一種鈦合金模鍛件局部圓角微成形控制技術(shù)及工程化應(yīng)用

鈦合金因具有密度低，比強度高、耐蝕性好、彈性模量低、導(dǎo)熱系數(shù)小、屈強比高、無毒無磁性、耐熱性好、抗低溫脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可裝飾性強等特性而應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域。由于其良好的綜合性能，其應(yīng)用領(lǐng)域已涉足航空、航天、船舶、化工、汽車、電力、海洋、醫(yī)療、建筑、體育用品、能源等多個行業(yè)，其中航空航天目前乃至今后仍然是鈦合金研究和應(yīng)用占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域。

近年來，我國不斷加強對航空航天事業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，在增強空中軍事力量與加快探索太空領(lǐng)域步伐的同時，鈦合金的用量也不斷攀升，由于鈦合金價格高昂，因此提高鈦合金的材料利用率和成品率尤為重要。由于鈦合金分子結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致鈦合金在熱加工變形時抗力大，金屬流動性差，鍛件成形困難，特別是鍛件筋條最后充填的地方，充填尤為困難。因此在設(shè)計鈦合金鍛件時通常需要加大鍛件余量，防止因鍛件圓角充填不滿導(dǎo)致鍛件報廢。

本文以Ti-6Al-4V 為研究對象，從提高鈦合金材料利用率，降低生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，采用數(shù)值模擬的方法研究鍛件圓角充填時金屬流動規(guī)律，提出一種鈦合金鍛件局部圓角微成形技術(shù)及工程化應(yīng)用方案。

部分河道靠近居民生活區(qū)，垃圾入河現(xiàn)象尚未杜絕，也有少部分工業(yè)廢水偷排入河，影響了河道水質(zhì)；部分鄉(xiāng)級河道水面狹窄，河內(nèi)水草叢生，蚊蠅滋生，影響河道引排通暢，也影響了附近居民的生活。

問題描述及研究方法

問題描述

圖1 為某型號民航飛機吊掛部段上的主要結(jié)構(gòu)件，材質(zhì)為Ti-6Al-4V，在兩相區(qū)進行熱加工鍛造，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)鍛件局部圓角充填不飽滿的情況，鍛件筋條角落塌角5 ～10mm。鍛件余量不滿足加工要求，當鍛件還有欠壓時，可采用返修方式補救；當鍛件無欠壓時，鍛件直接報廢。因此急需尋找一種能解決此問題的方法。

數(shù)值模擬研究方法

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)鍛件的充填始終遵循最小阻力定律，因此保證鍛件筋條的充填可以從兩個方面著手：一是增加鍛件成形阻力；二是減小鍛件成形難度。增加鍛件成形阻力的主要方式是改變模具結(jié)構(gòu)，如減小模具橋部高度、增加橋部寬度、橋部設(shè)置阻力溝、減小?？趫A角等。但這些方式在增加成形阻力的同時將進一步增加成形的載荷，加劇模具的磨損、降低模具的壽命，增加生產(chǎn)風險。減小鍛件成形難度主要是改變鍛件結(jié)構(gòu)，如增加鍛件圓角半徑、增加鍛件余量等方式。但這種方式會急劇增加鍛件的重量，造成鍛件設(shè)計肥大、材料利用率降低、后續(xù)加工量大，特別是對于鈦合金這種原材料價格昂貴的材料，生產(chǎn)成本增加幅度較大。

模擬結(jié)果與分析

拿罩袍和浴巾的女子是白云飛的妻子柳含煙，另一位是白云飛的妹妹白雪。柳含煙把罩袍和浴巾擱在石屏上就脫去衣靴袒露柔和動人卻透著酸味的身體。她瞅了一眼反應(yīng)遲鈍的白雪道：“無論這里人要對我們怎樣，我們又能怎么樣？”白雪這才脫去身上的羅衫。

方式二：沿棱邊單側(cè)增加圓角余量，如圖7 所示，保證鍛件余量不變，采用較大的圓角半徑使一側(cè)圓弧切點和原圓弧切點保持一致，余量增量體現(xiàn)在棱邊一側(cè)。

給予綜合治療：對患者進行行為指導(dǎo)，合理膳食，足量飲水，避免做增加負壓的動作，定時排便，適當減輕體重；指導(dǎo)患者做盆底肌肉鍛煉、膀胱訓(xùn)練等；予替勃龍片2.5 mg，1次/d口服；予盆底康復(fù)治療儀治療，1次/d，每次治療時間為30 min。共治療1個月。

圖4 為筋條棱邊圓角半徑、橋部高度及模口圓角和欠壓之間的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著半徑的增加，筋條充滿的時刻越早，這是因為筋條的橫截面也是按金屬最小流動定律進行充填。從圖5 可以看出，筋條寬度方向的中間金屬流動最快，兩邊最慢，截面呈弧狀，因此棱邊圓角越大，和金屬前段形狀越像，筋條也就越容易充滿。同時隨著模具橋部高度及?？趫A角的減小，鍛件充填時刻越早，這是因為模具橋部及模口圓角越小，就越早的增大了水平方向的阻力，筋條也就越早填充。

鍛件優(yōu)化設(shè)計

為研究金屬圓角充填規(guī)律，尋找圓角充填不滿的原因，設(shè)計了一種“十”字形鍛件。綜合考慮民航飛機結(jié)構(gòu)件特征及適用范圍，設(shè)計鍛件腹板厚度50mm，筋條寬度40mm，深度120mm。取筋條頂部圓角半徑分別為5mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm；模具橋部高度分別為12mm、14mm、16mm、18mm、20mm；?？趫A角分別為R12mm、R16mm、R20mm、R25mm、R30mm。利用DEFORM數(shù)值模擬軟件，采用控制變量法的方式逐一完成數(shù)值模擬，模擬完成后以鍛件筋條充滿時對應(yīng)的欠壓值大小來衡量充填效果。

鍛件設(shè)計時一般進行均勻放量，鍛件的圓角大小和鍛件余量保持一致，生產(chǎn)時一般能保證鍛件平面充填，對于鍛件圓角處，如前所述鍛件圓角特別是拐角處是最難充填的區(qū)域，充填不滿即會使鍛件加工產(chǎn)生風險，因此必須增加鍛件局部余量。

為解決以上問題，我們提出以下3 種鍛件局部微成形控制方案，基本原理就是保持鍛件基本余量不變，僅改變鍛件局部特征，使鍛件局部形狀與金屬流動最前端截面形狀相似，既能保證鍛件良好的成形，又保證鍛件的余量均勻且?guī)缀醪粫黾犹喾罅稀?/p>

方式一：沿棱邊兩側(cè)增加圓角余量，如圖6 所示，保證鍛件余量不變，僅在原有圓角位置上采用較大的圓角半徑。

首先，培育經(jīng)營主體的扶持政策不到位。目前，基層政府對土地流轉(zhuǎn)的專項補貼配套往往跟不上，在農(nóng)業(yè)園區(qū)建設(shè)、農(nóng)業(yè)科技投入上缺乏政策導(dǎo)向與扶持力度。

圖3 是鍛件成形過程的筋條隨模具欠壓充填速率的變化情況，結(jié)合鍛件充填，我們可以看出，在成形過程的很長一段時間內(nèi)筋條都未進行明顯充填，直到欠壓達到20mm 時，筋條才開始快速充填。這是因為剛開始時，模具間隙大而筋條間隙小，金屬向水平流動的阻力遠遠小于向筋條方向流動的阻力，金屬主要向水平方向流動。隨著模具間隙的減小，水平阻力逐漸大于豎直阻力，金屬開始快速填充筋條。因此可以看出，成形時金屬水平和豎直方向的阻力處于動態(tài)，僅當水平流動阻力大于豎直阻力時，豎直區(qū)域(即筋條)才能快速充填。

圖2 為“十”字形鍛件成形終了時的金屬流動分布及充填情況。從圖中可以看出由于筋條的阻隔，鍛件明顯的分為ABCD 四個區(qū)域，四個區(qū)域內(nèi)金屬流動相對獨立，互不干擾。從成形過程可以看出，在各區(qū)域中心點(即金屬不動點)，金屬總是最先沿著阻力最小的方向(或流動距離最短方向)流動，鍛件外側(cè)棱邊的飛邊長度明顯比角落處的飛邊長度長，金屬流動遵循最小阻力定律。因此鍛件的棱邊為金屬最先充填的區(qū)域，鍛件的4 個角落為最后充填的區(qū)域。另一方面，鍛件筋條也存在一個動態(tài)的金屬流動區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)金屬同樣遵循最小阻力定律，表現(xiàn)為筋條縱向面中間充填最快，兩邊最慢。橫向和縱向金屬流動情況的疊加使得筋條的頂部角落成為整個鍛件最難充填的區(qū)域，這也是實際鍛件塌角總存在于筋條尾部的原因。

方式三：沿棱邊單側(cè)增加鍛件局部余量，如圖8所示，保證鍛件余量不變，僅在棱邊一側(cè)的圓角處局部區(qū)域增加鍛件余量。

通過手機媒介對基層崗位員工進行培訓(xùn)教育，在推行方式上，要做到先易后難、循序漸進，要根據(jù)企業(yè)實力，選取適宜的模式。另外，要做好E-training，應(yīng)加強推行過程中的監(jiān)督管理，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時進行處理，做到持續(xù)改進。

為驗證圓角增量方式的效果，在典型鍛件不同圓角處采用以上三種方式(說明哪個位置用了何種方式)，如圖9 所示。

生產(chǎn)驗證

鍛件實物如圖10 所示，鍛件成形良好，三種增量方式圓角處充填飽滿，經(jīng)過多批次的生產(chǎn)驗證，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，鍛件圓角得到了明顯地改善，降低了后續(xù)加工風險，保證了最終產(chǎn)品的交付質(zhì)量。

結(jié)束語

通過數(shù)值模擬揭示了鍛件圓角處金屬充填的規(guī)律，鍛件各處充填均遵循金屬最小阻力定律，鍛件圓角特別是拐角處是鍛件最后充填的區(qū)域，通過增大該區(qū)域圓角半徑的微成形控制，可以提高圓角的充填質(zhì)量，保證鍛件生產(chǎn)的穩(wěn)定性，經(jīng)過工程化的批量生產(chǎn)驗證，此種方式可廣泛應(yīng)用于其他有類似圓角充填困難的鍛件上。