大斷面收縮率TC4軸類零件精密楔橫軋數值模擬

譚 昊,師明杰,劉家旭,鄧泉水,陳 明,,張士宏,程 明

(1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 鞍山 114051； 2.中國科學技術大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110016; 3.中國科學院金屬研究所師昌緒先進材料創(chuàng)新中心，沈陽 110016)

1 引言

鈦合金具有密度小、高比強度和抗疲勞強度好等特點，其憑借優(yōu)異的耐腐蝕性、耐熱性，被廣泛應用于航空航天、車輛工程、醫(yī)療器械以及武器裝備等領域。鈦合金材料性能優(yōu)異，但本身材料制備工藝復雜，相較其他用途廣泛的合金成本高昂。鈦合金作為一種難變形材料，在航空航天、武器裝備等高精密零件成形中往往采用繁瑣的加工工藝，而造成極大的浪費。如航空發(fā)動機中的鈦合金壓氣機葉片制坯過程極其繁瑣，采用楔橫軋的塑性加工工藝則可以簡化繁瑣的加工步驟?，F階段，楔橫軋塑性加工工藝已經非常成熟，國內外諸多學者已成功試制許多不同種類、不同用途的楔橫軋件。Pater等通過板式楔橫軋工藝對鈦合金的成形性能進行了研究，并指出TC4鈦合金可以用于生產軸對稱成品，但鈦合金材料流動的阻力較高成形軋件比較困難。北京科技大學胡正寰院士團隊提出楔橫軋的斷面收縮率應在35%～75%，大斷面收縮率將引起螺旋縮頸及拉斷等問題，因此高精度的大斷面收縮率鈦合金軋件成形難度較大。對此，本文針對大斷面收縮率軋件結構特點，設計板式楔橫軋模具并采用數值模擬方法，對大斷面收縮率的TC4鈦合金板式楔橫軋精密成形工藝進行研究，并基于分析結果進行實驗驗證。

2 板式楔橫軋優(yōu)勢及模具設計

2.1 板式楔橫軋優(yōu)勢

目前，主流的楔橫軋機有輥式與板式楔橫軋機。板式楔橫軋軋件成形原理是利用2個帶有相同楔形凸起的模具，通過模具運動靠摩擦力的作用帶動軋件旋轉成形的塑性加工工藝。相較輥式楔橫軋機，板式楔橫軋機突出的優(yōu)勢主要有如下幾方面：

1) 模具加工、安裝及拆卸簡單；

2) 平面模具進行軋制，軋件穩(wěn)定性高；

3) 軋件精度高，主要由于板式楔橫軋模具本身加工精度高以及軋制過程中軋件相對板式楔橫軋模具位置更精確這兩方面因素決定。

因此在生產高精度軋件方面，板式楔橫軋機相較其他類型的楔橫軋機有很大的優(yōu)勢。

2.2 板式模具設計

圖1(a)為目標軋件，(b)為上模具，其前端設計帶有一定弧度的圓角，方便模具準確楔入軋件中。由于作為研究對象的目標軋件斷面收縮率高達82.2%，其軋制難度大，因此需對模具進行特殊設計，主要有：

1) 在楔入段及寬展段的楔頂處設計一定寬度的平面，以增大與軋件之間的摩擦力。

2) 通常，成形角越大越不利于軋件的轉動，容易引起打滑。因此在模具的楔入段與展寬段設計不同的成形角，分別為35°與45°，以確保軋件正常旋轉成形。

3) 通常，展寬角越大越不利于軋件轉動且越容易產生螺旋縮頸。因此在模具的楔入段與展寬段設計不同的展寬角，分別為3°與1.32°，以確保軋件正常旋轉成形。

圖1 目標軋件及模具示意圖

3 有限元建模

坯料與模具的裝配關系如圖2所示。將建立完成的幾何模型轉換成STL文件后導入到DEFORM 3D中，并進行軋件網格劃分、邊界條件設定建立有限元仿真模型。

本研究對楔橫軋數值模擬過程做出以下設定：① 由于目標軋件具有對稱性，為提高計算效率取二分之一坯料進行模擬分析，中心截面設置為對稱邊界；② 將模具作為剛性體，將坯料作為剛塑性體且選用材料庫中TC4鈦合金模型；③ 坯料與環(huán)境的傳熱系數為常數；坯料與模具接觸面間的摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因子設為常數，有關數值見表1。

圖2 坯料與模具裝配關系示意圖

表1 有限元模型參數

4 有限元分析

4.1 楔橫軋成形過程分析

圖3表示軋件在楔橫軋軋制時從楔入、展寬到精整成形的過程。起始階段，上模具運動楔入坯料表面并壓出較淺凹痕，同時帶動坯料轉動。隨著楔頂高度及展寬量的增加，軋件不斷發(fā)生徑向壓縮與軸向拉伸，最終達到零件目標尺寸。

圖3 目標軋件楔橫軋軋制成形過程示意圖

4.2 成形精度分析

軋件的尺寸精度除了受模具結構與材料本身的力學特性的影響外，還受軋制溫度及軋制速度影響。鈦合金對成形溫度較為敏感，而成形過程中坯料表面溫降較快、塑性下降，從而導致軋制失敗。因此軋制速度不宜過低，應在較短時間內完成軋制。結合實際生產過程中板式楔橫軋機的設備參數，本次數值模擬選定的軋制速度為500 mm/s。為研究軋制溫度對軋件成形性能的影響，分別選取750 ℃、800 ℃、850 ℃以及900 ℃四個溫度進行數值模擬分析。由于軋件的變形區(qū)域主要集中在中心區(qū)域且中心部位容易出現孔洞及螺旋縮頸等問題，因此成形后軋件的變形區(qū)直徑可作為判斷軋件成形精度的指標，變形區(qū)直徑如圖1所示。由于數值模擬都是基于理想條件下的結果，考慮到實際軋制過程中坯料與模具間存在間隙，因此，在無明顯縮頸情況下，軋件變形區(qū)直徑越接近11.8 mm，表明軋件成形精度越好；反之，則成形精度較差。從圖4可知隨著軋件軋制溫度的升高，軋件變形區(qū)直徑越大且越接近11.8 mm。軋制溫度為900 ℃時，軋件變形區(qū)直徑為11.71 mm，表明在此溫度條件下軋件成形精度最好。軋制溫度為750 ℃時，軋件變形區(qū)直徑為11.59 mm，表明在此溫度下軋件成形精度較差。

圖4 軋件變形區(qū)直徑隨溫度變化

4.3 橫截面應力、應變及溫度分析

圖5為軋制溫度為900 ℃，軋制速度為500 mm/s時的模擬結果云圖。圖5(a)表示軋制過程中軋件的楔入、寬展到精整成形的等效應力變化情況。楔入階段，模具楔入坯料中，模具運動方向上產生材料堆積，該部位最大等效應力達到297 MPa，遠離楔入部位的等效應力逐漸減小。當坯料進入展寬段時，坯料傾斜面與模具貼合處受到較大的壓力。進入精整段時，中心部位已基本成形所受等效應力較小，未變形區(qū)域與模具接觸靠摩擦力作用繼續(xù)運動完成成形過程。圖5(b)表示軋制過程中等效應變變化情況。軋件隨模具運動不斷旋轉，徑向與軸向方向分別隨楔頂高度及寬展量的增加，發(fā)生徑向壓縮與軸向拉伸，應變量不斷增大，軋件心部與未變形區(qū)域應變量較小。圖5(c)表示軋制過程中溫度變化情況，軋件表層因為與模具和空氣直接接觸溫度相對較低。在軋件變形區(qū)域，由于材料的塑性變形功轉化為熱能，使得從接觸部位向中心區(qū)域溫度先升高后降低。隨著軋制進行，軋件中心變形區(qū)域不斷受到揉搓，溫度繼續(xù)升高，局部最高可達1 020 ℃。中間區(qū)域溫度過高，容易導致軋件出現縮頸等缺陷。

圖5 軋制溫度900 ℃，軋制速度500 mm/s條件下的 模擬結果云圖Fig.5 Simulation results of stress(a),strain(b) and temperature(c) during the rolling process at rolling temperature at 900 ℃ and speed at 500 mm/s

4.4 等效應力、應變及溫度點追蹤

在坯料中心橫截面上從中心沿半徑方向等間隔取P1、P2及P3三個追蹤點，用以追蹤三點處的應力、應變及溫度情況。圖6(a)表示軋制前追蹤點位置，(b)表示軋制后追蹤點位置。

圖6 軋制前后追蹤點位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of position of tracking points before and after rolling

圖7為追蹤點的等效應力隨時間變化曲線。由圖7可以看出軋件表層P3位置應力波動明顯，中心位置P1點與中間位置P2點等效應力值相差不大。三點等效應力值均呈現先增大后減小趨勢。

圖8為追蹤點的等效應變隨時間變化曲線。由圖8可以看出靠近表層位置的P3點等效應變量最大，P1點與P2點在1 s前等效應變量幾乎相同，1 s后P2點較P1點有所升高。這是因為1 s后軋件進入展寬段，模具壓下量及展寬量明顯增大，P2點處材料發(fā)生較大流動導致P2點的等效應變量升高。

圖7 追蹤點的等效應力隨時間變化曲線

圖8 追蹤點的等效應變隨時間變化曲線

圖9為追蹤點的溫度隨時間變化曲線。由圖9可以看出P1點與P2點的溫升趨勢一致，且P2點的溫度要高于P1點。P3點接近坯料表面，當該點靠近模具楔形凸起部位時，變形量大，產生的塑性變形熱更多，溫度升高明顯。隨后該點逐漸遠離楔形凸起部位，與空氣進行熱交換，溫度降低，因此該點溫度總體呈現波浪式升高。

圖9 追蹤點的溫度隨時間變化曲線

4.5 損傷分析

楔橫軋工藝成形主要會出現心部孔洞、縮頸以及表面螺旋線等缺陷，而大斷面收縮率的軋件中心區(qū)域的材料受拉壓、扭轉復合應力的作用發(fā)生較大變形，更容易出現孔洞缺陷。因此，為探究軋件損傷情況，追蹤圖6所示三點處的損傷值，其損傷模型采用Normalized Cockcroft & Latham，其表達式如式(1)所示：

(1)

其中，為等效應變，為最大主應力，為等效應力。

由圖10可知，各點損傷值隨軋制距離的增加在不斷增大。在1.25 s之前中心點P1損傷值最大。P1點與P2點損傷值變化趨勢一致，P2處損傷值低于P1。1 s后坯料展寬、表面變形量增加從而導致P3值的顯著增大。

圖10 追蹤點的損傷演變曲線

5 實驗過程及結果

圖11所示為IM500板式楔橫軋機，該板式軋機具有機械剛度高、定位精度高以及易操作、調試和維護等諸多優(yōu)點，可用于楔橫軋工藝的研究，IM500的主要功能參數如表2所示。

圖11 IM500板式楔橫軋機圖

表2 IM500的主要功能參數

圖12所示為利用IM500板式楔橫軋機所軋制的TC4軋件，其軋制溫度分別為750 ℃、800 ℃、850 ℃和900 ℃，軋制速度為500 mm/s。從圖中可以看出，750 ℃下出現明顯螺旋縮頸的缺陷，隨著軋制溫度的升高，螺旋縮頸的問題明顯改善。900 ℃下軋件外形尺寸及表面質量較好，且其無損探傷結果表明心部無疏松、孔洞等缺陷(圖13)，滿足目標軋件要求。

圖12 不同軋制溫度下TC4軋件圖

圖13所示為軋制溫度為900 ℃的無損探傷檢測結果。由圖片可觀察到該軋件未出現孔洞及損傷情況，進一步驗證了運用板式楔橫軋機軋制大斷面收縮率TC4鈦合金軸類件的可行性。

圖13 900 ℃下TC4軋件無損探傷檢測結果示意圖

6 結論

1) 對斷面收縮率達82%的TC4鈦合金軸類件單道次板式楔橫軋成形進行了模具方案設計和相應的熱力耦合數值模擬分析。獲得了750～900 ℃下軋制溫度對軋件變形區(qū)直徑的影響規(guī)律，隨著軋制溫度升高，變形區(qū)直徑隨之增大。

2) 在軋制溫度750～900 ℃、軋制速度500 mm/s實驗參數下，采用IM500板式楔橫軋機進行TC4楔橫軋實驗，實驗結果與模擬結果較為吻合。當軋制溫度較低,小于等于800 ℃時，軋件發(fā)生明顯的頸縮拉細。隨著軋制溫度升高，軋件的頸縮現象逐漸消除。在軋制溫度850～900 ℃，軋制速度500 mm/s條件下，可獲得表面質量和尺寸滿足要求的軋件。

3) 通過對實驗所得TC4軸類件進行外形尺寸、表面質量對比和無損探傷分析，驗證了單道次楔橫軋成形大斷面收縮率TC4軸類件的可行性。通過工藝參數優(yōu)化，可實現外形尺寸和心部質量滿足要求的大斷面收縮率TC4軸類件楔橫軋高效節(jié)材制造。