大斷面收縮率TC4軸類零件精密楔橫軋數(shù)值模擬

譚 昊,師明杰,劉家旭,鄧泉水,陳 明,,張士宏,程 明

(1.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 鞍山 114051； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110016; 3.中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，沈陽 110016)

1 引言

鈦合金具有密度小、高比強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度好等特點(diǎn)，其憑借優(yōu)異的耐腐蝕性、耐熱性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛工程、醫(yī)療器械以及武器裝備等領(lǐng)域。鈦合金材料性能優(yōu)異，但本身材料制備工藝復(fù)雜，相較其他用途廣泛的合金成本高昂。鈦合金作為一種難變形材料，在航空航天、武器裝備等高精密零件成形中往往采用繁瑣的加工工藝，而造成極大的浪費(fèi)。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的鈦合金壓氣機(jī)葉片制坯過程極其繁瑣，采用楔橫軋的塑性加工工藝則可以簡化繁瑣的加工步驟。現(xiàn)階段，楔橫軋塑性加工工藝已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)外諸多學(xué)者已成功試制許多不同種類、不同用途的楔橫軋件。Pater等通過板式楔橫軋工藝對(duì)鈦合金的成形性能進(jìn)行了研究，并指出TC4鈦合金可以用于生產(chǎn)軸對(duì)稱成品，但鈦合金材料流動(dòng)的阻力較高成形軋件比較困難。北京科技大學(xué)胡正寰院士團(tuán)隊(duì)提出楔橫軋的斷面收縮率應(yīng)在35%～75%，大斷面收縮率將引起螺旋縮頸及拉斷等問題，因此高精度的大斷面收縮率鈦合金軋件成形難度較大。對(duì)此，本文針對(duì)大斷面收縮率軋件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)板式楔橫軋模具并采用數(shù)值模擬方法，對(duì)大斷面收縮率的TC4鈦合金板式楔橫軋精密成形工藝進(jìn)行研究，并基于分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 板式楔橫軋優(yōu)勢(shì)及模具設(shè)計(jì)

2.1 板式楔橫軋優(yōu)勢(shì)

目前，主流的楔橫軋機(jī)有輥式與板式楔橫軋機(jī)。板式楔橫軋軋件成形原理是利用2個(gè)帶有相同楔形凸起的模具，通過模具運(yùn)動(dòng)靠摩擦力的作用帶動(dòng)軋件旋轉(zhuǎn)成形的塑性加工工藝。相較輥式楔橫軋機(jī)，板式楔橫軋機(jī)突出的優(yōu)勢(shì)主要有如下幾方面：

1) 模具加工、安裝及拆卸簡單；

2) 平面模具進(jìn)行軋制，軋件穩(wěn)定性高；

3) 軋件精度高，主要由于板式楔橫軋模具本身加工精度高以及軋制過程中軋件相對(duì)板式楔橫軋模具位置更精確這兩方面因素決定。

因此在生產(chǎn)高精度軋件方面，板式楔橫軋機(jī)相較其他類型的楔橫軋機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 板式模具設(shè)計(jì)

圖1(a)為目標(biāo)軋件，(b)為上模具，其前端設(shè)計(jì)帶有一定弧度的圓角，方便模具準(zhǔn)確楔入軋件中。由于作為研究對(duì)象的目標(biāo)軋件斷面收縮率高達(dá)82.2%，其軋制難度大，因此需對(duì)模具進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，主要有：

1) 在楔入段及寬展段的楔頂處設(shè)計(jì)一定寬度的平面，以增大與軋件之間的摩擦力。

2) 通常，成形角越大越不利于軋件的轉(zhuǎn)動(dòng)，容易引起打滑。因此在模具的楔入段與展寬段設(shè)計(jì)不同的成形角，分別為35°與45°，以確保軋件正常旋轉(zhuǎn)成形。

3) 通常，展寬角越大越不利于軋件轉(zhuǎn)動(dòng)且越容易產(chǎn)生螺旋縮頸。因此在模具的楔入段與展寬段設(shè)計(jì)不同的展寬角，分別為3°與1.32°，以確保軋件正常旋轉(zhuǎn)成形。

圖1 目標(biāo)軋件及模具示意圖

3 有限元建模

坯料與模具的裝配關(guān)系如圖2所示。將建立完成的幾何模型轉(zhuǎn)換成STL文件后導(dǎo)入到DEFORM 3D中，并進(jìn)行軋件網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定建立有限元仿真模型。

本研究對(duì)楔橫軋數(shù)值模擬過程做出以下設(shè)定：① 由于目標(biāo)軋件具有對(duì)稱性，為提高計(jì)算效率取二分之一坯料進(jìn)行模擬分析，中心截面設(shè)置為對(duì)稱邊界；② 將模具作為剛性體，將坯料作為剛塑性體且選用材料庫中TC4鈦合金模型；③ 坯料與環(huán)境的傳熱系數(shù)為常數(shù)；坯料與模具接觸面間的摩擦類型為剪切摩擦，摩擦因子設(shè)為常數(shù)，有關(guān)數(shù)值見表1。

圖2 坯料與模具裝配關(guān)系示意圖

表1 有限元模型參數(shù)

4 有限元分析

4.1 楔橫軋成形過程分析

圖3表示軋件在楔橫軋軋制時(shí)從楔入、展寬到精整成形的過程。起始階段，上模具運(yùn)動(dòng)楔入坯料表面并壓出較淺凹痕，同時(shí)帶動(dòng)坯料轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著楔頂高度及展寬量的增加，軋件不斷發(fā)生徑向壓縮與軸向拉伸，最終達(dá)到零件目標(biāo)尺寸。

圖3 目標(biāo)軋件楔橫軋軋制成形過程示意圖

4.2 成形精度分析

軋件的尺寸精度除了受模具結(jié)構(gòu)與材料本身的力學(xué)特性的影響外，還受軋制溫度及軋制速度影響。鈦合金對(duì)成形溫度較為敏感，而成形過程中坯料表面溫降較快、塑性下降，從而導(dǎo)致軋制失敗。因此軋制速度不宜過低，應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)完成軋制。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中板式楔橫軋機(jī)的設(shè)備參數(shù)，本次數(shù)值模擬選定的軋制速度為500 mm/s。為研究軋制溫度對(duì)軋件成形性能的影響，分別選取750 ℃、800 ℃、850 ℃以及900 ℃四個(gè)溫度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于軋件的變形區(qū)域主要集中在中心區(qū)域且中心部位容易出現(xiàn)孔洞及螺旋縮頸等問題，因此成形后軋件的變形區(qū)直徑可作為判斷軋件成形精度的指標(biāo)，變形區(qū)直徑如圖1所示。由于數(shù)值模擬都是基于理想條件下的結(jié)果，考慮到實(shí)際軋制過程中坯料與模具間存在間隙，因此，在無明顯縮頸情況下，軋件變形區(qū)直徑越接近11.8 mm，表明軋件成形精度越好；反之，則成形精度較差。從圖4可知隨著軋件軋制溫度的升高，軋件變形區(qū)直徑越大且越接近11.8 mm。軋制溫度為900 ℃時(shí)，軋件變形區(qū)直徑為11.71 mm，表明在此溫度條件下軋件成形精度最好。軋制溫度為750 ℃時(shí)，軋件變形區(qū)直徑為11.59 mm，表明在此溫度下軋件成形精度較差。

圖4 軋件變形區(qū)直徑隨溫度變化

4.3 橫截面應(yīng)力、應(yīng)變及溫度分析

圖5為軋制溫度為900 ℃，軋制速度為500 mm/s時(shí)的模擬結(jié)果云圖。圖5(a)表示軋制過程中軋件的楔入、寬展到精整成形的等效應(yīng)力變化情況。楔入階段，模具楔入坯料中，模具運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生材料堆積，該部位最大等效應(yīng)力達(dá)到297 MPa，遠(yuǎn)離楔入部位的等效應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)坯料進(jìn)入展寬段時(shí)，坯料傾斜面與模具貼合處受到較大的壓力。進(jìn)入精整段時(shí)，中心部位已基本成形所受等效應(yīng)力較小，未變形區(qū)域與模具接觸靠摩擦力作用繼續(xù)運(yùn)動(dòng)完成成形過程。圖5(b)表示軋制過程中等效應(yīng)變變化情況。軋件隨模具運(yùn)動(dòng)不斷旋轉(zhuǎn)，徑向與軸向方向分別隨楔頂高度及寬展量的增加，發(fā)生徑向壓縮與軸向拉伸，應(yīng)變量不斷增大，軋件心部與未變形區(qū)域應(yīng)變量較小。圖5(c)表示軋制過程中溫度變化情況，軋件表層因?yàn)榕c模具和空氣直接接觸溫度相對(duì)較低。在軋件變形區(qū)域，由于材料的塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱能，使得從接觸部位向中心區(qū)域溫度先升高后降低。隨著軋制進(jìn)行，軋件中心變形區(qū)域不斷受到揉搓，溫度繼續(xù)升高，局部最高可達(dá)1 020 ℃。中間區(qū)域溫度過高，容易導(dǎo)致軋件出現(xiàn)縮頸等缺陷。

圖5 軋制溫度900 ℃，軋制速度500 mm/s條件下的 模擬結(jié)果云圖Fig.5 Simulation results of stress(a),strain(b) and temperature(c) during the rolling process at rolling temperature at 900 ℃ and speed at 500 mm/s

4.4 等效應(yīng)力、應(yīng)變及溫度點(diǎn)追蹤

在坯料中心橫截面上從中心沿半徑方向等間隔取P1、P2及P3三個(gè)追蹤點(diǎn)，用以追蹤三點(diǎn)處的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度情況。圖6(a)表示軋制前追蹤點(diǎn)位置，(b)表示軋制后追蹤點(diǎn)位置。

圖6 軋制前后追蹤點(diǎn)位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of position of tracking points before and after rolling

圖7為追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。由圖7可以看出軋件表層P3位置應(yīng)力波動(dòng)明顯，中心位置P1點(diǎn)與中間位置P2點(diǎn)等效應(yīng)力值相差不大。三點(diǎn)等效應(yīng)力值均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。

圖8為追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線。由圖8可以看出靠近表層位置的P3點(diǎn)等效應(yīng)變量最大，P1點(diǎn)與P2點(diǎn)在1 s前等效應(yīng)變量幾乎相同，1 s后P2點(diǎn)較P1點(diǎn)有所升高。這是因?yàn)? s后軋件進(jìn)入展寬段，模具壓下量及展寬量明顯增大，P2點(diǎn)處材料發(fā)生較大流動(dòng)導(dǎo)致P2點(diǎn)的等效應(yīng)變量升高。

圖7 追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖8 追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

圖9為追蹤點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖9可以看出P1點(diǎn)與P2點(diǎn)的溫升趨勢(shì)一致，且P2點(diǎn)的溫度要高于P1點(diǎn)。P3點(diǎn)接近坯料表面，當(dāng)該點(diǎn)靠近模具楔形凸起部位時(shí)，變形量大，產(chǎn)生的塑性變形熱更多，溫度升高明顯。隨后該點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離楔形凸起部位，與空氣進(jìn)行熱交換，溫度降低，因此該點(diǎn)溫度總體呈現(xiàn)波浪式升高。

圖9 追蹤點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線

4.5 損傷分析

楔橫軋工藝成形主要會(huì)出現(xiàn)心部孔洞、縮頸以及表面螺旋線等缺陷，而大斷面收縮率的軋件中心區(qū)域的材料受拉壓、扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力的作用發(fā)生較大變形，更容易出現(xiàn)孔洞缺陷。因此，為探究軋件損傷情況，追蹤圖6所示三點(diǎn)處的損傷值，其損傷模型采用Normalized Cockcroft & Latham，其表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

其中，為等效應(yīng)變，為最大主應(yīng)力，為等效應(yīng)力。

由圖10可知，各點(diǎn)損傷值隨軋制距離的增加在不斷增大。在1.25 s之前中心點(diǎn)P1損傷值最大。P1點(diǎn)與P2點(diǎn)損傷值變化趨勢(shì)一致，P2處損傷值低于P1。1 s后坯料展寬、表面變形量增加從而導(dǎo)致P3值的顯著增大。

圖10 追蹤點(diǎn)的損傷演變曲線

5 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

圖11所示為IM500板式楔橫軋機(jī)，該板式軋機(jī)具有機(jī)械剛度高、定位精度高以及易操作、調(diào)試和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，可用于楔橫軋工藝的研究，IM500的主要功能參數(shù)如表2所示。

圖11 IM500板式楔橫軋機(jī)圖

表2 IM500的主要功能參數(shù)

圖12所示為利用IM500板式楔橫軋機(jī)所軋制的TC4軋件，其軋制溫度分別為750 ℃、800 ℃、850 ℃和900 ℃，軋制速度為500 mm/s。從圖中可以看出，750 ℃下出現(xiàn)明顯螺旋縮頸的缺陷，隨著軋制溫度的升高，螺旋縮頸的問題明顯改善。900 ℃下軋件外形尺寸及表面質(zhì)量較好，且其無損探傷結(jié)果表明心部無疏松、孔洞等缺陷(圖13)，滿足目標(biāo)軋件要求。

圖12 不同軋制溫度下TC4軋件圖

圖13所示為軋制溫度為900 ℃的無損探傷檢測結(jié)果。由圖片可觀察到該軋件未出現(xiàn)孔洞及損傷情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了運(yùn)用板式楔橫軋機(jī)軋制大斷面收縮率TC4鈦合金軸類件的可行性。

圖13 900 ℃下TC4軋件無損探傷檢測結(jié)果示意圖

6 結(jié)論

1) 對(duì)斷面收縮率達(dá)82%的TC4鈦合金軸類件單道次板式楔橫軋成形進(jìn)行了模具方案設(shè)計(jì)和相應(yīng)的熱力耦合數(shù)值模擬分析。獲得了750～900 ℃下軋制溫度對(duì)軋件變形區(qū)直徑的影響規(guī)律，隨著軋制溫度升高，變形區(qū)直徑隨之增大。

2) 在軋制溫度750～900 ℃、軋制速度500 mm/s實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，采用IM500板式楔橫軋機(jī)進(jìn)行TC4楔橫軋實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較為吻合。當(dāng)軋制溫度較低,小于等于800 ℃時(shí)，軋件發(fā)生明顯的頸縮拉細(xì)。隨著軋制溫度升高，軋件的頸縮現(xiàn)象逐漸消除。在軋制溫度850～900 ℃，軋制速度500 mm/s條件下，可獲得表面質(zhì)量和尺寸滿足要求的軋件。

3) 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)所得TC4軸類件進(jìn)行外形尺寸、表面質(zhì)量對(duì)比和無損探傷分析，驗(yàn)證了單道次楔橫軋成形大斷面收縮率TC4軸類件的可行性。通過工藝參數(shù)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)外形尺寸和心部質(zhì)量滿足要求的大斷面收縮率TC4軸類件楔橫軋高效節(jié)材制造。