鈦合金軸類大鍛件壓方的質量影響因素數值模擬

(貴州職業技術學院，貴州貴陽550023)

0 引言

軸類大鍛件主要包括大型軋輥、傳動軸、汽輪機轉子等，一般用于機器設備的關鍵和核心部位，是制造重大裝備的基礎件，對鍛造技術水平和工藝設備要求均十分嚴格，大型鍛件產業的發展是衡量一個國家工業水平和國防實力的標志之一。鈦合金軸類大鍛件是航空航天領域常用基礎件，廣泛應用于制造支架、起落架、框架、緊固件和管道等[1]。由于鈦合金的鍛造溫度范圍較窄，溫度過高，組織容易粗化；溫度過低，則合金的變形抗力大，且易產生裂紋等缺陷。鈦及鈦合金的導熱系數較低，如果變形速度過大，變形熱來不及擴散，會引起局部溫升過高，出現過熱現象造成組織不均勻和性能不穩定，甚至發生裂紋。但變形速度過小，工件溫降過快，也容易產生裂紋。可見大規格軸類鈦合金在鍛造時容易出現裂紋等缺陷，所以要生產出高質量的鈦合金軸類大鍛件，每個鍛造過程對其保證最終質量都非常的重要[2]。

軸類大鍛件的鍛造過程一般包括壓方、拔長和倒棱滾圓等多個工序，由于拔長是決定鍛件性能的主要工序，倒棱滾圓是保證鍛件最終質量和尺寸精度的主要工序，因此，目前國內外學者在大鍛件的拔長、倒棱滾圓工藝上做了很多研究，而對壓方工藝研究較少。文獻[3]對平砧壓方工藝過程進行了有限元模擬，探討了不同的壓下量、接砧量等工藝參數對鍛件表面質量和內部應力狀態的影響，但未研究V型砧壓方工藝，在壓方時鍛件裂紋預測、鍛透性等方面也未涉及。文獻[4]對平砧和V型砧壓方工藝分別進行了有限元模擬，探討了兩種不同砧型對鍛件內部應力狀態，鍛件裂紋預測，鍛透性的影響，但未涉及到在鍛件壓方時V型砧邊緣圓角半徑大小對其鍛件應變和鍛件裂紋影響以及對不同直徑軸類大鍛件鍛造質量影響程度的討論。

本文以液壓機鍛造某飛機用鈦合金軸類大鍛件為研究內容，用三維軟件UG建立相應的模型，然后以STL文件格式導入到有限元軟件Deform中，對壓方過程進行模擬分析。從鍛件應變、破壞因子及鍛造所需載荷三個方面對比分析了V型砧邊緣圓角半徑為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時，對鍛件質量的影響及V型砧邊緣圓角半徑大小對不同直徑軸類大鍛件壓方時鍛件質量的影響程度，指出鍛件在壓方時適當地設計V型砧邊緣圓角的半徑有利于防止裂紋的產生，提高鍛件的質量。

1 實驗方案的設計

本實驗選擇了直徑分別為600 mm、1000 mm、1200 mm的大型軸類鑄錠，利用邊緣圓角半徑為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的V型砧對三種不同直徑的軸類鑄錠分別進行壓方模擬實驗。從實驗所得有關破壞因子、鍛件的應變及鍛造所需載荷的數據來分析不同V型砧邊緣圓角半徑大小對鍛件質量的影響及對不同直徑軸類大鍛件壓方時鍛件質量的影響程度。實驗組合方案見表1。

表1實驗組合方案

實驗組合方案設計完成后進入CAD建模及CAE分析過程。

2 有限元模型的建立

利用UG建立了直徑為600 mm、1000 mm、1200 mm的軸類柱體及V型砧邊緣圓角半徑為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的90°V 型砧，V型砧均為剛性體，材料都采用模具鋼H-13，鍛造過程中不發生變形，對其進行網格的劃分用于模擬溫度的傳導。鍛件材料為鈦合金TC4，對應Deform軟件中自帶的Ti-6AI-4V。當砧寬比為0.6～0.8時有利于中心壓實，而且隨著砧寬比的合理增加，更有利于提高鍛件的探傷結果，為了提高實驗的準確性及可行性均取砧寬比為0.6(不含圓角尺寸)。圖1為不具有邊緣圓角的V型砧和具有邊緣圓角的V型砧壓方模型。

圖1 V型砧壓方模型

3 模擬參數的設置

為了避免模具和坯料接觸時溫度發生突變，鍛造之前將模具預熱至300℃，上下砧同時運動，速度均為5 mm/s，總體的壓下速度為10 mm/s，壓下量為20%。鍛件初始溫度為1025℃，環境溫度設為28℃，鍛件與上、下砧間傳熱系數為11，鍛件與環境間傳熱系數為0.02 。軸類大鍛件鍛造時，為了提高鍛造的精度，把鍛件固定，讓V型砧做進給運動。

4 模擬結果及分析

將不同直徑的大型軸類鑄錠分別與不同邊緣圓角半徑的V型砧組合進行鍛件的壓方模擬實驗，最終得出15組模擬結果，如表2。

表2模擬結果

4.1 鍛件破壞因子與V型砧邊緣圓角半徑的關系

破壞因子(damage)是在鍛件的鍛造中評價鍛件的內部或表明是否出現裂紋的一個非常重要的指標，破壞因子的值越大鍛件出現裂紋的可能性就越大，當它達到一定的值時材料的表面及內部將會產生裂紋。鍛件的壓方實驗由于壓下量比較小，裂紋一般出現在鍛件的表面，在后續的拔長和倒圓時鍛件表面的裂紋進一步加大的話就會造成鍛件內部裂紋的產生，所以為了較好的防止鍛件裂紋的產生，在早期鍛件壓方時就應該很好的控制裂紋的產生，這樣就為后面的鍛造工序打下良好的基礎，保證鍛件的最終質量。

將上述模擬實驗數據制成圖表如圖2、圖3、圖4。由圖2可見，對各組直徑的軸類鑄錠進行壓方時，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大破壞因子的值均是先減小后增大，且每組均有一最小值。Φ600 mm的鑄錠在V型砧邊緣圓角半徑為100 mm時破壞因子的值最小為0.287；Φ1000 mm和Φ1200 mm的鑄錠在V型砧邊緣圓角半徑均為50 mm時破壞因子的值最小，分別為0.363和0.0183。可見，適當增大V型砧邊緣圓角半徑的值可以減小破壞因子的值，控制鍛件裂紋的產生，但如果V型砧邊緣圓角半徑的值過大則反而使破壞因子的值增大，不利于控制鍛件裂紋的產生。從圖2也可以看出，對于直徑越大的軸類鑄錠，用邊緣圓角半徑越小的V型砧壓方時，越有利于控制破壞因子的值，即鍛件產生裂紋的可能性就越小。

圖2 V型砧邊緣圓角半徑對破壞因子影響

4.2 應變及所需載荷與V型砧邊緣圓角半徑關系

從圖3、圖4可見，對直徑為600 mm、1000 mm、1200 mm的軸類鑄錠進行壓方時，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件的應變值都會隨之增大，應變值越大越有利于鍛件心部的鍛透，減小甚至消除鍛件心部晶粒粗大、疏松、夾雜及偏析等缺陷。但是，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件所需載荷的值也隨之增大，就會需要更大噸位的壓力機，這樣就會增大企業的生產成本。從數值方面分析，隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件的應變值變化都在0.04～0.12之間波動，變化較小；而鍛件所需載荷變化在1150000 N～10090000 N之間波動，變化相對來說較大。即V型砧邊緣圓角半徑的大小對鍛件的應變影響較小，而對鍛件所需載荷的影響相對較大。

圖3 V型砧邊緣圓角半徑對應變值影響

綜上所述，通過對破壞因子、應變值及鍛件所需載荷三者對鍛件質量的綜合考慮，用邊緣圓角半徑為100 mm的V型砧對直徑為600 mm的軸類鑄錠進行壓方，所得鍛件的質量較好；用邊緣圓角半徑為50 mm的V型砧對直徑為1000 mm和1200 mm的軸類鑄錠進行壓方，所得鍛件的質量較好。

圖4 V型砧邊緣圓角半徑對鍛造所需載荷影響

5 結論

通過對大型軸類鍛件壓方的有限元數值模擬，得出以下結論：

1)對TC4大型軸類鍛件壓方時，適當設計V型砧邊緣圓角的半徑，對鍛件的破壞因子和鍛造所需載荷的影響較大，可以控制鍛件裂紋的產生，為后續拔長、倒棱滾圓等工序打下良好的基礎，提高鍛件的質量。但V型砧邊緣圓角的半徑太大將適得其反。

2)從破壞因子的方面來看，直徑為600 mm的軸類鑄錠用邊緣圓角半徑為100 mm的V型砧壓方效果較好，直徑為1000 mm和1200 mm的軸類鑄錠均用邊緣圓角半徑為50 mm的V型砧壓方效果較好。即直徑較大的軸類鑄錠，用邊緣圓角半徑較小的V型砧進行壓方，有利于防止鍛件裂紋的產生，提高鍛件的質量。

3)隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大，鍛件的應變值也隨之增大，有利于鍛件的鍛透，可以減小鍛件心部晶粒粗大、疏松、夾雜及偏析等缺陷，但影響較小。同時隨著V型砧邊緣圓角半徑的增大也會增大鍛造所需載荷，影響相對較大。

綜上所述，本文對鍛件的壓方工藝參數進行了模擬優化，得出上述結論，為實際的生產提供了理論依據，具有一定的指導意義。