TC1合金殼體鍛件模鍛成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/李玉鳳，李曉婷，洪鑫，郭福民·無(wú)錫透平葉片有限公司

TC1合金屬于低合金化近α型鈦合金，具有中等強(qiáng)度、高塑性、良好的熱穩(wěn)定性和成形性能，多用于飛機(jī)蒙皮、帽罩、外殼、支撐機(jī)匣等重要部件。殼體鍛件屬于典型的中小型空心盤(pán)類鍛件，該類鍛件形狀簡(jiǎn)單但模鍛成形難度較大，常常通過(guò)加大工藝余量、增加鍛造火次、增加輔助工序等來(lái)獲得組織性能良好的鍛件。項(xiàng)目組分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性和工藝特性后，通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，從而獲得低成本高質(zhì)量的鍛件，為研制類似產(chǎn)品提供了可靠的參考依據(jù)和技術(shù)支持。

殼體鍛件模鍛工藝性分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)用TC1合金殼體模鍛件，若采用近凈成形方式而設(shè)計(jì)為環(huán)鍛件，則需環(huán)形坯料進(jìn)行模鍛，環(huán)坯制造過(guò)程容易產(chǎn)生變形不均勻且增加了工序成本，故考慮將鍛件設(shè)計(jì)為實(shí)心盤(pán)鍛件。在成形過(guò)程中，圓餅類鍛件中心區(qū)域容易形成變形死區(qū)導(dǎo)致鍛件組織均勻性差，與此同時(shí)圓餅類鍛件材料利用率低，導(dǎo)致成本增加，綜合考慮后，將鍛件設(shè)計(jì)為圖1所示的矩形環(huán)件，即沿零件外輪廓單邊增加5mm的工藝余量，細(xì)實(shí)線為零件輪廓，高厚比為1.08。

根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特性和質(zhì)量要求，鍛造工藝設(shè)計(jì)為棒料1火次閉式模鍛成形，為保證鍛件充分變形、組織均勻且鍛造過(guò)程坯料定位可靠、操作方便，選用φ200mm的棒料進(jìn)行生產(chǎn)，后續(xù)通過(guò)數(shù)值模擬評(píng)估鍛件及工藝可行性。

殼體鍛件模鍛工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 鍛件示意圖

鍛件外緣與中心區(qū)域截面變化率高達(dá)2.8，截面過(guò)渡區(qū)域材料流動(dòng)劇烈，該區(qū)域材料應(yīng)變大，且與溫度較低的模具接觸容易產(chǎn)生織構(gòu)或拉裂等缺陷；外緣高厚比達(dá)到1.08，外緣下端面填充難度較大。為了準(zhǔn)確評(píng)估鍛件及工藝設(shè)計(jì)的合理性，采用DEFORM-2D對(duì)鍛件成形過(guò)程進(jìn)行模擬，圖2所示為鍛件成形至理論尺寸的溫度分布，零件本體區(qū)域溫度在834℃～905℃之間；圖3所示為鍛件的應(yīng)變分布，零件本體區(qū)域應(yīng)變?cè)?.276～0.845之間，最小應(yīng)變區(qū)域位于零件下端面，應(yīng)變分布均勻性有待提升，且下端面小應(yīng)變區(qū)域原始組織破碎不充分也會(huì)影響零件組織整體均勻性。

圖2 鍛件溫度場(chǎng)

圖3 鍛件應(yīng)變場(chǎng)

圖4 優(yōu)化前后鍛件示意圖

綜合分析鍛件結(jié)構(gòu)和工藝還有優(yōu)化的空間，為此在原鍛件和工藝的基礎(chǔ)上對(duì)鍛件形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的鍛件如圖4中點(diǎn)畫(huà)線所示。

優(yōu)化后的鍛件在原鍛件的基礎(chǔ)上單邊工藝余量減小了1mm，材料利用率提高了約10%，優(yōu)化前鍛件采用閉式模鍛，鍛件外緣上端面材料流動(dòng)受阻導(dǎo)致成形載荷高達(dá)4970t，優(yōu)化后的工藝對(duì)鍛件局部的斜度和圓角進(jìn)行了調(diào)整，并將橋部高度由0mm調(diào)整至5mm。

圖5為鍛件成形工藝優(yōu)化后的溫度場(chǎng)分布，溫度在840℃～902℃之間；圖6為鍛件成形工藝優(yōu)化后的應(yīng)變場(chǎng)分布，零件本體區(qū)域應(yīng)變?cè)?.315～0.902之間，與鍛件優(yōu)化前的成形情況相比，應(yīng)變整體提升且應(yīng)變場(chǎng)均勻性得以改善。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鍛件優(yōu)化后的成形效果，按圖4所示在零件本體區(qū)域分別取了9個(gè)點(diǎn)，對(duì)不同區(qū)域的變形情況進(jìn)行點(diǎn)追蹤，圖7和圖8對(duì)比了鍛件優(yōu)化前后溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)均勻性，藍(lán)色線條展示了優(yōu)化后的變形情況，溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分布均勻性都比優(yōu)化前好，且載荷降為4380t。因此鍛件和工藝經(jīng)優(yōu)化后其可行性和適應(yīng)性更優(yōu)越，隨后按照優(yōu)化后的鍛件和工藝進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。

圖5 優(yōu)化后鍛件成形的溫度場(chǎng)

圖6 優(yōu)化后鍛件成形的應(yīng)變場(chǎng)

圖7 優(yōu)化前后鍛件溫度場(chǎng)均勻性對(duì)比圖

圖8 優(yōu)化前后鍛件應(yīng)變場(chǎng)均勻性對(duì)比圖

殼體鍛件優(yōu)化工藝試制驗(yàn)證

按照優(yōu)化工藝進(jìn)行試制，其中鍛造溫度為T(mén)β-30℃，終鍛溫度不低于750℃，工裝模具預(yù)熱溫度均不低于300℃，變形量大于30%，一火次模鍛成形后得到圖9所示的鍛件，鍛件填充良好且表面質(zhì)量良好。按照標(biāo)準(zhǔn)退火工藝熱處理后，鍛件軸徑截面低倍組織如圖10所示，鍛件低倍組織均勻性較好。圖11是原材料1/2半徑位置的高倍組織，組織有明顯的方向性；鍛件高倍組織見(jiàn)圖12，經(jīng)過(guò)模鍛后相應(yīng)位置應(yīng)變?yōu)?.36、溫度為890℃，原始條帶狀組織得以充分破碎，組織均勻性得以明顯改善。

圖9 鍛件實(shí)物圖

圖10 鍛件低倍組織

圖11 原材料高倍組織

圖12 鍛件高倍組織

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬對(duì)比分析，對(duì)TC1合金殼體鍛件的模鍛工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后鍛件材料利用率提升了10%，實(shí)現(xiàn)了鍛件的精細(xì)化制造；零件本體區(qū)域最小應(yīng)變大于30%，原始組織得以充分破碎，獲得了組織均勻性較好的鍛件，為研制類似鍛件提供了可靠的技術(shù)參照依據(jù)。