基于多曲面分模設(shè)計(jì)的鈦合金模鍛件

林 劍，王 哲，馮曉艷，郭明輝，張延珍，蔡 松

(陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713801)

鈦合金因其具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、良好的生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]。采用模鍛成型的鈦合金鍛件，具有低倍組織均勻、流線沿外形分布以及減少材料消耗提高材料利用率等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于材料成型領(lǐng)域[4,5]。隨著20世紀(jì)末期計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、Pro/ENGINEER等繪圖工具廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，采用CAD、Pro/ENGINEER等軟件進(jìn)行繪圖以及Deform、Simufact等模擬軟件進(jìn)行鍛件成型模擬，可有效降低鍛件生產(chǎn)成本及周期，提高鍛件質(zhì)量[7-9]。隨著鍛件設(shè)計(jì)思想向近凈成型以及閉式模鍛模具思想的發(fā)展，對(duì)模具設(shè)計(jì)也提出了更高的要求[10,11]。采用傳統(tǒng)的單一分模面方式對(duì)部分復(fù)雜鍛件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)及鍛件成型，鍛件經(jīng)機(jī)加工后會(huì)產(chǎn)生流線切斷的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響零件服役壽命[12,13]，且采用單一分模面方式進(jìn)行復(fù)雜鍛件模具設(shè)計(jì)，材料利用率較低，提高了鍛件成本。因此采用多曲面分模方式對(duì)復(fù)雜模鍛件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，可有效提升鍛件性能及材料利用率，降低鍛件生產(chǎn)成本[14,15]。

本文以某變截面復(fù)雜鈦合金零件為研究對(duì)象，根據(jù)其特征，為避免最終零件加工后產(chǎn)生流線切斷的現(xiàn)象以及鍛件更好地成型，采用曲面分模方式進(jìn)行鍛件模具設(shè)計(jì)，為該鍛件模鍛成形提供模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1 鈦合金零件特征分析及鍛件設(shè)計(jì)思路

圖1為采用Pro/ENGINEER 4.0軟件的Part模塊繪制出的鈦合金零件三維數(shù)模圖。由圖可知，零件輪廓尺寸為590mm(L)×418mm(W)×169mm(H)，輪廓投影面積0.24m2，零件重量19.7kg。

圖1 鈦合金零件三維數(shù)模Fig.1 Three-dimensional digital modules of titanium alloy parts

由鈦合金零件三維數(shù)?？芍慵畲蠛穸?06mm，中間薄板部分最薄厚度僅為10mm，且零件縱向截面為弧形；中間結(jié)構(gòu)為非加工部分，需要填充1號(hào)～ 3號(hào)部位的通孔部分。零件具體特征分析及鍛件設(shè)計(jì)思路為：(1)1號(hào)和2號(hào)部位為不完全填充，只填充至與零件背面凹槽處相平即可，即保持零件底面完全吻合輪廓外形，并保持與凹槽底部形狀外貌特征一致。(2)3號(hào)部位為不完全填充，填充至保持零件底面完全吻合輪廓外形，并與零件正面凹槽處相平即可，并保持與凹槽底部形狀外貌特征一致。(3)4號(hào)和5號(hào)部位進(jìn)行中心圓柱形結(jié)構(gòu)填充，外圓柱直徑尺寸、厚度方向尺寸均與零件保持一致。(4)6號(hào)部位為全加工部位，對(duì)其進(jìn)行中心圓柱形結(jié)構(gòu)填充，并沿輪廓外形及厚度方向均增加3mm機(jī)加余量。(5)7號(hào)部位為一高度47.6mm、厚度24mm、頭部Φ35mm的圓柱梯形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，鑒于其高寬比為1.8，為降低成型難度，將其厚度方向增加機(jī)加余量至38mm，其余方向尺寸不變。(6)8號(hào)～11號(hào)部位為方形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，且為機(jī)加部位。對(duì)其高度方向增加3mm機(jī)加余量，并倒圓角R100與零件外形接合。(7)12號(hào)部位為半圓型凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，且為非加工部位，故對(duì)其未增加機(jī)加余量，保持原狀。(8)13號(hào)～15號(hào)為凹槽結(jié)構(gòu)，且為非加工部位，故對(duì)其未增加機(jī)加余量，保持原狀。(9)16號(hào)部位為三角形凸臺(tái)T結(jié)構(gòu)，其邊長(zhǎng)尺寸僅為45mm，T部厚度僅為10mm，考慮其不易成型問(wèn)題，將其在厚度方向增加機(jī)加余量至與其相接的圓臺(tái)厚度一致，寬度方向增加3mm機(jī)加余量，并保持外形輪廓一致。

2 鍛件的模具設(shè)計(jì)

2.1 鍛件的曲面分模設(shè)計(jì)

圖2和圖3分別為鈦合金鍛件數(shù)模和曲面分模設(shè)計(jì)圖，根據(jù)零件特點(diǎn)，鍛件分模面由6段平面構(gòu)成。其中，A段處于圓臺(tái)中部并經(jīng)過(guò)圓臺(tái)中心，與水平線呈25°夾角，且處于下模的部位需要填充材料，為保證鍛件鍛造完成后順利取出，增加出模斜度為7°；B段與鍛件外形斜度保持一致，并與水平線呈53°夾角，AB段采用R30進(jìn)行過(guò)渡連接；C段處于鍛件結(jié)構(gòu)中部，與鍛件外形斜度保持一致，并與水平線呈10°夾角，BC段采用R30進(jìn)行過(guò)渡連接；D段處于鍛件上、下端面中間，距底部30mm，與模具保持水平，CD段采用R30進(jìn)行過(guò)渡連接；E段處于鍛件結(jié)構(gòu)中部，保持與鍛件外形斜度一致，與水平線呈11°夾角，DE段按R100過(guò)渡連接；F段經(jīng)過(guò)圓柱截面中心，與水平線呈40°夾角，EF段按R30過(guò)渡連接，并且處于下模的部位需要填充材料，同樣為保證鍛件順利取出，增加出模斜度7°；整個(gè)分模面左右部分高度落差為25mm。

圖2 鈦合金模鍛件數(shù)模Fig.2 Titanium alloy die forging digital die

圖3 鈦合金鍛件曲面分模設(shè)計(jì)Fig.3 Surface parting design of titanium alloy forgings

2.2 模具設(shè)計(jì)

圖4為鈦合金鍛件模具圖，按以下規(guī)則進(jìn)行模具設(shè)計(jì)：

(1)在鍛件冷尺寸的基礎(chǔ)上，終鍛溫度下鈦合金的收縮率為0.5%～0.7%，對(duì)該截面變化較大的鍛件，按鍛件厚度確定收縮率，所采用的收縮率為0.7%～0.9%，對(duì)于無(wú)中心的圓角半徑不加放收縮率。

(2)由于該鍛件上、下部形狀非對(duì)稱，根據(jù)金屬流動(dòng)的特征以及材料在模具型腔的填充特性，將鍛件帶高凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的部位置于上模面，易于復(fù)雜形狀的成型。

(3)將鍛件毛邊槽設(shè)置于上模中，與鍛件坯料的接觸時(shí)間短，可減少模具磨損程度。其中橋部尺寸根據(jù)鍛件在分模面的投影面積、鍛件質(zhì)量采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，橋部高度8mm，長(zhǎng)度25mm；倉(cāng)部高度18mm，長(zhǎng)度100mm，毛邊槽截面積1879mm2。

(4)在上、下模具四角設(shè)置120mm×80mm×50mm的方形鎖扣裝置，上模為凹形，下模為凸形，下模凸形可更好的減少上下模具的錯(cuò)移量，以及減少模具承擊面的面積，并因在壓機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)，鎖扣高度可低于鍛件分模面落差。上模鎖扣底面和下模鎖扣頂面間距2mm，可防止鎖扣端面受壓，延長(zhǎng)鎖扣使用壽命。鎖扣斜度為3°，便于上模向下壓制時(shí)越向下模具接觸面越大，并對(duì)上模上下運(yùn)動(dòng)時(shí)起到導(dǎo)向作用，鎖扣斜度太小鎖扣可能相撞擊而損壞，太大影響對(duì)錯(cuò)移的控制。鎖扣間隙0.2mm～0.3mm，小于鍛件允許錯(cuò)移量的1/2，模具使用狀態(tài)為200℃～250℃，加熱后產(chǎn)生一定的膨脹量，間隙太大不利于鍛件錯(cuò)移量的控制，太小在模具使用過(guò)程中容易產(chǎn)生“抱死”現(xiàn)象。

(5)在上、下模具中心部位設(shè)置Φ150mm×25mm的圓柱形臥鍵槽，與壓機(jī)設(shè)備的安裝板相聯(lián)接，配合間隙0～0.2mm。

(6)在上、下模具前后端面設(shè)置4個(gè)T型槽，與模座“米”字形槽相對(duì)應(yīng)，用六角螺母+T形螺栓進(jìn)行聯(lián)接并加以緊固， T型槽頭端寬度93mm，長(zhǎng)度130mm，深度35mm，配合使用Φ90mm×32.5mm的六角螺母；桿部槽端寬度為42mm，長(zhǎng)度為100mm，深度45mm，配合使用M40mm×90mm的T型螺栓；保證模具與模座的一體性。

(7)在上、下模具左右端面設(shè)置2個(gè)，前后端面設(shè)置1個(gè)，共12個(gè)Φ40mm×70mm吊裝孔，距離模具端面100mm，配合專用吊裝工裝在起重設(shè)備上使用，實(shí)現(xiàn)模具的轉(zhuǎn)移、組裝及卸裝。

(8)在下模中心位置設(shè)計(jì)T形圓柱頂出裝置，大端頭直徑不大于下模型腔最小寬度，圓柱形可最大限度的減小加工量，頂桿上端面與模具下型腔完全匹配，邊角不允許倒角，防止成型時(shí)因間隙出現(xiàn)毛刺等缺陷。大端高度為110mm，頂桿整體350mm，大端直徑約Φ150mm，桿部直徑Φ75mm，以保證頂桿工作時(shí)強(qiáng)度的足夠。大端面的下端面與模具完全配合，防止因重力下沉影響上端面與型腔的匹配度，并加以R10mm～R15mm的過(guò)渡圓角，防止在使用過(guò)程中尖角崩裂。頂桿的細(xì)桿長(zhǎng)度于模具臥鍵槽端面相平，在鍛件與模具發(fā)生粘連時(shí)，尤為利于工件的出模，防止因翹取時(shí)產(chǎn)生變形，細(xì)桿直徑為Φ75mm，模具導(dǎo)向直徑為Φ80mm，設(shè)備頂桿直徑為Φ78mm，單邊間隙1mm～2.5mm，在鍛件從下模型槽中頂出后，頂桿能依靠自身重量恢復(fù)原位。

圖4 鈦合金鍛件模具圖Fig.4 Die drawing of titanium alloy forgings

圖5為鈦合金鍛件模具數(shù)模，其中模具上模塊尺寸為1140mm(L)×960mm(W)×527.5mm(H)，下模塊尺寸為1140mm(L)×960mm(W)×600mm(H)。由圖可知，采用曲面分模設(shè)計(jì)的鍛件模具也存在6個(gè)分模面，并與鍛件外形保持一致。

圖5 鈦合金鍛件模具數(shù)模Fig.5 Die digital mold of titanium alloy forgings

2.3 鍛件成型模鍛荒形設(shè)計(jì)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的鈦合金模鍛件模具形狀特點(diǎn)，采用鈦合金曲面板坯作為模鍛荒形，具體規(guī)格見(jiàn)圖6。

圖6 鈦合金模鍛件荒形圖Fig.6 Waste map of titanium alloy die forging

2.4 鍛件成型模擬

圖7為采用Simufact 軟件對(duì)本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的鈦合金最終鍛件外形數(shù)模進(jìn)行成型模擬。結(jié)果表明，采用曲面分模設(shè)計(jì)該鍛件充型良好，棱角未出現(xiàn)明顯夾傷現(xiàn)象，可進(jìn)行該模鍛件的生產(chǎn)。

圖7 最終鍛件Simufact模擬成型結(jié)果Fig.7 Final forging Simufact simulation molding result

3 結(jié)論

(1)在鍛件成型設(shè)計(jì)中，采用鈦合金曲面板坯進(jìn)行該模鍛件的生產(chǎn)，該模鍛件充型良好，未出現(xiàn)明顯棱角夾傷現(xiàn)象。

(2)根據(jù)本零件特點(diǎn)采用曲面分模設(shè)計(jì)該鈦合金模鍛件及模具，可生產(chǎn)出合格鍛件，該模具合理可行。