雙金屬鍛模在高強(qiáng)鋁合金框類鍛件成形中的應(yīng)用研究

滕樹滿

（廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州 545002）

1 引言

框梁類結(jié)構(gòu)件是大飛機(jī)上重要的承力構(gòu)件,如飛機(jī)的大梁、隔框、壁板、翼肋等均屬于該類構(gòu)件[1~2]。在模鍛成形該類構(gòu)件時(shí)，由于成形載荷大，模具易產(chǎn)生磨損，塑性變形、斷裂等失效，對(duì)鍛件的連續(xù)生產(chǎn)造成阻礙[3~6]。圖1 所示為某鍛模在生產(chǎn)后型腔塑性變形產(chǎn)生失效。如何提升該類鍛模的服役壽命是材料研究者需面臨的問題。

圖1 鍛模橋部發(fā)生坍塌

在之前的研究中，夏玉峰等基于仿生學(xué)提出了鍛模功能梯度設(shè)計(jì)的思路[7]。同時(shí)，電弧增材工藝的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)模具分區(qū)域制造[8~9]。本文基于該思路對(duì)鋁合金7050 框類鍛件用鍛模進(jìn)行了雙金屬功能梯度設(shè)計(jì)，并通過有限元模擬軟件計(jì)算了新舊結(jié)構(gòu)模具的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)分布特點(diǎn)，以期為該類鍛模的服役壽命提升提供指導(dǎo)。

2 有限元模擬與分析

2.1 傳統(tǒng)均質(zhì)模具場(chǎng)分布特點(diǎn)分析

本研究所選取的鋁合金框成形用鍛模三維造型如圖2 所示，該鍛模的最大外廓尺寸2,080×790×350mm。腹板處的型腔深70mm，高筋處的型腔深度100mm，橋部的長(zhǎng)度與厚度分別為35×10mm，模口圓角R9mm。采用內(nèi)插法計(jì)算該鍛模的應(yīng)力，有限元參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 鋁合金框成形用鍛模三維造型

表1 有限元參數(shù)設(shè)置

圖3所示為通過內(nèi)插法計(jì)算得到的模具應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)。結(jié)果表明：鋁合金框類鍛件鍛模在飛邊槽下方小部分區(qū)域有最大應(yīng)力（約673MPa），而其余區(qū)域的應(yīng)力均較小。這是因?yàn)殄懺炷┢?，鋁合金充滿型腔后流向飛邊槽時(shí)阻力增大，產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力，形成應(yīng)力集中并最終導(dǎo)致如圖1所示的鍛模橋部局部塑性變形。鍛模的溫度場(chǎng)模擬表明，成形后鍛模表面有較高的溫升而大部分區(qū)域的溫度保持恒定，這主要與鍛模-坯料的接觸、傳熱時(shí)間有關(guān)。鍛模表面的溫度過高將導(dǎo)致材料的軟化，在高應(yīng)力條件下更易使模具發(fā)生變形，影響鍛造生產(chǎn)的連續(xù)性。此外，還計(jì)算了模具應(yīng)力、溫度與測(cè)量點(diǎn)到型腔表面距離的關(guān)系，如圖4所示。結(jié)果表明：距鍛模表面50mm范圍內(nèi)，模具溫度應(yīng)力均顯著下降；當(dāng)距離超過50mm 范圍后鍛模溫度場(chǎng)幾乎保持恒定，模具應(yīng)力下降速率也顯著降低。以上獲得的鍛造過程中鍛模溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布將為鍛模雙金屬功能梯度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3 鋁合金框類鍛件鍛模應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布云圖

圖4 均質(zhì)材料鍛模應(yīng)力、溫度與測(cè)量點(diǎn)到型腔表面距離的關(guān)系

2.2 鍛模雙金屬功能梯度設(shè)計(jì)

鍛模的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果表明：鍛模的高溫及高應(yīng)力區(qū)主要集中于距型腔表面50mm 范圍內(nèi)。若采用傳統(tǒng)均質(zhì)材料進(jìn)行鍛模制造，大部分模具區(qū)域材料的性能將存在冗余，而高溫、高應(yīng)力區(qū)域的性能可能存在不足。采用電弧增材制造工藝實(shí)現(xiàn)模具的分區(qū)域制造可以突破這一困境。本文基于功能梯度設(shè)計(jì)的思路對(duì)鋁合金框類鍛件鍛模進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)：對(duì)于高溫、高應(yīng)力區(qū)域，可以采用韌性較好、但高溫硬度更低的合金（如鎳基合金CHN327）制造。由于其硬度較低，在變形時(shí)可以抵抗沖擊、傳遞應(yīng)力，避免了由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的模具產(chǎn)生變形；對(duì)于沒有溫升且應(yīng)力較低的區(qū)域，可以采用成本低、抗壓性能高但塑性與韌性更差的材料（如鑄鋼ZG10）進(jìn)行制造，降低模具制造成本的同時(shí)提高其抗壓能力。

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)在鋁合金框類鍛件鍛模中的適用性，對(duì)新結(jié)構(gòu)模具的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在電弧增材制造中，兩金屬將產(chǎn)生冶金反應(yīng)層。該層的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜且影響程度較小，為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算，本研究忽略了該層對(duì)模具性能的影響，而只是對(duì)于鍛模的不同區(qū)域賦予了不同的材料屬性，如圖5所示。鑄鋼zg10的基礎(chǔ)材料參數(shù)較少，本文采用材料熱力學(xué)軟件jmatpro7.0對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)充。

圖5 雙金屬鍛模示意圖

2.3 雙金屬鍛模場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)及變形分析

圖6所示為采用傳統(tǒng)均質(zhì)材料鍛模與采用雙金屬梯度設(shè)計(jì)的新型鍛模應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，采用雙金屬梯度設(shè)計(jì)的鍛模最大應(yīng)力由673MPa 降低至約469MPa，降幅約為30%，飛邊槽處的應(yīng)力集中得到了顯著改善。這是因?yàn)樾颓槐砻娌捎昧擞捕容^低的金屬載荷得以向模具底座傳播，中等應(yīng)力區(qū)域所占比例的增加從另一方面證明了這一推論。應(yīng)力的降低也減少了鍛模的變形，根據(jù)模擬結(jié)果，新舊結(jié)構(gòu)鍛模的最大應(yīng)變分別為0.002與0.0306，鍛模變形顯著降低，這對(duì)鍛件尺寸穩(wěn)定性的保證意義重大。

圖6 雙金屬鍛模與均質(zhì)鍛模模具應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)論與展望

為提高高強(qiáng)鋁合金框類鍛件用鍛模的服役壽命，本文在掌握了傳統(tǒng)均質(zhì)鍛模的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)后，采用功能梯度材料設(shè)計(jì)原理對(duì)鍛模選材及制造工藝進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并應(yīng)用有限元模擬軟件DEFORM-3D 模擬并對(duì)比了新舊模具溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的分布特點(diǎn)。結(jié)論如下：

（1）傳統(tǒng)均質(zhì)鋁合金框類鍛件鍛模的高應(yīng)力、高溫區(qū)主要位于飛邊槽處。距鍛模表面50mm 范圍內(nèi)，模具溫度應(yīng)力均顯著下降；當(dāng)距離超過50mm 范圍后鍛模溫度場(chǎng)幾乎保持恒定，模具應(yīng)力下降速率也顯著降低。

（2）采用鎳基合金CHN327與鑄鋼ZG10材料進(jìn)行鋁合金框類鍛件鍛模制造，節(jié)約制造成本的同時(shí)降低模具應(yīng)力與變形，提高模具壽命，該制造方法具有較高的可推廣性。

（3）有限元模擬時(shí)，本文忽略了兩金屬焊接反應(yīng)生成的冶金結(jié)合層對(duì)于應(yīng)力傳遞的影響。文本所提出的雙金屬鍛模方案還有待于進(jìn)一步實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，如何準(zhǔn)確建立雙金屬鍛模模具應(yīng)力與服役壽命預(yù)測(cè)模型仍值得深入研究。