鈦合金軸類大鍛件壓方的質(zhì)量影響因素?cái)?shù)值模擬

(貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550023)

0 引言

軸類大鍛件主要包括大型軋輥、傳動(dòng)軸、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等，一般用于機(jī)器設(shè)備的關(guān)鍵和核心部位，是制造重大裝備的基礎(chǔ)件，對(duì)鍛造技術(shù)水平和工藝設(shè)備要求均十分嚴(yán)格，大型鍛件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是衡量一個(gè)國家工業(yè)水平和國防實(shí)力的標(biāo)志之一。鈦合金軸類大鍛件是航空航天領(lǐng)域常用基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用于制造支架、起落架、框架、緊固件和管道等[1]。由于鈦合金的鍛造溫度范圍較窄，溫度過高，組織容易粗化；溫度過低，則合金的變形抗力大，且易產(chǎn)生裂紋等缺陷。鈦及鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，如果變形速度過大，變形熱來不及擴(kuò)散，會(huì)引起局部溫升過高，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象造成組織不均勻和性能不穩(wěn)定，甚至發(fā)生裂紋。但變形速度過小，工件溫降過快，也容易產(chǎn)生裂紋。可見大規(guī)格軸類鈦合金在鍛造時(shí)容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，所以要生產(chǎn)出高質(zhì)量的鈦合金軸類大鍛件，每個(gè)鍛造過程對(duì)其保證最終質(zhì)量都非常的重要[2]。

軸類大鍛件的鍛造過程一般包括壓方、拔長和倒棱滾圓等多個(gè)工序，由于拔長是決定鍛件性能的主要工序，倒棱滾圓是保證鍛件最終質(zhì)量和尺寸精度的主要工序，因此，目前國內(nèi)外學(xué)者在大鍛件的拔長、倒棱滾圓工藝上做了很多研究，而對(duì)壓方工藝研究較少。文獻(xiàn)[3]對(duì)平砧壓方工藝過程進(jìn)行了有限元模擬，探討了不同的壓下量、接砧量等工藝參數(shù)對(duì)鍛件表面質(zhì)量和內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的影響，但未研究V型砧壓方工藝，在壓方時(shí)鍛件裂紋預(yù)測、鍛透性等方面也未涉及。文獻(xiàn)[4]對(duì)平砧和V型砧壓方工藝分別進(jìn)行了有限元模擬，探討了兩種不同砧型對(duì)鍛件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，鍛件裂紋預(yù)測，鍛透性的影響，但未涉及到在鍛件壓方時(shí)V型砧邊緣圓角半徑大小對(duì)其鍛件應(yīng)變和鍛件裂紋影響以及對(duì)不同直徑軸類大鍛件鍛造質(zhì)量影響程度的討論。

本文以液壓機(jī)鍛造某飛機(jī)用鈦合金軸類大鍛件為研究內(nèi)容，用三維軟件UG建立相應(yīng)的模型，然后以STL文件格式導(dǎo)入到有限元軟件Deform中，對(duì)壓方過程進(jìn)行模擬分析。從鍛件應(yīng)變、破壞因子及鍛造所需載荷三個(gè)方面對(duì)比分析了V型砧邊緣圓角半徑為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時(shí)，對(duì)鍛件質(zhì)量的影響及V型砧邊緣圓角半徑大小對(duì)不同直徑軸類大鍛件壓方時(shí)鍛件質(zhì)量的影響程度，指出鍛件在壓方時(shí)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)V型砧邊緣圓角的半徑有利于防止裂紋的產(chǎn)生，提高鍛件的質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選擇了直徑分別為600 mm、1000 mm、1200 mm的大型軸類鑄錠，利用邊緣圓角半徑為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的V型砧對(duì)三種不同直徑的軸類鑄錠分別進(jìn)行壓方模擬實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)所得有關(guān)破壞因子、鍛件的應(yīng)變及鍛造所需載荷的數(shù)據(jù)來分析不同V型砧邊緣圓角半徑大小對(duì)鍛件質(zhì)量的影響及對(duì)不同直徑軸類大鍛件壓方時(shí)鍛件質(zhì)量的影響程度。實(shí)驗(yàn)組合方案見表1。

表1實(shí)驗(yàn)組合方案

實(shí)驗(yàn)組合方案設(shè)計(jì)完成后進(jìn)入CAD建模及CAE分析過程。

2 有限元模型的建立

利用UG建立了直徑為600 mm、1000 mm、1200 mm的軸類柱體及V型砧邊緣圓角半徑為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的90°V 型砧，V型砧均為剛性體，材料都采用模具鋼H-13，鍛造過程中不發(fā)生變形，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分用于模擬溫度的傳導(dǎo)。鍛件材料為鈦合金TC4，對(duì)應(yīng)Deform軟件中自帶的Ti-6AI-4V。當(dāng)砧寬比為0.6～0.8時(shí)有利于中心壓實(shí)，而且隨著砧寬比的合理增加，更有利于提高鍛件的探傷結(jié)果，為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及可行性均取砧寬比為0.6(不含圓角尺寸)。圖1為不具有邊緣圓角的V型砧和具有邊緣圓角的V型砧壓方模型。

圖1 V型砧壓方模型

3 模擬參數(shù)的設(shè)置

為了避免模具和坯料接觸時(shí)溫度發(fā)生突變，鍛造之前將模具預(yù)熱至300℃，上下砧同時(shí)運(yùn)動(dòng)，速度均為5 mm/s，總體的壓下速度為10 mm/s，壓下量為20%。鍛件初始溫度為1025℃，環(huán)境溫度設(shè)為28℃，鍛件與上、下砧間傳熱系數(shù)為11，鍛件與環(huán)境間傳熱系數(shù)為0.02 。軸類大鍛件鍛造時(shí)，為了提高鍛造的精度，把鍛件固定，讓V型砧做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

4 模擬結(jié)果及分析

將不同直徑的大型軸類鑄錠分別與不同邊緣圓角半徑的V型砧組合進(jìn)行鍛件的壓方模擬實(shí)驗(yàn)，最終得出15組模擬結(jié)果，如表2。

表2模擬結(jié)果

4.1 鍛件破壞因子與V型砧邊緣圓角半徑的關(guān)系

破壞因子(damage)是在鍛件的鍛造中評(píng)價(jià)鍛件的內(nèi)部或表明是否出現(xiàn)裂紋的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，破壞因子的值越大鍛件出現(xiàn)裂紋的可能性就越大，當(dāng)它達(dá)到一定的值時(shí)材料的表面及內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生裂紋。鍛件的壓方實(shí)驗(yàn)由于壓下量比較小，裂紋一般出現(xiàn)在鍛件的表面，在后續(xù)的拔長和倒圓時(shí)鍛件表面的裂紋進(jìn)一步加大的話就會(huì)造成鍛件內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，所以為了較好的防止鍛件裂紋的產(chǎn)生，在早期鍛件壓方時(shí)就應(yīng)該很好的控制裂紋的產(chǎn)生，這樣就為后面的鍛造工序打下良好的基礎(chǔ)，保證鍛件的最終質(zhì)量。

將上述模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成圖表如圖2、圖3、圖4。由圖2可見，對(duì)各組直徑的軸類鑄錠進(jìn)行壓方時(shí)，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大破壞因子的值均是先減小后增大，且每組均有一最小值。Φ600 mm的鑄錠在V型砧邊緣圓角半徑為100 mm時(shí)破壞因子的值最小為0.287；Φ1000 mm和Φ1200 mm的鑄錠在V型砧邊緣圓角半徑均為50 mm時(shí)破壞因子的值最小，分別為0.363和0.0183?？梢姡m當(dāng)增大V型砧邊緣圓角半徑的值可以減小破壞因子的值，控制鍛件裂紋的產(chǎn)生，但如果V型砧邊緣圓角半徑的值過大則反而使破壞因子的值增大，不利于控制鍛件裂紋的產(chǎn)生。從圖2也可以看出，對(duì)于直徑越大的軸類鑄錠，用邊緣圓角半徑越小的V型砧壓方時(shí)，越有利于控制破壞因子的值，即鍛件產(chǎn)生裂紋的可能性就越小。

圖2 V型砧邊緣圓角半徑對(duì)破壞因子影響

4.2 應(yīng)變及所需載荷與V型砧邊緣圓角半徑關(guān)系

從圖3、圖4可見，對(duì)直徑為600 mm、1000 mm、1200 mm的軸類鑄錠進(jìn)行壓方時(shí)，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件的應(yīng)變值都會(huì)隨之增大，應(yīng)變值越大越有利于鍛件心部的鍛透，減小甚至消除鍛件心部晶粒粗大、疏松、夾雜及偏析等缺陷。但是，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件所需載荷的值也隨之增大，就會(huì)需要更大噸位的壓力機(jī)，這樣就會(huì)增大企業(yè)的生產(chǎn)成本。從數(shù)值方面分析，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件的應(yīng)變值變化都在0.04～0.12之間波動(dòng)，變化較??；而鍛件所需載荷變化在1150000 N～10090000 N之間波動(dòng)，變化相對(duì)來說較大。即V型砧邊緣圓角半徑的大小對(duì)鍛件的應(yīng)變影響較小，而對(duì)鍛件所需載荷的影響相對(duì)較大。

圖3 V型砧邊緣圓角半徑對(duì)應(yīng)變值影響

綜上所述，通過對(duì)破壞因子、應(yīng)變值及鍛件所需載荷三者對(duì)鍛件質(zhì)量的綜合考慮，用邊緣圓角半徑為100 mm的V型砧對(duì)直徑為600 mm的軸類鑄錠進(jìn)行壓方，所得鍛件的質(zhì)量較好；用邊緣圓角半徑為50 mm的V型砧對(duì)直徑為1000 mm和1200 mm的軸類鑄錠進(jìn)行壓方，所得鍛件的質(zhì)量較好。

圖4 V型砧邊緣圓角半徑對(duì)鍛造所需載荷影響

5 結(jié)論

通過對(duì)大型軸類鍛件壓方的有限元數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)TC4大型軸類鍛件壓方時(shí)，適當(dāng)設(shè)計(jì)V型砧邊緣圓角的半徑，對(duì)鍛件的破壞因子和鍛造所需載荷的影響較大，可以控制鍛件裂紋的產(chǎn)生，為后續(xù)拔長、倒棱滾圓等工序打下良好的基礎(chǔ)，提高鍛件的質(zhì)量。但V型砧邊緣圓角的半徑太大將適得其反。

2)從破壞因子的方面來看，直徑為600 mm的軸類鑄錠用邊緣圓角半徑為100 mm的V型砧壓方效果較好，直徑為1000 mm和1200 mm的軸類鑄錠均用邊緣圓角半徑為50 mm的V型砧壓方效果較好。即直徑較大的軸類鑄錠，用邊緣圓角半徑較小的V型砧進(jìn)行壓方，有利于防止鍛件裂紋的產(chǎn)生，提高鍛件的質(zhì)量。

3)隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件的應(yīng)變值也隨之增大，有利于鍛件的鍛透，可以減小鍛件心部晶粒粗大、疏松、夾雜及偏析等缺陷，但影響較小。同時(shí)隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大也會(huì)增大鍛造所需載荷，影響相對(duì)較大。

綜上所述，本文對(duì)鍛件的壓方工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬優(yōu)化，得出上述結(jié)論，為實(shí)際的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。