超倍尺寬鈦合金板坯成形工藝研制

■ 楊武，王炳正，張佳麗，閆沛堂，秦卓

針對某公司鈦合金板坯鍛件，材料為TA2，要求成形尺寸2050+15（寬）×260（高）±10×L（隨長）（m m），原材料鈦錠經(jīng)過表面加工去除表面缺陷及取樣后，尺寸為φ990mm×2600mm。成形寬度尺寸/原材料截面尺寸≈2.07，超過一倍尺寸。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算，要保證最終展寬成形尺寸原始坯料截面直徑需≥φ1450mm。

常規(guī)成形工藝為鈦錠先鐓粗，保證鐓粗后截面尺寸≥φ1450mm后再進行平砧間拔長展寬。鍛造過程由于TA2的材料特性，容易造成鐓粗過程中表面折疊缺陷，為防止折疊過深，需分多道次進行鐓粗，出現(xiàn)折疊現(xiàn)象后立即進行輕滾圓拔長后再進行鐓粗，嚴重影響鍛造效率及鍛造質量。采取直接拔長的方式進行展寬，在試驗前通過有限元數(shù)值模擬分析軟件對試制方案進行分析，最終通過實際生產(chǎn)驗證工藝方案的可行性。

1.工藝方案

鍛造工藝路線：芯棒展寬→換專用芯棒繼續(xù)展寬→上下平砧成形修整，選用50MN快鍛壓力機進行整個鍛造工序。具體過程為：將鈦合金錠平放在大平板上，上端采用φ630mm芯棒分兩次進行壓扁，總壓下量控制在300mm左右，左右移動芯棒進行展寬至坯料高度約為550mm。

為防止芯棒展寬過程中出現(xiàn)板坯料中間尺寸偏大，兩端偏小的情況，特制專用芯棒進行進一步展寬，展寬至寬度約為2000mm，高度約為440mm。

最后采用特制上平砧（7 0 0 m m砧寬，砧長2300mm）、下平板進行拔長及整形。

2.工藝的數(shù)值模擬

（1）模型建立及參數(shù)設定

采用SolidWorks軟件上對鈦合金錠、芯棒、特制芯棒、下平板、上下平砧進行三維建模，并導入有限元模擬軟件中。TA2材料屬性由數(shù)據(jù)庫中已有的模型導入，由于采用快鍛壓力機，設定正常開啟5臺泵的上砧平均壓下速度下限約為50mm/s。采用六面體網(wǎng)格對鈦錠模型進行網(wǎng)格劃分，為保證模擬的準確性，設定網(wǎng)格數(shù)量32000個。數(shù)值模擬的其他參數(shù)如附表所示。

有限元模擬的其他參數(shù)

（2）模擬過程分析 圖1為上下工裝及鈦錠初始擺放位置，上砧與芯棒接觸均勻壓下，壓下300mm后，左右橫移芯棒繼續(xù)壓下至圖2狀態(tài)，此時坯料高度約為550mm。

圖1 鈦錠初始壓下狀態(tài)

圖2 芯棒展寬結束

由于鈦錠總長為2600mm，采用芯棒展寬過程中由于兩端偏載的問題，坯料變形不均勻，在實際生產(chǎn)過程中必然會造成，兩端展寬小，中間展寬大的問題，采用特制芯棒重點對兩端進行展寬，如圖3、圖4所示。此時坯料高度高點為455mm，低點約為380mm。

圖3 特制芯棒展寬兩端

圖4 特制芯棒展寬結束

圖5表示采用上平砧及下平板，開始整形拔長，壓下量設定為100mm。圖6為整形結束，此時測定寬度最大點為2165mm，最小點2065mm，高度尺寸為265mm。

圖5 平砧整形拔長

圖6 最終成形

3.生產(chǎn)實際驗證

利用數(shù)值模擬形成的工藝參數(shù)，在生產(chǎn)實際中進行試驗，圖7為最終鍛造成形的TA2板坯，試驗過程中在厚度約為265mm時，展寬最寬點達到2150mm，與優(yōu)化后仿真結果非常接近。且兩端頭舌頭長度僅約50mm，低于常規(guī)鈦板成形的舌頭長度150～250mm。最終通過加工后材料利用率達到91.6%，高于常規(guī)的鈦板成形利用率約2%，符合最終成形的質量要求。

圖7 實際生產(chǎn)的合格鈦板