銅葉片精鍛工藝研究

文/李建軍，彭謙之，黃茂林，樸學華·中國南方航空工業（集團）有限公司

銅葉片精鍛工藝研究

文/李建軍，彭謙之，黃茂林，樸學華·中國南方航空工業（集團）有限公司

李建軍，高級工程師，從事航空發動機鍛件研究，研究變形高溫合金、有色金屬等鍛造技術。

利用有限元軟件，對銅葉片鍛造過程的各工步進行了仿真，分析了折紋等缺陷的產生原因，優化了工藝參數，并在有限元軟件中進行了驗證?；谟邢拊治鼋Y果，進行了工藝試驗。得出以下結論：對于復雜鍛件的鍛造，預鍛毛坯應采用大圓角過渡，防止折紋產生。對于扭角較大葉片的鍛造，其預鍛件葉身也應存在一定扭角，防止由于葉身和榫頭之間的剪切變形導致折紋的產生。采用摔子進行拔長能夠有效避免棒材心部開裂。復雜鍛件的校正，其型面復雜的部分應處于下模，方便鍛件定位，避免折紋的發生。

葉片是航空發動機中重要的能量轉換裝置，長期在巨大的氣體負荷、質量負荷和溫度負荷下工作。目前航空發動機朝著大推力、高推重比、高效率和長壽命的方向發展，對壓氣機的增壓比、渦輪前燃氣溫度提出了更高的要求。據報道，目前美國新一代渦扇發動機的壓氣機增壓比已經達到了30～40，渦輪前燃氣溫度高達1300～1700℃。這對航空發動機葉片的材料和制造工藝提出了新的挑戰。葉片精鍛技術是目前壓氣機葉片成形工藝的主流發展趨勢，采用精鍛工藝生產的葉片，具有尺寸精度高、材料利用率高的特點，同時由于機械加工量少或者不需要機械加工，保留了完整的鍛造流線，其機械性能也大幅提升。

本課題研究的銅葉片具有尺寸精度要求高、形狀結構復雜等特點，部分區域不允許進行機械加工，部分轉接處內圓角僅為R0.3mm或R0.5mm，易出現折紋，鍛造難度較大。為了保證研制進度，本課題首先利用了有限元軟件對葉片鍛造成形過程進行了仿真，通過分析仿真結果，對鍛造工藝參數進行了相應優化，最后進行了工藝試驗。本課題旨在為實際生產提供理論指導。

試驗材料、設備及參數

葉片材料為鈹青銅，鍛件形狀如圖1所示，其中葉盆表面的氣流通道為非加工面。

圖1 葉片鍛件形狀

圖2 各工步所用毛坯

初步確定的鍛造工藝路線為：下料→拔長→預鍛→切邊→熱精壓→切邊→淬火→冷精壓→切邊→校正。根據鍛件最終體積、毛邊量和燒損初步設計了各工步坯料，其形狀如圖2所示。

鍛造模擬在Forge軟件中進行。模擬參數為：始鍛溫度740℃，模具預熱溫度為250℃，采用水基石墨進行潤滑，材料本構關系采用軟件自帶。

工藝試制中，拔長采用空氣錘，預鍛、精壓、校正等工序采用曲柄壓力機，而切邊在沖床上進行。各鍛造工步間的加熱采用箱式電阻爐。

金相觀察使用Leica DMIRM+Q550MW光學金相顯微鏡。金相取樣位置位于葉身和榫頭。

試驗結果與分析

仿真結果與分析

⑴終鍛仿真結果與分析。

圖3為終鍛折紋情況。從圖中可以看出，在大榫頭與葉背連接處存在一條較長的折紋，此外，葉片毛邊上也顯示存在折疊。由于葉片毛邊會在后續切邊工序中進行切除，不影響葉片的使用，所以要解決的是葉背與大榫頭連接處的折紋問題。

圖3 終鍛折紋分布

圖4為葉片橫截面、縱截面切片示意圖，圖4a為橫截面取樣位置。從圖4b中可以看出，在終鍛初始階段葉身是呈水平的。而終鍛葉片有一定的扭角。因此，如圖4c所示，隨著終鍛的逐步進行，葉身在模具作用下逐漸發生扭轉，而榫頭的位置是保持不變的，這相當于葉身與榫頭之間產生了剪切變形。圖4d為這種剪切變形發生到一定程度后葉片縱截面切片。從圖中可以看出，在葉背與榫頭交接處已經形成了一個尖角。

圖4 葉身切面

圖5為鍛造末期葉片毛坯與模具的接觸情況，其中天藍色的區域為已接觸區。從圖中可以看出葉盆氣流通道以及葉背中間部分區域首先與模具接觸，而葉身與大榫頭交接處未接觸。同時考慮到氣流通道的厚度比葉身其他區域的厚度要小。隨著鍛造過程的進行，氣流通道處多余的金屬將向大榫頭處排出，如圖5c所示。在這兩者的作用下，葉背與大榫頭交接處形成了如圖3a所示的折紋。基于以上分析，解決大榫頭與葉身交接處折紋的方法有兩種：①修改預鍛毛坯，將預鍛毛坯葉身部位改為與終鍛葉片葉身類似，即帶扭角；②增大預鍛毛坯葉身與大榫頭交接處的圓角，增大這一區域的金屬體積，防止葉身排出的金屬堆積形成折紋?？紤]到若將預鍛毛坯葉身改為帶扭角的形式，將會增大模具制造難度和成本，因此選擇修改預鍛毛坯葉身與大榫頭交接處圓角，將圓角從原來的R2mm改為R4mm，圖6為R4mm圓角預鍛毛坯的折紋分布情況，從圖中可以看出，在葉片本體上未發現折紋。圖6c為終鍛末期葉片的縱截面切片圖，由圖可知，葉背與大榫頭交接處由原來的尖角（圖4d）變為現在較大半徑的圓角。

圖5 鍛造末期坯料與模具接觸情況及葉背金屬流動示意圖

圖6 圓角R4mm預鍛件終鍛折紋分布及葉片縱截面切片

圖7 圓角R4mm預鍛件終鍛充模情況

圖8 圓角R4mm預鍛件終鍛應變場及溫度場分布

圖7為終鍛合模后金屬的填充情況，其中藍色區域為打滿的區域。從圖中可以看出葉片不存在打不滿的現象。

圖8為毛坯終鍛時葉片等效應變場與溫度場的分布。從圖8a可以看出，終鍛時葉片葉身處的等效應變為0.54～4.97。相關資料顯示，銅合金鍛造加工率最適宜的范圍為3～5，高于加工率的上限時則可能會導致坯料開裂，由圖可知，終鍛變形不會導致坯料開裂。圖8b為終鍛時葉片溫度場的分布，從圖中可知，葉片此時的溫度范圍為727～810℃，而對銅合金而言較適宜的鍛造溫度范圍為760～925℃。從圖中可以看出葉身大部分區域是在這一溫度范圍之內的。榫頭則略低于該溫度范圍的下限，但是由于榫頭處的變形量較小，因此不會出現鍛件開裂的現象。

從仿真結果看，利用這種設計的預鍛毛坯能夠鍛造出合格的終鍛葉片。

⑵預鍛仿真結果與分析。

根據終鍛的仿真結果，對預鍛毛坯進行了修改，根據修改后的預鍛毛坯設計了模具并利用該模進行了預鍛過程仿真。

上圖分別為預鍛完成后毛坯的折疊情況以及充模情況。從圖9a中可以看出，毛坯經過鍛造后，在大榫頭與葉身進排氣邊處出現了折紋。圖9b為鍛后充模情況（藍色區域為坯料和模具發生接觸的區域），可以看出坯料能夠充滿整個模膛，不存在打不滿的情況。

圖9 預鍛折紋分布及充模情況

圖10為上下模相距2.5mm時坯料的形狀。葉身與榫頭交接處未出現明顯的毛邊，從而造成葉身毛邊與榫頭毛邊之間形成了一個尖角，隨著鍛造過程的進行，這兩股金屬匯合，尖角消失，形成了折疊。這種情況是由于葉身與榫頭轉接處金屬量不夠導致的。考慮到這種折疊有一部分位于葉身本體上，因此有必要采取措施避免這種折疊的發生。采取的改進措施為將拔桿件轉接處的圓角增大，從而增大這一區域金屬的體積。

圖11為圓角增大到R10mm后毛坯預鍛后的毛邊分布情況，從圖中可以看出，榫頭一側的折紋已經完全消除，另一側的折紋也流動到葉片毛邊上，葉片本體上不存在折紋，因此通過增大圓角可以消除這種折紋對預鍛毛坯的影響。

圖10 上下模相距2.5mm時預鍛毛坯形狀

圖11 圓角增大至R10mm后預鍛折紋分布

工藝試制結果與分析

根據仿真試驗結果，對原來的工藝方案進行了優化，按照優化后的方案進行了工藝試制。在實際試制過程中出現了以下問題：

⑴拔長時毛坯頭部開裂問題。

空氣錘拔長毛坯桿部過程中，桿部的端面出現了十字和一字裂紋。經過分析認為主要是以下兩個原因造成：①加熱電爐離空氣錘距離太遠，在轉移坯料過程，坯料溫度下降過多，造成鍛造時坯料的塑性下降，因而易出現裂紋；②采用平砧進行拔長時，由于坯料和錘砧之間摩擦阻力的作用，形成了變形錐（即難變形區），隨著鍛造過程的進行，變形錐將會對易變形區和自由變形區的金屬產生一個拉應力的作用，當這種拉應力超過材料在該種變形參數下的斷裂強度時，將會導致心部開裂。解決該問題的方法是：①縮短鍛造設備與電爐之間的距離，減少坯料在轉移過程中的溫降；②采用摔子進行拔長，既改善了心部的受力狀態，使棒料心部由原來的拉應力狀態變為壓應力狀態，防止了裂紋的產生，同時也在一定程度上提高了拔長效率。

圖12 拔長時坯料受力示意圖

圖13 葉片實物及顯微組織照片

⑵校正時氣流通道臺階出現折紋。

葉片葉盆表面有著形狀較為復雜的氣流通道，由于該區域為非加工面，要求無余量成形，因此轉角處的圓角很小，僅為R0.3～0.5mm，鍛造過程中極易出現折紋。經過分析，校正時氣流通道臺階處出現折紋，主要是由于坯料在葉片型腔中定位不準確所造成的。由于校正時葉盆氣流通道的型面位于上模，因此只要坯料定位稍有誤差，或者上下模之間存在少量錯移，都將會導致上模將氣流通道筋部的金屬壓入槽部表面，從而形成折紋。因此可以將上下模倒置，上料時，將坯料表面氣流通道準確與下模定位，從而有效避免該類折紋的產生。

通過采取上述措施，對銅葉片進行了試生產，共投產280件，交付合格鍛件262件，合格率為93.6%。圖13a、13b為銅葉片實物圖，圖13c、13d為顯微組織金相照片，從圖中可以看出，通過本工藝鍛造出的銅葉片表面光潔度較高，無肉眼可見折紋、裂紋等缺陷，顯微組織細小均勻，符合相關鍛件驗收標準的要求，證明本研究所制定的工藝方案切實可行。

結論

基于有限元仿真，對銅葉片的精鍛過程進行了模擬，分析了折紋等缺陷的產生原因，對原有的工藝參數優化后進行了工藝試制，得出以下結論：

⑴對于葉片等復雜類鍛件的鍛造，預鍛毛坯應采用大圓角過渡，可以有效避免終鍛時折紋的產生；

⑵對于扭角較大葉片的鍛造，其預鍛件葉身也應存在一定扭角，防止由于葉身和榫頭之間的剪切變形導致折紋的產生；

⑶采用摔子進行拔長能夠有效避免心部開裂；

⑷復雜鍛件的校正，其型面復雜的部分應處于下模，方便鍛件定位，避免折紋的發生。