雙金屬鍛模在高強鋁合金框類鍛件成形中的應用研究

滕樹滿

（廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西柳州 545002）

1 引言

框梁類結構件是大飛機上重要的承力構件,如飛機的大梁、隔框、壁板、翼肋等均屬于該類構件[1~2]。在模鍛成形該類構件時，由于成形載荷大，模具易產生磨損，塑性變形、斷裂等失效，對鍛件的連續生產造成阻礙[3~6]。圖1 所示為某鍛模在生產后型腔塑性變形產生失效。如何提升該類鍛模的服役壽命是材料研究者需面臨的問題。

圖1 鍛模橋部發生坍塌

在之前的研究中，夏玉峰等基于仿生學提出了鍛模功能梯度設計的思路[7]。同時，電弧增材工藝的發展可以實現模具分區域制造[8~9]。本文基于該思路對鋁合金7050 框類鍛件用鍛模進行了雙金屬功能梯度設計，并通過有限元模擬軟件計算了新舊結構模具的溫度場、應力場、變形場分布特點，以期為該類鍛模的服役壽命提升提供指導。

2 有限元模擬與分析

2.1 傳統均質模具場分布特點分析

本研究所選取的鋁合金框成形用鍛模三維造型如圖2 所示，該鍛模的最大外廓尺寸2,080×790×350mm。腹板處的型腔深70mm，高筋處的型腔深度100mm，橋部的長度與厚度分別為35×10mm，模口圓角R9mm。采用內插法計算該鍛模的應力，有限元參數設置如表1所示。

圖2 鋁合金框成形用鍛模三維造型

表1 有限元參數設置

圖3所示為通過內插法計算得到的模具應力場與溫度場。結果表明：鋁合金框類鍛件鍛模在飛邊槽下方小部分區域有最大應力（約673MPa），而其余區域的應力均較小。這是因為鍛造末期，鋁合金充滿型腔后流向飛邊槽時阻力增大，產生較大的機械應力，形成應力集中并最終導致如圖1所示的鍛模橋部局部塑性變形。鍛模的溫度場模擬表明，成形后鍛模表面有較高的溫升而大部分區域的溫度保持恒定，這主要與鍛模-坯料的接觸、傳熱時間有關。鍛模表面的溫度過高將導致材料的軟化，在高應力條件下更易使模具發生變形，影響鍛造生產的連續性。此外，還計算了模具應力、溫度與測量點到型腔表面距離的關系，如圖4所示。結果表明：距鍛模表面50mm范圍內，模具溫度應力均顯著下降；當距離超過50mm 范圍后鍛模溫度場幾乎保持恒定，模具應力下降速率也顯著降低。以上獲得的鍛造過程中鍛模溫度場、應力場分布將為鍛模雙金屬功能梯度設計提供依據。

圖3 鋁合金框類鍛件鍛模應力場與溫度場分布云圖

圖4 均質材料鍛模應力、溫度與測量點到型腔表面距離的關系

2.2 鍛模雙金屬功能梯度設計

鍛模的溫度場、應力場模擬結果表明：鍛模的高溫及高應力區主要集中于距型腔表面50mm 范圍內。若采用傳統均質材料進行鍛模制造，大部分模具區域材料的性能將存在冗余，而高溫、高應力區域的性能可能存在不足。采用電弧增材制造工藝實現模具的分區域制造可以突破這一困境。本文基于功能梯度設計的思路對鋁合金框類鍛件鍛模進行了工藝設計：對于高溫、高應力區域，可以采用韌性較好、但高溫硬度更低的合金（如鎳基合金CHN327）制造。由于其硬度較低，在變形時可以抵抗沖擊、傳遞應力，避免了由于應力集中導致的模具產生變形；對于沒有溫升且應力較低的區域，可以采用成本低、抗壓性能高但塑性與韌性更差的材料（如鑄鋼ZG10）進行制造，降低模具制造成本的同時提高其抗壓能力。

為了驗證該設計在鋁合金框類鍛件鍛模中的適用性，對新結構模具的應力場、溫度場進行了數值模擬。在電弧增材制造中，兩金屬將產生冶金反應層。該層的產生機理復雜且影響程度較小，為簡化模擬計算，本研究忽略了該層對模具性能的影響，而只是對于鍛模的不同區域賦予了不同的材料屬性，如圖5所示。鑄鋼zg10的基礎材料參數較少，本文采用材料熱力學軟件jmatpro7.0對其性能進行預測補充。

圖5 雙金屬鍛模示意圖

2.3 雙金屬鍛模場應力場及變形分析

圖6所示為采用傳統均質材料鍛模與采用雙金屬梯度設計的新型鍛模應力場與溫度場。對比后發現，采用雙金屬梯度設計的鍛模最大應力由673MPa 降低至約469MPa，降幅約為30%，飛邊槽處的應力集中得到了顯著改善。這是因為型腔表面采用了硬度較低的金屬載荷得以向模具底座傳播，中等應力區域所占比例的增加從另一方面證明了這一推論。應力的降低也減少了鍛模的變形，根據模擬結果，新舊結構鍛模的最大應變分別為0.002與0.0306，鍛模變形顯著降低，這對鍛件尺寸穩定性的保證意義重大。

圖6 雙金屬鍛模與均質鍛模模具應力對比

3 結論與展望

為提高高強鋁合金框類鍛件用鍛模的服役壽命，本文在掌握了傳統均質鍛模的溫度場、應力場特點后，采用功能梯度材料設計原理對鍛模選材及制造工藝進行了重新設計，并應用有限元模擬軟件DEFORM-3D 模擬并對比了新舊模具溫度場、應力場、應變場的分布特點。結論如下：

（1）傳統均質鋁合金框類鍛件鍛模的高應力、高溫區主要位于飛邊槽處。距鍛模表面50mm 范圍內，模具溫度應力均顯著下降；當距離超過50mm 范圍后鍛模溫度場幾乎保持恒定，模具應力下降速率也顯著降低。

（2）采用鎳基合金CHN327與鑄鋼ZG10材料進行鋁合金框類鍛件鍛模制造，節約制造成本的同時降低模具應力與變形，提高模具壽命，該制造方法具有較高的可推廣性。

（3）有限元模擬時，本文忽略了兩金屬焊接反應生成的冶金結合層對于應力傳遞的影響。文本所提出的雙金屬鍛模方案還有待于進一步實際生產驗證，如何準確建立雙金屬鍛模模具應力與服役壽命預測模型仍值得深入研究。