TA15鈦合金不等厚V型材擠壓模具設計

欒偉雄, 武小娟, 孟凡玲

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院, 沈陽 110158)

0 引 言

隨著我國航空航天事業的快速發展,對鈦合金型材的需求越來越大,但現階段鈦合金型材仍主要依靠進口[1-2]。美國和俄羅斯在20世紀50年代便開始了鈦合金型材的研究,目前已建立起較為完備的鈦合金生產體系[3-4]。而國內對鈦合金型材的研究仍處于起步階段,型材成品質量不穩定,還需要投入更多的研究[5]。

TA15鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo1V,是一種典型的近α鈦合金,具有比強度高、熱穩定性好等優點,常用于生產航空器零部件的型材[6-7]。常見的型材加工方法有軋制和擠壓。

軋制方法適用于對薄壁和精度要求很高的型材的大批量生產[8],對于厚壁型材和形狀較復雜的T形、Z形等薄壁型材,擠壓方法更具優勢。

但是TA15鈦合金變形抗力大、變形能力差[9]、加工溫度高, 這增加了加工難度, 尤其是在型材加工方面, 工藝選擇更為嚴格, 選擇不當將會造成極大的損失,相比于鋁合金、 鋼材等常用材料, 鈦合金價格昂貴, 鈦合金型材加工技術還不成熟、 不系統[10]。 因此, 系統研究型材擠壓過程具有重要的應用價值。

對于鈦合金擠壓方而的研究,管材的研究相對較多且較為成熟[11],而型材擠壓方面的研究多集中在鋁合金、鎂合金等易變形材料[12-15],對于鈦合金型材擠壓的研究很少。本文以TA15鈦合金為研究對象,研究V型不等厚截面型材在擠壓過程中的擠壓力的變化情況,以期獲得最佳的擠壓模具,為TA15鈦合金V型截面型材的生產提供參考。

1 有限元模型和材料屬性

1.1 幾何模型

圖1分別是不等厚V型材截面尺寸、初始擠壓模具俯視圖、擠壓模具剖面圖、擠壓模具裝配圖和初始模具命名規則。

(a) 型材截面; (b) 初始模具俯視圖; (c) 擠壓模具剖面圖; (d) 擠壓模具裝配圖; (e) 初始模具命名方法圖1 型材、模具各部分及模具命名Fig.1 Name of profile, mold parts and mold

從圖1(e)V型型材斷面結構與尺寸可以看出,V型型材屬于不等邊不等厚型材,將其厚邊稱為薄壁邊Ⅰ,水平方向薄邊稱為薄壁邊Ⅱ。

圖1(b)初始模具命名規則確定為R1(x)-R2(x)-Xx,其中R1代表模具薄壁邊Ⅰ,括號內變量代表倒角大小。同理,R2代表模具薄壁邊Ⅱ,括號內變量代表倒角大小,Xx代表型心與模具圓心距離。

為了設計符合使用要求的模具,模具設計需要考慮倒角、型心距離圓心位置,根據模具設計手冊可知,鈦合金擠壓模具倒角應選取在3～8 mm,型心距離圓心位置在10～30 mm的R1(3)-R2(3)-X10,R1(5)-R2(5)-X10,R1(8)-R2(8)-X10等9種模具。同時,為了表述簡明,現將R1和R2倒角大小相同的模具簡化命名為Rx-Xx。

1.2 材料屬性

本構模型的建立是通過熱壓縮實驗得到TA15鈦合金的真應力——真應變曲線,通過一系列的變換擬合獲得了該合金的本構方程,如式(1)所示,隨后將其導入有限元軟件中,建立TA15鈦合金的本構模型:

(1)

1.3 邊界條件及工藝參數

本文采用三維制圖軟件對TA15鈦合金的擠壓模具和坯料進行三維實體建模(圖1(c)),再導入有限元軟件中,設置模具為傳熱剛體,坯料為可變形體。熱傳導系數為10,擠壓過程在玻璃潤滑工藝條件下模擬分析,坯料與模具間的摩擦屬于剪切摩擦,摩擦因數取值為0.15,除坯料與擠壓筒內壁使用玻璃潤滑劑,摩擦因數取值為0.05外,其他具體的相關參數設置見表1。

表1 數值模擬工藝參數Table 1 Numerical simulation process parameters

V型材擠壓試驗擬采用3150 T的擠壓機,其擠壓筒內徑為160 mm,因而坯料規格設定為直徑156 mm,厚度為25 mm。擠壓溫度選取為1 100 ℃,擠壓速度設定為50 mm·s-1。對于擠壓模擬的結果處理,本文采用了標準出口速度場偏差(standard deviation of velocity field, SDV)的評價方法。通過提取的型材出口處各質點的流速值,求得模具出口處的標準速度場偏差SDV值,并以此作為評價型材擠出是否能夠穩定成形的判定依據,如式(2)所示[17]:

(2)

式中:N為選取的節點數目;Vi為出口截面上節點軸向流速;Vave為出口截面上所選節點的平均軸向流速。本文認為當型材材料出口速度波動在某一個范圍之內時,即SDV值小于某一特定值時,能保證生產出合格的型材。

2 模擬結果分析

2.1 初步模擬結果分析

為了獲得直線度較好的型材,首先應使得型材截面上的金屬流動速度盡可能小,可以優先從截面速度相差不大的模具開始優化,縮小優化范圍,而影響V型型材模具設計的因素主要是倒角和型心位置,利用表2比較9種初始擠壓模具型材截面的SDV值,其中SDV值最小的為R1(5)-R1(5)-X20,它是9種初始模具中最好的一種模具。

表2 9種模具型材截面SDV值Table 2 SDV values of 9 die profiles

2.2 V型模具優化數值模擬

由于是不等厚的V型材,且不對稱,模孔在模具上的分布也影響型材質量,在模具設計中,模孔分布位置對模具設計有著較大的影響,越靠近模具中心,金屬流動速度越快,模孔位置的確定以型材的型心為坐標原點,以模具的圓心變化來改變整個模孔在模具上的位置,作為判定模孔在模具的相對位置的改變。現增加模具圓心與型心連線與水平線所成的夾角θ作為模具設計的一部分,優化后的模具見圖2(a),因此命名規則為R1(x)-R2(x)-Xx-θ°,見圖2(b)。同理,其中R1代表模具薄壁邊Ⅰ,括號內變量代表倒角大小,R2代表模具薄壁邊Ⅱ,括號內變量代表倒角大小,Xx代表型心與模具圓心的距離,θ代表模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角大小。

(a) 優化后模具; (b) 優化后模具命名規則圖2 優化后模具參數及優化后模具命名規則Fig.2 Optimized die parameters and optimized die naming rules

2.3 優化模具影響因素及結果分析

2.3.1 模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角對模具的影響

圖3是不同模具夾角擠壓型材模擬結果圖,表3是不同模具夾角的SDV值。

(a) R1(5)-R2(5)-X20-3°; (b) R1(5)-R2(5)-X20-7°; (c) R1(5)-R2(5)-X20-9°圖3 不同模具夾角的擠壓型材Fig.3 Extrusion profiles with different die angles

表3 不同夾角模具的SDVTable 3 SDV of dies with different included angles

在保證模具倒角大小、模具型心位置二者都相同的情況下,只改變模具圓心與型心連線同水平線所成的夾角θ大小,不能使得擠壓出的型材薄壁邊Ⅱ比薄壁邊Ⅰ快,但可以看出,隨著夾角的減小,薄壁邊Ⅱ與薄壁邊Ⅰ側金屬流動速度差值減小,使得整個型材彎曲度減小,同時還發現,夾角為7°,模具圓心與型心連線垂直于薄壁邊Ⅰ,此時,整個模具圓心離薄壁邊Ⅰ最遠,最大程度減緩了薄壁邊Ⅰ過快的金屬流動速度。模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角為7°時,SDV值最小,是最好的角度。

2.3.2 型心位置對模具的影響

本次優化重點放在型心位置與型心位置的關系上,前邊的實驗中,兩心距離均是沿著V形對稱軸進行選取,又因為水平處速度小于傾斜處速度,所以將模具圓心設置在靠近水平處一側,傾斜角度為7°,倒角為R5,型心與圓心距離為20 mm,工藝參數不變,然后進行第一次型心位置優化。圖4為不同型心位置模具的模擬結果,表4為不同型心型材截面取點計算的SDV值。

表4 不同型心距離的SDVTable 4 SDV with different centroid distances

從模擬結果圖4可以看出,在保證模具倒角大小、模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角大小二者都相同的情況下,只改變模具型心位置,不能使得擠壓出型材薄壁邊Ⅱ比薄壁邊Ⅰ快,證明只改變型心位置的大小并不能獲得直線度較好的擠壓型材。再對比型心距離10,20,30 mm這些參數,其中,型心距離20 mm的SDV值最小,型心距離20 mm是其中較好的模具參數。

(a) R1(5)-R2(5)-X10-7°; (b) R1(5)-R2(5)-X20-7°; (c) R1(5)-R2(5)-X30-7°圖4 不同型心位置模擬結果Fig.4 Simulation results of different core positions

2.3.3 倒角對模具的影響

平模模具是最基本的擠壓模具。本文對平模模具做了優化,意在研究不同倒角形狀對擠壓的影響。圖7所示為平模以及帶各種倒角擠壓模擬過程的載荷曲線。在擠壓初始階段,擠壓力曲線與坯料在模具中的填充過程吻合。對比圖5(a)～(d)的擠壓力,傳統平模的擠壓力最大,而帶各種倒角的模具擠壓力變小,圖5(d)模具擠壓力最小。對于圓倒角模具,隨著倒角的增大,金屬在擠壓過程中流動更流暢,總體來說,擠壓力曲線都符合金屬在各個模具中的流動情況[18]。

(a) 平模; (b) 倒角R3; (c) 倒角R5; (d) 倒角R8圖5 幾何優化平模擠壓力Fig.5 Geometric optimization of extrusion force of flat die

表5 不同薄壁邊Ⅰ倒角大小的SDV

2.3.4 不同模具薄壁邊Ⅰ倒角對模具的影響

本次將優化不同薄壁邊Ⅰ倒角,圖6為只改變薄壁邊Ⅰ倒角的模擬結果,表5為不同薄壁邊Ⅰ倒角的擠壓型材的SDV值。

在保證模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角大小、模具型心位置、模具薄壁邊Ⅱ都相同的情況下,只改變模具薄壁邊Ⅰ倒角大小。模具薄壁邊Ⅰ倒角的增大使得擠壓出型材薄壁邊Ⅰ比薄壁邊Ⅱ快,從而可以看出隨著模具倒角的增大,單位時間內進入的金屬越多,型材薄壁邊Ⅰ和薄壁邊Ⅱ金屬流動速度大小差異越小。從SDV的大小來看,薄壁邊Ⅰ倒角取R1(3)時,SDV值最小,這里認為R1(3)-R2(8)-X20-7°為較好的模具參數。

(a) R1(3)-R2(8)-X20-7°; (b) R1(5)-R2(8)-X20-7°; (c) R1(8)-R2(8)-X20-7°圖6 只改變薄壁邊Ⅰ倒角大小的模擬結果Fig.6 Simulation results of only changing the chamfer size of thin-walled edge I

3 結 語

通過對V型材進行模具設計可知,影響V型材的尺寸的因素主要有倒角、型心位置、模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角3個方面,其中倒角比型心位置的影響更大,因為倒角決定單位時間內進入模孔內金屬的多少,進而影響金屬流動速度。TA15鈦合金不等厚V型材擠壓模具最好的模具參數如下:

1) 薄壁邊Ⅰ倒角大小為5 mm,薄壁邊Ⅱ倒角大小為8 mm,是最優的模具倒角參數;

2) 擠壓模具較好的型心位置是20 mm處,為最優的模具型心參數;

3) 模具圓心和型心連線與水平線所成的夾角θ大小為7°,是最優的模具參數。

在3個因素都配合的情況下,V型材模具能擠壓出無彎曲、無扭擰,且直線度較好的尺寸合格的TA15鈦合金不等厚V型材。