為帶扭角的形式，將會增大模具制造難度和成本，因此選擇修改預(yù)鍛毛坯葉身與大榫頭交接處圓角，將圓角從原來的R2mm改為R4mm，圖6為R4mm圓角預(yù)鍛毛坯的折紋分布情況，從圖中可以看出，在葉片本體上未發(fā)現(xiàn)折紋。圖6c為終鍛末期葉片的縱截面切片圖，由圖可知，葉背與大榫頭交接處由原來的尖角（圖4d）變?yōu)楝F(xiàn)在較大半徑的圓角。

圖5 鍛造末期坯料與模具接觸情況及葉背金屬流動示意圖

圖6 圓角R4mm預(yù)鍛件終鍛折紋分布及葉片縱截面切片

圖7 圓角R4mm預(yù)鍛件終鍛充模情況

圖8 圓角R4mm預(yù)鍛件終鍛應(yīng)變場及溫度場分布

圖7為終鍛合模后金屬的填充情況，其中藍色區(qū)域為打滿的區(qū)域。從圖中可以看出葉片不存在打不滿的現(xiàn)象。

圖8為毛坯終鍛時葉片等效應(yīng)變場與溫度場的分布。從圖8a可以看出，終鍛時葉片葉身處的等效應(yīng)變?yōu)?.54～4.97。相關(guān)資料顯示，銅合金鍛造加工率最適宜的范圍為3～5，高于加工率的上限時則可能會導(dǎo)致坯料開裂，由圖可知，終鍛變形不會導(dǎo)致坯料開裂。圖8b為終鍛時葉片溫度場的分布，從圖中可知，葉片此時的溫度范圍為727～810℃，而對銅合金而言較適宜的鍛造溫度范圍為760～925℃。從圖中可以看出葉身大部分區(qū)域是在這一溫度范圍之內(nèi)的。榫頭則略低于該溫度范圍的下限，但是由于榫頭處的變形量較小，因此不會出現(xiàn)鍛件開裂的現(xiàn)象。

從仿真結(jié)果看，利用這種設(shè)計的預(yù)鍛毛坯能夠鍛造出合格的終鍛葉片。

⑵預(yù)鍛仿真結(jié)果與分析。

根據(jù)終鍛的仿真結(jié)果，對預(yù)鍛毛坯進行了修改，根據(jù)修改后的預(yù)鍛毛坯設(shè)計了模具并利用該模進行了預(yù)鍛過程仿真。

上圖分別為預(yù)鍛完成后毛坯的折疊情況以及充模情況。從圖9a中可以看出，毛坯經(jīng)過鍛造后，在大榫頭與葉身進排氣邊處出現(xiàn)了折紋。圖9b為鍛后充模情況（藍色區(qū)域為坯料和模具發(fā)生接觸的區(qū)域），可以看出坯料能夠充滿整個模膛，不存在打不滿的情況。

圖9 預(yù)鍛折紋分布及充模情況

圖10為上下模相距2.5mm時坯料的形狀。葉身與榫頭交接處未出現(xiàn)明顯的毛邊，從而造成葉身毛邊與榫頭毛邊之間形成了一個尖角，隨著鍛造過程的進行，這兩股金屬匯合，尖角消失，形成了折疊。這種情況是由于葉身與榫頭轉(zhuǎn)接處金屬量不夠?qū)е碌??？紤]到這種折疊有一部分位于葉身本體上，因此有必要采取措施避免這種折疊的發(fā)生。采取的改進措施為將拔桿件轉(zhuǎn)接處的圓角增大，從而增大這一區(qū)域金屬的體積。

圖11為圓角增大到R10mm后毛坯預(yù)鍛后的毛邊分布情況，從圖中可以看出，榫頭一側(cè)的折紋已經(jīng)完全消除，另一側(cè)的折紋也流動到葉片毛邊上，葉片本體上不存在折紋，因此通過增大圓角可以消除這種折紋對預(yù)鍛毛坯的影響。

圖10 上下模相距2.5mm時預(yù)鍛毛坯形狀

圖11 圓角增大至R10mm后預(yù)鍛折紋分布

工藝試制結(jié)果與分析

根據(jù)仿真試驗結(jié)果，對原來的工藝方案進行了優(yōu)化，按照優(yōu)化后的方案進行了工藝試制。在實際試制過程中出現(xiàn)了以下問題：

⑴拔長時毛坯頭部開裂問題。

空氣錘拔長毛坯桿部過程中，桿部的端面出現(xiàn)了十字和一字裂紋。經(jīng)過分析認為主要是以下兩個原因造成：①加熱電爐離空氣錘距離太遠，在轉(zhuǎn)移坯料過程，坯料溫度下降過多，造成鍛造時坯料的塑性下降，因而易出現(xiàn)裂紋；②采用平砧進行拔長時，由于坯料和錘砧之間摩擦阻力的作用，形成了變形錐（即難變形區(qū)），隨著鍛造過程的進行，變形錐將會對易變形區(qū)和自由變形區(qū)的金屬產(chǎn)生一個拉應(yīng)力的作用，當這種拉應(yīng)力超過材料在該種變形參數(shù)下的斷裂強度時，將會導(dǎo)致心部開裂。解決該問題的方法是：①縮短鍛造設(shè)備與電爐之間的距離，減少坯料在轉(zhuǎn)移過程中的溫降；②采用摔子進行拔長，既改善了心部的受力狀態(tài)，使棒料心部由原來的拉應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，防止了裂紋的產(chǎn)生，同時也在一定程度上提高了拔長效率。

圖12 拔長時坯料受力示意圖

圖13 葉片實物及顯微組織照片

⑵校正時氣流通道臺階出現(xiàn)折紋。

葉片葉盆表面有著形狀較為復(fù)雜的氣流通道，由于該區(qū)域為非加工面，要求無余量成形，因此轉(zhuǎn)角處的圓角很小，僅為R0.3～0.5mm，鍛造過程中極易出現(xiàn)折紋。經(jīng)過分析，校正時氣流通道臺階處出現(xiàn)折紋，主要是由于坯料在葉片型腔中定位不準確所造成的。由于校正時葉盆氣流通道的型面位于上模，因此只要坯料定位稍有誤差，或者上下模之間存在少量錯移，都將會導(dǎo)致上模將氣流通道筋部的金屬壓入槽部表面，從而形成折紋。因此可以將上下模倒置，上料時，將坯料表面氣流通道準確與下模定位，從而有效避免該類折紋的產(chǎn)生。

通過采取上述措施，對銅葉片進行了試生產(chǎn)，共投產(chǎn)280件，交付合格鍛件262件，合格率為93.6%。圖13a、13b為銅葉片實物圖，圖13c、13d為顯微組織金相照片，從圖中可以看出，通過本工藝鍛造出的銅葉片表面光潔度較高，無肉眼可見折紋、裂紋等缺陷，顯微組織細小均勻，符合相關(guān)鍛件驗收標準的要求，證明本研究所制定的工藝方案切實可行。

結(jié)論

基于有限元仿真，對銅葉片的精鍛過程進行了模擬，分析了折紋等缺陷的產(chǎn)生原因，對原有的工藝參數(shù)優(yōu)化后進行了工藝試制，得出以下結(jié)論：

⑴對于葉片等復(fù)雜類鍛件的鍛造，預(yù)鍛毛坯應(yīng)采用大圓角過渡，可以有效避免終鍛時折紋的產(chǎn)生；

⑵對于扭角較大葉片的鍛造，其預(yù)鍛件葉身也應(yīng)存在一定扭角，防止由于葉身和榫頭之間的剪切變形導(dǎo)致折紋的產(chǎn)生；

⑶采用摔子進行拔長能夠有效避免心部開裂；

⑷復(fù)雜鍛件的校正，其型面復(fù)雜的部分應(yīng)處于下模，方便鍛件定位，避免折紋的發(fā)生。