航空發(fā)動(dòng)機(jī)用Ti64 異形截面環(huán)鍛件軋環(huán)工藝

孫傳華 劉 峰 胡 楠 劉 智 劉其源 何 濤

（無錫派克新材料科技股份有限公司，無錫 214161）

軋環(huán)是借助輾環(huán)機(jī)使環(huán)件產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壁厚減小、直徑擴(kuò)大以及截面輪廓成形的塑性加工工藝。該工藝適用于生產(chǎn)各種形狀和尺寸的環(huán)形機(jī)械零件，如機(jī)匣、軸承環(huán)、齒圈以及法蘭等各類無縫環(huán)形鍛件。異形截面環(huán)鍛件不僅可以極大地提高環(huán)形鍛件的材料利用率，還可以有效降低熱處理和機(jī)加工等后續(xù)工序的生產(chǎn)周期和成本，減少機(jī)加工對(duì)鍛件流線的切斷，明顯提高零件的使用性能。

Ti64 合金是一種中等強(qiáng)度的α-β 型兩相鈦合金，含有6%的α 穩(wěn)定元素Al 和4%的β 穩(wěn)定元素V。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。Ti64合金長時(shí)間工作溫度可達(dá)400℃，在航空工業(yè)中主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤及葉片，還是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭和隔框等重要的承力構(gòu)件。然而，該合金組織對(duì)熱加工工藝特別敏感，變形抗力大，鍛造溫度窗口窄，且成型困難。

1 鍛件結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

如圖1 所示，虛線部分為零件外輪廓，內(nèi)外徑均為異形。內(nèi)外徑上下端均帶有法蘭，截面變化大。若設(shè)計(jì)為矩形環(huán)鍛件，材料利用率低，零件流線切斷嚴(yán)重，機(jī)加成本高。為了節(jié)約原材料并保留零件流線的相對(duì)完整性，鍛件沿零件輪廓設(shè)計(jì)如圖1 所示，鍛件質(zhì)量約55kg。相比直接軋制矩形環(huán)，該異形方案可節(jié)約原材料36%，并可明顯減短后續(xù)的機(jī)加周期，保證流線的相對(duì)完整。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 中間坯料設(shè)計(jì)

中間坯料需要依照鍛件體積分布，設(shè)計(jì)容易制備的中間環(huán)坯。鍛件沿高度方向的體積分布如圖2 所示[1]。從圖2可明顯看出，鍛件高度方向體積差異較大，鍛件外徑較大一端接近2，占比最高。鍛件外徑小端接近1.5，占比其次。鍛件其余高度方向體積占比差異小，基本均勻。根據(jù)鍛件的體積分布分析，初步設(shè)計(jì)兩種中間坯方案。方案1：為了使用最簡易的方法制造鍛件，直接使用矩形中間坯進(jìn)行異形鍛件的軋制。方案2：鍛件體積分布差異大，如果直接采用矩形環(huán)坯進(jìn)行異形鍛件的軋制，可能會(huì)使鍛件體積占比高的兩個(gè)端面的材料填充不充分。因此，需要制備異形中間坯來進(jìn)行異形鍛件的軋制，且異形中間坯應(yīng)盡量簡單和容易制備。根據(jù)鍛件沿高度方向的體積分布情況，設(shè)計(jì)異形中間坯如圖3 所示。

圖1 鍛件圖（虛線為零件輪廓）

圖2 體積分布圖

圖3 異形中間坯

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

方案1 的流程為“下料→鐓粗、沖孔→擴(kuò)孔→矩形預(yù)軋→異形軋制成型→熱處理和機(jī)加→檢測”等。方案2 的流程為“下料→鐓粗、沖孔→擴(kuò)孔→矩形預(yù)軋→胎模制坯→異形軋制成型→熱處理和機(jī)加→檢測”等。

3 數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證鍛件設(shè)計(jì)、坯料設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的合理性和可行性，減少鍛件的研發(fā)周期，降低物理驗(yàn)證的成本，分別使用Deform 軟件中的Forming 和Ring rolling 模塊分別進(jìn)行胎膜制坯和異形軋制成型工序的數(shù)值模擬[2]。

3.1 方案1 數(shù)值模擬

方案1 的模擬結(jié)果如圖4 所示，可知終軋結(jié)束后鍛件大頭外徑未填充完整，其余位置填充效果良好?？梢姡褂镁匦沃虚g坯直接軋制異形環(huán)的方案不能滿足鍛件的尺寸和形狀設(shè)計(jì)要求，故該方案不可用。

圖4 矩形中間坯直接軋制異形環(huán)模擬截面

3.2 方案2 數(shù)值模擬

3.2.1 胎膜制坯模擬

胎膜制坯的模擬結(jié)果如圖5 所示，可知坯料填充效果較好，形腔填充完整，模擬得到的中間坯料的尺寸和形狀滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 胎膜制坯模擬截面圖

3.2.2 異形環(huán)件軋制模擬

異形環(huán)件軋制模擬結(jié)果如圖6 所示，可知相比矩形中間坯直接軋制異形環(huán)模擬結(jié)果，使用胎膜制坯后中間坯軋制異形環(huán)件內(nèi)徑、外徑所有型面填充完整，成型效果較好?？梢姡褂锰ツぶ婆骱笾虚g坯軋制異形環(huán)件的方案完全能夠滿足鍛件的尺寸和形狀設(shè)計(jì)要求，故該方案可行[3]。

圖6 使用胎膜制坯后中間坯軋制異形環(huán)件模擬截面圖

4 鍛件試制

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合無錫派克新材料科技股份有限公司設(shè)備實(shí)際能力，按方案2 在3150T 快鍛機(jī)和Ф1200mm 環(huán)軋機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行試制。試制過程順利，軋制成形后鍛件如圖7 所示，鍛件截面填充完整，形狀和尺寸完全滿足設(shè)計(jì)要求，表面質(zhì)量較好，試制鍛件滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 軋制成形后鍛件

5 結(jié)語

通過異形截面環(huán)制造工藝生產(chǎn)的Ti64 環(huán)鍛件形狀、尺寸和表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，可極大提高材料利用率，縮短后續(xù)加工周期，降低生產(chǎn)成本，保留鍛件流線的完整性。采用體積分布原理設(shè)計(jì)中間環(huán)坯，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證不同中間環(huán)坯軋制異形環(huán)件方案，從而得到最優(yōu)方案，并按最優(yōu)方案進(jìn)行了鍛件的試制生產(chǎn)，試制生產(chǎn)一次成功。