發(fā)動機(jī)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂的鍛造工藝研究與模具設(shè)計

文/代梅·中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司

郎連林·中國人民解放軍93147 部隊

施文鵬·江西景航航空鍛鑄有限公司

為解決某型發(fā)動機(jī)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件成形困難的問題，基于Deform 數(shù)值模擬軟件對某型發(fā)動機(jī)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛造工藝進(jìn)行研究。結(jié)果表明：通過預(yù)鍛+終鍛+抱切模的工藝方案，可以保證鍛件薄片處的尺寸公差，同時能有效的提高模具壽命，實現(xiàn)了一火次鍛造成形。設(shè)計工藝試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，鍛件縱截面與金屬流線均勻，尺寸以及金相組織均滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)。

葉片搖臂是發(fā)動機(jī)葉片連接高壓壓氣機(jī)整流器作動環(huán)的主要零件，高壓壓氣機(jī)整流器作動環(huán)工作時通過葉片搖臂帶動發(fā)動機(jī)葉片轉(zhuǎn)動工作。

TC8M-1 鈦合金為Ti-Al-Mo-Si 系合金，屬于馬氏體型α+β 兩相鈦合金。TC8M-1 鈦合金具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、持久性能和抗疲勞性能，使用壽命長，主要用于發(fā)動機(jī)鍛件產(chǎn)品。TC8M-1 鈦合金是在TC8-1鈦合金的基礎(chǔ)上研制的，合金中減少了鋁含量，增加了鉬含量，以保證該鈦合金具有更好的加工性能，可以在室溫下加工變形(鐓粗40%)，主要用于制造工作溫度在400 ～500℃的發(fā)動機(jī)靜止和轉(zhuǎn)動鍛件，長期工作時間可達(dá)1000h 以上。

本文選取某型發(fā)動機(jī)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂作為研究對象，基于Deform 有限元數(shù)值模擬分析對其鍛造工藝以及模具設(shè)計進(jìn)行研究，為后續(xù)該類型產(chǎn)品的設(shè)計給出參考方向。

結(jié)構(gòu)分析

某型發(fā)動機(jī)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件(圖1、圖2)，鍛件由兩個圓柱以及中間薄片組成。鍛件整體沿縱向截面變化較大。中間薄片只有1.6mm，公差為(+0.4，-0.2)，兩頭圓柱的公差只有(+0.4，-0.2)，且鍛件薄片處為非加工表面。整體來看鍛件小，對尺寸公差要求較高。又因鍛件的分模方式為折線分模，給鍛件成形控制增加了難度。

圖1 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件圖

圖2 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂三維造型

工藝分析

因TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件薄片處為非加工表面，對尺寸的要求更加嚴(yán)苛，在鍛件生產(chǎn)過程中存在的以下幾個難點。

⑴鍛件為折線分模，盡管鍛件尺寸較小，但在鍛造過程中依然會存在錯移力。

⑵因鍛件沿縱向截面變化大，中間薄片的截面積較小，在鍛造過程中，中間薄片處料的摩擦更加劇烈，會導(dǎo)致模具薄片位置極易磨損。

⑶薄片較薄，在鍛造切邊時，極易產(chǎn)生翹曲。

⑷鈦合金鍛件存在非加工表面時，需要通過酸洗去除α 層，需考慮酸洗時鍛件去除的深度。

對鍛件進(jìn)行工藝分析，并結(jié)合鍛造生產(chǎn)的實際狀況，制定了TC8M-1 鈦合金葉片搖臂“預(yù)鍛+終鍛+抱切?！钡腻懺旃に嚪桨福聪仍陬A(yù)鍛型腔上進(jìn)行鍛造，后放入終鍛型腔鍛造，最后放進(jìn)抱切模中切邊。

鍛件成形考慮：因鍛件為折線分模，考慮到鍛件錯移力對成形過程的影響，鍛造過程中選擇1 模2 件的形式，見圖3。

圖3 1 模2 件熱鍛件示意圖

設(shè)備選擇：鈦合金鍛造一般優(yōu)先選用壓力機(jī)，不優(yōu)先選擇模鍛錘，因模鍛錘設(shè)備特性，主要以沖擊載荷為主要的成形驅(qū)動力，使用過程中鈦合金鍛件整體的溫度場變化較大，且TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件尺寸較小，鍛造成形設(shè)備基本上都能滿足要求，綜合考慮，鍛造設(shè)備選擇300t 摩擦壓力機(jī)。

坯料尺寸的確定：鍛造坯料尺寸的確定對工藝成形、產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要，坯料的尺寸較小，容易造成充填不足，鍛件缺肉；坯料的尺寸較大，容易造成鍛件打不靠，材料利用率低，增加生產(chǎn)火次。坯料尺寸根據(jù)計算毛坯圖的截面來確定，考慮材料變形等因素，原始棒料尺寸確定為φ15mm×86mm。

鍛造工藝方案過程：下料→加熱→300t 摩擦壓力機(jī)鍛造(預(yù)鍛+模鍛)→切邊(抱切模)→表面處理→熱處理→酸洗→除氫→理化檢測(氫含量、高低倍、α 層)→表面處理→終檢。

模具設(shè)計

熱鍛件圖設(shè)計

熱鍛件圖是根據(jù)鍛件圖來設(shè)計的，需要考慮鍛件去除α 層的余量以及熱脹系數(shù)，其中熱鍛件的尺寸=(冷鍛件尺寸+余量)×熱脹系數(shù)，從而設(shè)計出TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件熱鍛件圖，見圖4。生產(chǎn)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件模具的終鍛型腔是根據(jù)熱鍛件圖加工的。

圖4 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂熱鍛件圖(終鍛)

預(yù)鍛型腔設(shè)計

預(yù)鍛型腔主要是根據(jù)終鍛型腔來設(shè)計的，預(yù)鍛的主要目的是為了防止終鍛型腔的磨損過重，所以預(yù)鍛的設(shè)計主要和終鍛型腔外形類似，改變薄片處的厚度以及預(yù)鍛的凹圓角，使預(yù)鍛充填完整，TC8M-1 鈦合金葉片搖臂熱鍛件圖(預(yù)鍛)見圖5。

圖5 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂熱鍛件圖(預(yù)鍛)

切邊模設(shè)計

切邊模是基于沖壓手冊上的落料沖孔復(fù)合模以及鍛件的實際情況進(jìn)行設(shè)計的，TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件抱切模具體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂抱切模裝配圖

抱切模工作原理

終鍛后的鍛件(帶毛邊)放入陰模上(陰模根據(jù)鍛件形狀進(jìn)行制造，保證鍛件平穩(wěn)放入)，啟動切邊壓力機(jī)，最先由卸料板與鍛件進(jìn)行接觸，接觸后陽模向下運動，陽模與陰模對鍛件毛邊部分進(jìn)行一個剪切作用，用于切除鍛件毛邊，當(dāng)設(shè)備到達(dá)下死點，陽模與陰模完成切邊，設(shè)備帶著陽模上行，鍛件由彈簧1的回復(fù)力頂出于陰模，毛邊因彈簧2 的作用力頂出陽模，最后用鉗子夾取鍛件以及毛邊。抱切模的主要作用是控制TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件的翹曲，避免增加校正工序。

有限元數(shù)值模擬分析

采用φ15mm×86mm 規(guī)格尺寸的棒料進(jìn)行Deform 有限元數(shù)值模擬，模擬基本參數(shù)見表1，TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件成形過程見圖7、圖8。通過圖7、圖8 可以看出，鍛件充填良好，毛邊均勻，在有限元數(shù)值模擬過程中沒有折疊、匯流等鍛造缺陷產(chǎn)生。

表1 模擬基本參數(shù)

圖7 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛造成形過程(預(yù)鍛)

圖8 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛造成形過程(終鍛)

基于Deform 有限元數(shù)值模擬軟件對成形過程的縱截面金屬流線進(jìn)行后處理分析，見圖9，通過縱截面流線結(jié)果可以看出，金屬流線沿外輪廓分布且金屬流動均勻，通過該工藝方案鍛出的鍛件沒有產(chǎn)生流線紊亂。

圖9 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂縱截面金屬流線

工藝試制

根據(jù)模擬結(jié)果，采用300t摩擦壓力機(jī)預(yù)鍛+終鍛的成形方案對TC8M-1 鈦合金葉片搖臂進(jìn)行試制。棒料經(jīng)預(yù)鍛+終鍛+抱切后鍛造成功。該鍛件已經(jīng)生產(chǎn)多個批次，尺寸滿足圖樣要求，圖10 為TC8M-1 鈦合金葉片搖臂實物照片。經(jīng)檢測，鍛件的金相組織滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，圖11 為TC8M-1 鈦合金葉片搖臂顯微組織照片。

圖11 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂顯微組織照片(2 批次)

結(jié)論

根據(jù)上述的分析、模擬以及工藝試制可以得出以下結(jié)論。

⑴基于Deform數(shù)值模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)、鍛造工藝方案進(jìn)行了設(shè)計，后進(jìn)行工藝試制，試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，實際生產(chǎn)驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

⑵采用預(yù)鍛+終鍛+抱切后鍛造方式生產(chǎn)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂的工藝方案合理可行，為后續(xù)同類型鍛件的鍛造工藝提供了設(shè)計思路。