多臺(tái)階TC4非對(duì)稱軸類零件楔橫軋成形研究

韓 銘,劉家旭,師明杰,陳帥峰,張士宏,程 明

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110016;2.中國科學(xué)院金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心, 沈陽 110016)

0 引言

兵器制造技術(shù)是高度綜合的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),是國家最高工業(yè)水平的體現(xiàn)之一[1]。未來武器裝備在服役的過程中需要克服高溫、高速等復(fù)雜環(huán)境帶來的影響,因此其發(fā)展依賴輕質(zhì)高強(qiáng)度且穩(wěn)定性好的材料在本領(lǐng)域的應(yīng)用。而鈦合金具有強(qiáng)度高和抗疲勞強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn),完美契合武器裝備領(lǐng)域的需求[2]。

除了能達(dá)到減重的要求外,鈦合金還具備耐腐蝕、高沖擊韌性、高斷裂韌性等特性,在艦船、坦克、導(dǎo)彈、特種車輛等武器上均有普遍的應(yīng)用[3]。但是鈦合金屬于難變形合金,且成形加工困難,存在尺寸精度低,熱加工窗口窄等問題。通常情況下,升高溫度可以提高鈦合金的延展性并降低材料強(qiáng)度,此種方法常用于提高成形極限和精度等級(jí)[4-6]。

隨著武器裝備行業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)于軸類零件的需求量與日俱增,其中大部分是非對(duì)稱軸類零件。目前,楔橫軋對(duì)于該類零件最常用的方法是“一模兩件”成形,將非對(duì)稱軋制轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱軋制[7-8]。但是由于設(shè)備以及模具寬度的限制,很多非對(duì)稱件無法成對(duì)軋制。此外,單件成形時(shí)軋件的外形不對(duì)稱,導(dǎo)致軸向力和切向力不平衡,軋件可能會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)、軋件扭曲等缺陷[9-10]。故對(duì)于非對(duì)稱件的軋制研究具有必要性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類材料以及用途的楔橫軋件進(jìn)行了研究,胡正寰[11-12]提出可以通過選擇不同的工藝參數(shù)以及軸向竄動(dòng)量的補(bǔ)償來解決軋件缺陷。Pater等[13-15]對(duì)于鈦合金楔橫軋工藝進(jìn)行了研究,指出TC4鈦合金可以用于生產(chǎn)軸類零件。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,往往需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具,合理添加摩擦槽防止零件滑動(dòng)。通過在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行有限元模擬可以顯著提高工作效率[16-17],避免資源浪費(fèi)。

目前,用于實(shí)際生產(chǎn)的楔橫軋主要分為2類,分別是輥式楔橫軋和板式楔橫軋[18]。本文中選用的板式楔橫軋機(jī)是使用兩個(gè)相同的、帶有楔形突起的平板類模具,工作時(shí)模具發(fā)生相對(duì)移動(dòng),軋件在模具之間依靠摩擦力發(fā)生滾動(dòng),并由于楔形的作用發(fā)生塑性變形[24]。對(duì)此,針對(duì)非對(duì)稱軸類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了板式楔橫軋模具,并采用數(shù)值模擬方法對(duì)成形工藝開展研究,經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,證實(shí)TC4非對(duì)稱軸類件楔橫軋成形的可能性。

1 楔橫軋實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 楔橫軋模具設(shè)計(jì)

圖1為目標(biāo)軋件,圖2(a)為設(shè)計(jì)出的模具俯視圖。該軋件具有非對(duì)稱特征,軋制過程中易出現(xiàn)軸向力不平衡,軋件偏移等問題。因此,模具結(jié)構(gòu)包括一些特殊設(shè)計(jì),如圖2(b)所示,主要有:楔形兩側(cè)設(shè)計(jì)帶有摩擦槽,增大軋件與模具間接觸摩擦,防止軋件滾動(dòng)的過程中相對(duì)模具發(fā)生滑動(dòng);該模具尾部設(shè)計(jì)有刀具,可以在軋制完成后將軋件兩端多余部分進(jìn)行切除;成形角越大越不利于軋件的滾動(dòng)[23],因此在模具的楔入段和展寬段設(shè)計(jì)了不同的成形角;成形時(shí)斷面收縮率越大成形難度越大,因此后半段成形設(shè)計(jì)為兩次成形過程,避免一次成形導(dǎo)致的卡料等問題。

圖1 目標(biāo)軋件

圖2 模具的俯視圖和特殊設(shè)計(jì)

1.2 有限元建模

本文中使用DEFORM-3D有限元軟件進(jìn)行模擬仿真,通過三維作圖軟件繪制坯料與模具,并調(diào)整其裝配關(guān)系,隨后將STL.格式文件導(dǎo)入有限元軟件中,裝配關(guān)系如圖3所示。

圖3 坯料與模具裝配關(guān)系示意圖

楔橫軋成形非對(duì)稱零件過程中既存在徑向壓縮和軸向延伸,又存在橫向擴(kuò)展,這導(dǎo)致變形過程材料所受應(yīng)力應(yīng)變是非線性的,同時(shí)應(yīng)變和位移也是非線性的,其邊界條件非常復(fù)雜[20-21]。綜合考慮以上因素,建立符合真實(shí)成形過程的有限元模型,并作出如下假設(shè):

1) 坯料塑性變形量很大,忽略其彈性變形,設(shè)置為剛塑體,材料模型選自軟件材料庫中TC4合金;

2) 相較于坯料在高溫下發(fā)生塑性變形,模具的彈性變形非常小可以忽略不計(jì),可以將兩側(cè)模具視為剛體;

3) 摩擦槽可以有效避免軋件與模具之間打滑的現(xiàn)象,選擇摩擦類型為剪切摩擦,并設(shè)置較高的摩擦因子。

4) 軋制過程持續(xù)時(shí)間較短,可以將坯料與環(huán)境、模具的傳熱系數(shù)視為定值。

為探究不同溫度對(duì)軋制成形效果的影響,將坯料的軋制溫度分別設(shè)置為600、800、1 000 ℃。工件網(wǎng)格數(shù)量均設(shè)置為50 000,當(dāng)網(wǎng)格最小單元尺寸畸變量達(dá)到0.7時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格重劃分,模擬設(shè)定的一些重要參數(shù)總結(jié)在表1中。圖4展示了坯料與軋件的網(wǎng)格變化(以軋制溫度1 000 ℃的模擬為例)。

表1 有限元模型參數(shù)

圖4 網(wǎng)格劃分在數(shù)值模擬中的應(yīng)用

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 軋件尺寸精度分析

軋制過程坯料表面與模具直接接觸,溫降速度快。而鈦合金對(duì)于溫度變化敏感,坯料表面的材料塑性及流動(dòng)性會(huì)受溫度影響,導(dǎo)致軋制失敗。因此控制坯料溫度和軋制速度是影響軋件的尺寸精度的關(guān)鍵因素,軋制速度不宜過低,本研究選定的軋制速度為400 mm/s。不同軋制溫度下軋件形貌的模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溫度下的軋制結(jié)果宏觀對(duì)比

分析軋件形貌,軋制溫度為600 ℃的軋件的材料流動(dòng)性差,軋件兩端充型效果不佳。刀具切除兩側(cè)余料時(shí)對(duì)軋件產(chǎn)生軸向拉力作用,由于溫度較低變形抗力大,軋件兩端出現(xiàn)了明顯的頸縮。對(duì)比軋制溫度分別為800 ℃與1 000 ℃的軋件的模擬結(jié)果,觀察到軋制溫度為800 ℃的軋件兩端雖然基本成形,但仍存在精度較差的部位;而軋制溫度為1 000 ℃的軋件的形狀規(guī)整,兩端填充飽滿,軋件形貌滿足要求。綜上所述,只有軋制溫度為1 000 ℃的軋件兩端余料全部切除掉落,而軋制溫度為800 ℃與600 ℃的軋件不但余料切除不凈還存在一定的成形不足,因此認(rèn)為軋制溫度為1 000 ℃的軋件的宏觀形狀最優(yōu)。測(cè)量軋制溫度為1 000 ℃的軋件的部分尺寸如圖6所示,與目標(biāo)件尺寸對(duì)比如表2所示。軋件的模擬尺寸與目標(biāo)尺寸最大偏差為1.8%,證明了模擬尺寸與目標(biāo)尺寸一致性良好,后續(xù)將以此條件模擬的軋件為例進(jìn)行后續(xù)分析。

表2 模擬結(jié)果與目標(biāo)尺寸的對(duì)比

圖6 軋制完成后的軋件模擬結(jié)果尺寸測(cè)量

2.2 溫度與應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析

整個(gè)非對(duì)稱軋件的楔橫軋成形過程大約持續(xù)2.3 s,因此考察坯料的溫度變化具有重要意義。圖7為軋制溫度 1 000 ℃,軋制速度400 mm/s時(shí)的模擬結(jié)果。其中圖7(a)展示出軋件楔入過程中的表面及截面的溫度變化;圖7(b)展示出軋件楔入過程中的表面及截面的應(yīng)力變化?？梢悦黠@觀察到軋件表面和心部存在較大的溫度差距,坯料表面直接接觸模具,熱傳遞的作用使得表面溫度降低,而內(nèi)部受到擠壓發(fā)生塑性變形,變形能轉(zhuǎn)化為熱能,導(dǎo)致溫度升高。溫度降低最為明顯的是軋件與楔子最先接觸,同時(shí)也是變形量最大的部分。

圖7 軋制溫度1 000 ℃,軋制速度400 mm/s時(shí)的模擬結(jié)果

軋件中心橫截面從楔入、展寬到精整的成形過程如圖8所示,其中圖8(a)為溫度變化,圖8(b)為等效應(yīng)力變化。變形過程中心部最高溫度可以達(dá)到1 040 ℃,而表面最低降至820 ℃,可能會(huì)導(dǎo)致表面與心部晶粒尺寸不均勻。軋件表面溫度最低,且受到的應(yīng)力也最大,因此軋件成形可能會(huì)出現(xiàn)表面損傷開裂的現(xiàn)象。

圖8 軋制過程中的軋件中心橫截面

在坯料中心橫截面上均勻選取6個(gè)追蹤點(diǎn),如圖9所示,其中P1點(diǎn)在軋件中心,P6點(diǎn)在近表面處。圖9展示了這6個(gè)追蹤點(diǎn)軋制前后的位置變化,觀察到從P2開始追蹤點(diǎn)較為均勻地偏移出原位置,故可以判斷出模擬中材料流動(dòng)均勻。隨后,提取各點(diǎn)的溫度以及應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比分析,觀察成形過程的變化趨勢(shì)。

圖10所示為各追蹤點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線,對(duì)曲線進(jìn)行分析可以得到不同追蹤點(diǎn)的溫度變化信息。觀察發(fā)現(xiàn)距離軋件中心越遠(yuǎn)的溫度降低越為明顯,同時(shí)越接近表面溫度的起伏變化越明顯,這是由于軋件和較冷的模具循環(huán)接觸導(dǎo)致的。由于變形功轉(zhuǎn)化為熱能,軋件中心溫度呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì),最高可以達(dá)到1 040 ℃。其中P1-P4點(diǎn)的溫度曲線具有類似的趨勢(shì),可以認(rèn)為變形過程中發(fā)生的變化類似,較高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致軋件心部組織晶粒粗大;而P6點(diǎn)表現(xiàn)出非常明顯的溫降特征,其溫度狀態(tài)由于軋件旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)出較大波動(dòng)性。

圖11為各追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線,對(duì)曲線進(jìn)行分析,可以觀察到雖然6個(gè)追蹤點(diǎn)之間的距離是均勻分布的,但是應(yīng)變并不均勻。越靠近表面應(yīng)變的增加幅度越大,這是因?yàn)榇蟛糠肿冃味际窃谲埣鈱舆M(jìn)行,由于楔入段軋件主要發(fā)生徑向壓縮變形,各點(diǎn)起始應(yīng)變量相差不大且斜率較低,隨著軋制進(jìn)入展寬段P1與P6逐漸拉開差距,6個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變均存在劇烈增加的階段,隨后軋制進(jìn)行到精整段應(yīng)變保持不變至結(jié)束。P1與P2的曲線基本類似,屬于心部變形較小的區(qū)域,P2、P3與P4屬于中間過渡區(qū)域,P6屬于表面變形量最大的區(qū)域。與圖10對(duì)比發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)的區(qū)域也是變形量最大的區(qū)域,可能會(huì)導(dǎo)致軋件表層出現(xiàn)裂紋等缺陷。

圖11 追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

2.3 損傷分析

在模具的展寬段,軋件表面溫度降低并發(fā)生較大塑性變形,這或許會(huì)導(dǎo)致坯料出現(xiàn)開裂等情況。軋件軋制過程中的損傷情況如圖12所示,軋件與楔尖接觸時(shí)開始出現(xiàn)損傷,損傷值隨著軋件進(jìn)入展寬段而迅速增大。由于非對(duì)稱件軸向力不平衡,為避免裂紋產(chǎn)生,優(yōu)化模具的展寬段是十分必要的,展寬角不宜過大的同時(shí)也要考慮成形角的影響[19],成形時(shí)需要同時(shí)考慮工件兩側(cè)的受力情況,避免竄動(dòng)導(dǎo)致的成形效果不理想。

圖12 軋制過程中的損傷分布

3 楔橫軋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

楔橫軋實(shí)驗(yàn)在板式楔橫軋機(jī)上進(jìn)行,軋制溫度與軋制速度設(shè)定與模擬相同。圖13展示了軋件成形的全部過程,其中圖13(1)、(2)為上料階段,坯料經(jīng)感應(yīng)加熱至軋制溫度保溫1 min,隨后被迅速地放入板式楔橫軋機(jī)左側(cè)上料口內(nèi),使用撥桿將其推入模具中固定;圖13(3)、(4)為上模具運(yùn)動(dòng)開始進(jìn)行軋制;圖13(5)為軋制已經(jīng)完成,軋件從出料口滾下落入收集筐內(nèi)進(jìn)行空氣冷卻,多余料頭被切下留在預(yù)留位置。

圖13 楔橫軋實(shí)驗(yàn)過程為(1)到(5)

不同溫度下的軋件形貌如圖14所示。從圖中可以看出軋制溫度為1 000 ℃的軋件表面雖然不如軋制溫度為800 ℃與600 ℃的軋件表面光滑,但是軋制溫度為600 ℃的軋件兩端出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象,隨著溫度的升高頸縮現(xiàn)象有明顯改善。

圖14 不同軋制溫度下TC4軋件

圖15為軋制溫度為600 ℃時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)的軋件端部對(duì)比圖,均表現(xiàn)出頸縮現(xiàn)象,進(jìn)一步證明了模擬的準(zhǔn)確性。無損探傷結(jié)果如圖16所示。不同軋制溫度獲得的軋件心部均無疏松、孔洞等缺陷,滿足軋件心部質(zhì)量要求。但是觀察軋制溫度為1 000 ℃的軋件的探傷結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),雖然心部沒有出現(xiàn)孔洞,但是外表面臺(tái)階處出現(xiàn)裂痕,與模具楔入時(shí)復(fù)雜溫度與應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致的損傷有關(guān),因此認(rèn)為臺(tái)階處是易產(chǎn)生裂紋的區(qū)域。

圖15 600 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬軋件端部對(duì)比

圖16 不同軋制溫度下TC4軋件工業(yè)CT結(jié)果

3.2 微觀組織分析

如圖17所示,研究所用TC4鈦合金棒材的初始組織由大量粗大的初生α相(αp)與β轉(zhuǎn)變組織(βt)組成。將軋制溫度為1 000 ℃的TC4軋件沿軸線剖開,磨拋腐蝕后,如圖18所示在光學(xué)顯微鏡下對(duì)點(diǎn)a-點(diǎn)h等8個(gè)位置進(jìn)行組織觀察。軋件各處均為高溫β相空冷相變產(chǎn)生的魏氏組織,由大量沿一定習(xí)慣面析出的相互平行的α相集束組成[22]。a、c、e、g處組織變形程度較低,可觀察到清晰的高溫β晶界。而軋件表層組織則因塑性變形劇烈,β晶界被扭折和破碎,難以觀察和區(qū)分,且應(yīng)變量越大,組織碎化越嚴(yán)重,α相集束越不明顯。可以觀察到軋件組織沿徑向分布存在梯度,但并無明顯缺陷,質(zhì)量良好,達(dá)到目標(biāo)需求。

圖17 TC4鈦合金原始坯料微觀組織

圖18 1 000 ℃軋件縱剖面微觀組織

4 結(jié)論

1) 非對(duì)稱TC4鈦合金軸類件進(jìn)行單道次板式楔橫軋成形,軋件的成形精度會(huì)隨著軋制溫度升高而提高;

2) 軋制溫度1 000 ℃的軋件在模具展寬段容易出現(xiàn)表面開裂的現(xiàn)象,原因是工件表面溫度降低的同時(shí)發(fā)生較大的變形;

3) 不同軋制溫度下的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,證明的模擬的可靠性,提高軋制溫度可以消除頸縮。在軋制溫度800～1 000 ℃,軋制速度400 mm/s的實(shí)驗(yàn)條件下,可以獲得尺寸精度滿足要求的軋件。