TC4薄腹高筋構件等溫塑性成形研究

劉 飛 賈曉飛 王文寧 崔巖旭 李彥忠 朱錫川

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TC4薄腹高筋構件等溫塑性成形研究

劉 飛1賈曉飛2王文寧1崔巖旭1李彥忠1朱錫川1

（1.首都航天機械有限公司，北京 100076；2.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

以TC4鈦合金薄腹高筋構件零件為研究對象，通過對材料成形特性以及零件結構的分析，研究了鍛件的成形方式及金屬流動的特點，基于DEFORM-3D軟件對鍛件等溫成形過程進行了數值模擬，并根據模擬結果進行了工藝優化，制定了最終的等溫成形工藝方案，最后進行了等溫鍛造試驗。研究結果表明：通過數值模擬及優化后的成形工藝方案可以成形出符合形狀尺寸及性能要求的鈦合金鍛件。

TC4；等溫成形；數值模擬；工藝優化

1 引言

TC4鈦合金是一種中等強度的α-β型兩相鈦合金，具有優越的比強度、塑性和韌性，是要求結構輕質、服役條件惡劣的航空航天重要件及關鍵件的首選材料。近年來，為實現航天型號產品結構輕質化、功能一體化，鈦合金在航天器上的應用也越發廣泛[1]。目前航天產品上使用的鈦合金零件均采用自由鍛造加機械加工的方式生產，制造周期長，生產效率低，為實現快速高效制造，需要開發方便快捷的成形工藝技術。

等溫塑性成形技術是針對于難變形材料開發的技術方法。在等溫鍛造成形中，成形模具與坯料的溫度基本相同，可以有效地避免常規模鍛工藝中的冷模效應，降低成形過程中金屬坯料的變形抗力，提高金屬在模膛中的流動性，利于高筋、薄壁鍛件的整體成形，所成形的零件達到或接近成品零件的形狀和尺寸，特別適合于批量化生產，在保證產品質量的一致性和穩定性方面具有非常大的優勢[2，3]。針對TC4鈦合金薄腹高筋構件零件產品，為提高生產效率，保證產品質量，采用新的成形方法，并通過數值模擬的方式對鈦合金支架的成形工藝過程進行模擬分析，制定合適的成形工藝方案[4]。

2 成形工藝及方案制定

前期鈦合金零件均采用自由鍛造加機械加工的方式生產，根據零件圖輪廓尺寸添加工藝余量后制定鍛件圖，并按照鍛件圖將鈦合金棒料鍛造成形出符合尺寸要求的鍛件，自由鍛造過程中溫度范圍850～970℃，溫度區間很窄，要求在很短的時間內鍛造成形，對鍛造的溫度較難把控，且后期切削加工過程周期漫長，不適應當前型號研制需求，急需開展相關工藝創新研究。

為此，采用等溫鍛造成形工藝并通過數值模擬的方式對鈦合金鍛件的成形工藝過程進行模擬分析，制定合適的成形工藝方案，以保障生產過程中對鍛造溫度的控制，并減少機加工量，使成形鍛件更接近零件外形尺寸，提高生產周期，為實際生產提供技術保障。

3 數值模擬

3.1 鍛造過程的有限元建模

鈦合金TC4，選用Deform3D軟件材料庫中的Ti-6Al-4V材料模型，模擬時做如下假設：鍛件左右對稱，故為增加模擬效率，設立對稱面，取一半模型進行有限元模擬[5，6]；模擬溫度：坯料900℃恒溫，沒有傳熱；摩擦條件：采用剪切摩擦模型，摩擦系數取0.40；鍛造速度：上模為動模，運動速度設置為恒定值0.1mm/s；圓棒規格：100mm×150mm。

3.2 數值模擬過程及分析

圖1為采用長150mm，直徑100mm的TC4圓棒料直接模鍛示意圖。鍛造出的鍛件如圖1b所示，鍛件充型完整，合模時材料不會流至分模面影響模具打靠。其鍛造結束時刻等效應力應變分布圖如圖2所示，從等效應力圖中可看出，鍛造中等效應力最大的位置出現在模具的橋口部位，最大應力約150MPa。

圖1 150mm 棒料模鍛

圖2 圓棒料直接模鍛結束時刻應力應變分布

由圖3可看出，鍛造初始階段，金屬向下流動鍛出一平面如圖3a所示，但之后在模具對毛坯的垂直于鍛造方向的分力的作用下，坯料向后發生剛性滑動，因此在圖3b中，金屬流動方向均在指向模具后方向上有較大分量，在坯料碰到模具后壁時，停止剛性滑動，進入后續的變形過程。因此，充填于鍛件后部飛邊部位的金屬遠多于前部飛邊。此外，鍛造過程中未出現折疊等嚴重鍛造缺陷。

圖3 150mm圓棒料直接鍛造不同壓下量毛坯形狀及節點流動速度場

由圖4鍛件重疊角度分布圖可以看出，采用圓棒料直接鍛造時金屬沒有發生折疊現象，成形質量較高。

圖4 鍛件重疊角度分布

4 等溫成形工藝優化

采用直徑為100mm，長度為150mm的TC4鈦合金棒料在900℃下等溫鍛造可以獲得形狀良好、尺度精度較高、性能優良的鍛件，而且工藝力較小。但在實驗中，發現由于設備振動等外在原因，圓棒料很容易發生剛性轉動，難以定位，而當棒料滾動至模膛后部時，金屬會流到上下模面之間，影響模具打靠，造成零件高度尺度超差引起鍛件不合格，而且發生這種情況時，伴隨著鍛件投影面積的增大，會引起成形力急速增加，嚴重時可能會造成模具和設備的過載損壞，因此，需要對這種工藝進行工藝優化[7]。

優化后的工藝方案為預先在壓力機上自由鍛出平臺，防止坯料轉動，方便坯料的定位，先進行行程為10mm的自由鍛，鍛出平臺，再進行模鍛至上下模打靠。采用這種工藝方案，材料利用率高，鍛件質量穩定可靠，對操作人員操作水平要求低，因此作為最終確定的實驗方案。

5 等溫鍛造實驗

本項目采用模鍛壓力機進行近等溫鍛造工藝試驗，坯料加熱到溫度960℃，保溫100min，鍛造溫度控制在900～950℃之間[8，9]。采用直徑100mm、長度150mm的TC4鈦合金棒材，先平壓30mm，然后進行3次鍛造，最終成形出了合格的鍛件。

圖5 TC4鈦合金爆炸螺栓盒鍛造過程照片

圖5為三次鍛造后的鍛件照片，分別給出了第一次鍛造、第二次鍛造、第三次鍛造和酸洗后的鍛件情況。各次鍛造間需進行飛邊切除、表面修傷及噴砂處理。經過三次鍛造后，腹板厚度尺寸達到鍛件設計尺寸，滿足后續機加要求。

該鈦合金零件重約1.6kg，采用自由鍛造和精密成形工藝材料利用率對比如表1所示。

表1 材料利用率對比表

通過原材料利用率的對比情況，采用新型的精密成形方式生產更能節省原材料，節約生產成本，提高經濟效益。

6 結束語

針對該鈦合金零件結構尺寸，基于DEFORM-3D軟件對鈦合金鍛件等溫成形工藝過程進行了模擬與優化，并分析了成形過程中的影響因素，最終得到了優化的等溫成形工藝。

根據模擬優化結果制定了工藝試驗方案，并最終成形出符合零件尺寸要求的鈦合金鍛件。采用新型的等溫成形方式生產更能節省原材料，節約生產成本，提高經濟效益。

1 趙樹萍，呂雙坤. 鈦合金在航空航天領域中的應用[J]. 鈦工業進展，2002(6)：18～21

2 李建洲，成國興，馬少義，等. 精密等溫體積成形技術在航天產品上的應用[J]. 航天制造技術，2008(1)：21～24

3 廖國防，易幼平，王少輝. 航空接頭件等溫鍛壓成形工藝[J]. 材料科學與工藝，2012，20(1)：6～10

4 熊震國. TC4鈦合金汽車連桿的精密模鍛[J]. 鈦工業進展，2004(2)：19～21

5 曹飛，蔣鵬，崔紅娟，等. 曲軸鍛造成形工藝的有限元模擬[J]. 鍛壓技術，2005(增)：68～71

6 張艷姝，潘利永，駱俊廷，等. TC4鈦合金高溫本構關系的研究[J]. 熱加工工藝，2013，42(2)：24～25

7 劉瑩，曲周德，王本賢. 鈦合金TC4的研究開發與應用[J]. 兵器材料科學與工程，2005，28(5)：47～50

8 吳伏家，尹曉霞，趙長瑞，等. TC4鈦合金等溫鍛造過程的數值模擬和實驗研究[J]. 鍛壓技術，2009(5)：147～150

9 Li Miaoquan, Pan Hongsi, Lin Yingying,et al. High temperature deformation behavior of near alpha Ti-5.6Al-4.8Sn-2.0Zr alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 183(1): 71～76

Isothermal Forging Process Research of TC4 Alloy Component with Thin Web and High Rib

Liu Fei1Jia Xiaofei2Wang Wenning1Cui Yanxu1Li Yanzhong1Zhu Xichuan1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076；2. Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

Taking TC4 alloy component with thin web and high rib as the research object, the forming mode and the metal flow characteristics of the forgings are studied through the analysis of the material forming characteristics and the part structure. The isothermal forming process was simulated based on DEFORM-3D software. According to the simulation results, the process was optimized, the final isothermal forming process was developed, and the isothermal forging test was carried out. The results show that the numerical simulation and optimization of the forming process can form a titanium alloy component which meets the shape and performance requirements.

TC4 alloy；isothermal forming；numerical simulation；process optimization

劉飛（1991），助理工程師，機械設計制造及其自動化專業；研究方向：材料成形。

2018-03-07