航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝

廖國(guó)防，易幼平，王少輝

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083)

航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝

廖國(guó)防，易幼平，王少輝

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083)

為了提高航空鍛件的綜合性能，通過(guò)等溫鍛壓工藝研究了航空接頭鍛件的成形過(guò)程，采用Deform3D有限元軟件對(duì)高筋薄壁鋁合金航空接頭鍛件的鍛壓成形工藝進(jìn)行了仿真研究，在實(shí)驗(yàn)室油壓機(jī)上開(kāi)展了縮比(1∶5)鍛件的成形工藝實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果表明:在坯料與模具溫度均為450℃、成形速度為0.1 mm/s的等溫模鍛工藝下，材料變形抗力比常規(guī)熱模鍛降低70%，材料在模腔中的流動(dòng)性提高，鍛件充填完好，鍛件變形均勻，應(yīng)力集中降低;等溫鍛造工藝可使鍛件獲得流線順暢、晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)良的纖維組織，避免了熱模鍛易出現(xiàn)的渦流、折疊、穿流、充填不滿等鍛造缺陷;仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，為航空接頭鍛件鍛壓成形工藝的制訂提供了依據(jù).

鋁合金;等溫模鍛;接頭鍛件;有限元

航空技術(shù)的迅速發(fā)展要求構(gòu)件整體化、薄壁輕量化、形狀復(fù)雜化，且需滿足高性能和低成本制造的要求.高性能鋁合金高筋薄壁模鍛件可從材料和結(jié)構(gòu)兩方面實(shí)現(xiàn)構(gòu)件輕量化，因此在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用.飛機(jī)接頭模鍛件屬?gòu)?fù)雜高筋薄壁件，采用普通的溫鍛工藝鍛壓成形容易出現(xiàn)充填不滿、流線不暢、折疊、穿流等缺陷，且難以實(shí)現(xiàn)鍛件精化.等溫鍛壓工藝由于鍛件與模具溫度相同，消除了熱鍛工藝的冷模效應(yīng)，大幅度降低了材料變形抗力，成形過(guò)程材料流動(dòng)性增加，非常適合復(fù)雜型面模鍛件的精密成形，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注［1-5］.近年來(lái)，等溫精密模鍛技術(shù)在航空類(lèi)復(fù)雜模鍛件中應(yīng)用越來(lái)越普遍.劉潤(rùn)廣教授對(duì)鋁合金等溫精密鍛造進(jìn)行了大量研究［6-10］，生產(chǎn)出的零件晶粒度達(dá)到1級(jí)，金屬填充性好，可以模壓出形狀復(fù)雜、流線清晰的特高筋薄腹板精鍛件，其加工余量較小，尺寸精度較高;哈工大的單德彬等［11］對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上某重要的受力零件成形進(jìn)行了研究，利用等溫鍛造和閉式模鍛相結(jié)合的方法，得到了成形質(zhì)量良好的鍛件; P.Petrov等［12］研究了不規(guī)則鍛件的等溫閉式近精密模鍛成形技術(shù)，得出了最佳的工藝參數(shù).

本文以某典型航空高筋薄壁接頭零件為研究對(duì)象，通過(guò)精化設(shè)計(jì)，確定了鍛件的幾何結(jié)構(gòu).采用有限元分析軟件Deform-3D對(duì)其1∶5比例的縮比鍛件成形工藝進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了變形工藝參數(shù)對(duì)鍛件的變形均勻性、充填特性的影響規(guī)律.在3150 kN油壓機(jī)上對(duì)縮比鍛件(1∶5)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，對(duì)比分析了仿真與試驗(yàn)結(jié)果，提出了接頭鍛件等溫鍛造成形方案與工藝參數(shù).

1 鍛壓成形工藝數(shù)值仿真

1.1 工藝方案與仿真參數(shù)

本文研究的航空接頭材料為新型高強(qiáng)韌7085鋁合金，接頭零件形狀復(fù)雜，具有筋高、壁薄等特點(diǎn)，為獲得力學(xué)性能優(yōu)良、流線順暢、切削加工量小的精化模鍛件，以接頭縮比鍛件(1∶5)為例，采用等溫鍛造作為該鍛件的成形工藝方案，同時(shí)與常規(guī)熱模鍛工藝作對(duì)比分析.

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬鍛件的成形過(guò)程是目前鍛造工藝研究的主要手段，鍛件的材料模型需通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)獲得.本文研究的鍛件材料為7085鋁合金，其成分見(jiàn)表1，直接引用前期研究工作所建立的本構(gòu)方程［13］.在鍛壓成形模擬中，不考慮模具的變形，模具材料屬性設(shè)為剛體.等溫鍛造的工件與模具溫度均為450℃，而熱模鍛的工件溫度取450℃，模具溫度取350℃.

表17085 鋁合金的其他元素化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 成形載荷分析

通過(guò)上述工藝方案與仿真參數(shù)，利用 Deform3D有限元軟件分析了等溫鍛造與常規(guī)溫鍛工藝下接頭縮比(1∶5)鍛件的成形載荷，如圖1所示.由圖1可知:鍛造開(kāi)始時(shí)上模與工件接觸區(qū)域較小，鍛件處于鐓粗階段，載荷較小且增長(zhǎng)較為平緩;當(dāng)行程大于25 mm時(shí)，載荷急劇增加，這時(shí)上模完全接觸工件，進(jìn)入閉式模鍛階段，鍛件處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，且隨著上模的下壓，載荷基本上呈直線上升;鍛造過(guò)程結(jié)束時(shí)等溫模鍛最大載荷為1550 kN，而熱模鍛的最大載荷達(dá)到2670 kN，是等溫模鍛載荷的1.7倍.而從圖2等溫鍛造溫度場(chǎng)可看出，溫度大都在453℃左右，變化較小，分布均勻，材料變形抗力小，因此大大降低了成形載荷.從圖3熱模鍛工藝鍛件的溫度云圖可以看出，鍛件大部分區(qū)域的溫度在400℃左右，最低溫度只有382℃，熱模鍛工藝的冷模效應(yīng)使材料變形抗力增加，易導(dǎo)致鍛件填充不滿，或者出現(xiàn)裂紋、穿流、渦流等缺陷.

圖1 載荷－行程曲線

圖2 等溫模鍛溫度分布圖

圖3 熱模鍛溫度分布圖

1.3 變形均勻性分析

變形均勻性與鍛件力學(xué)性能密切相關(guān)，鍛件成形過(guò)程的應(yīng)變與應(yīng)力場(chǎng)量可反映鍛件變形的均勻性.等溫鍛造工藝下鍛件的有效應(yīng)變大部分區(qū)域達(dá)到了2.30左右，最大值為6.06，鍛件變形充分且較均勻，如圖4所示.圖5為熱模鍛工藝下鍛件的有效應(yīng)變?cè)茍D，大部分區(qū)域應(yīng)變?cè)?.369～3.67，但最大值達(dá)到了10.3，在鍛件的一些邊緣及筋處，有效應(yīng)變達(dá)到了6.96以上.與等溫鍛造工藝相比，鍛件的變形程度與變形均勻性較差.

圖4 等溫模鍛有效應(yīng)變?cè)茍D

圖5 熱模鍛有效應(yīng)變?cè)茍D

從圖6的等溫模鍛有效應(yīng)力云圖可見(jiàn)，大部分區(qū)域應(yīng)力為40 MPa左右，變化較為平緩，在一些難成形的拐角、筋等處應(yīng)力也基本一致或者稍微有所增加，不存在應(yīng)力過(guò)分集中問(wèn)題.而從圖7的熱模鍛有效應(yīng)力云圖中可以看出，有效應(yīng)力極不均勻，平均應(yīng)力達(dá)到了70 MPa左右，最大達(dá)到了142 MPa，是最小值的10多倍，在筋板與腹板的連接處都在120 MPa以上，比等溫模鍛的平均應(yīng)力增加近1倍，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)鍛件的質(zhì)量將產(chǎn)生影響.

上述分析表明，等溫鍛造工藝下鍛件變形均勻性的較好，鍛件應(yīng)力集中較小，有利于提高鍛件的綜合力學(xué)性能.

圖6 等溫模鍛有效應(yīng)力云圖

圖7 熱模鍛有效應(yīng)力云圖

1.4 流場(chǎng)分析

鍛件成形的鐓粗階段，流線一般都會(huì)比較順暢.紊流、渦流、折疊等缺陷主要發(fā)生在鍛件成形的最后階段.鍛件成形過(guò)程的速度場(chǎng)能較好地反映鍛件流線的形成規(guī)律與最終形態(tài)，等溫模鍛下鍛件截面的速度場(chǎng)如圖8所示.從圖8可以看出，在鍛件成形的最后階段，材料的流動(dòng)依然沿著鍛件的外圍輪廓，這樣能最大限度地使纖維組織順著受力最大的方向，使鍛件的性能達(dá)到最佳狀態(tài).從圖9的熱模鍛速度場(chǎng)可看出，材料在模腔中的流動(dòng)明顯不及等溫模鍛下材料流動(dòng)順暢，運(yùn)動(dòng)方向不一致，與輪廓線角度較大，速度場(chǎng)紊亂，導(dǎo)致流線不暢、鍛件疲勞強(qiáng)度降低、易出現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該設(shè)法避免此類(lèi)流線的出現(xiàn)，使其能夠沿著鍛件形狀方向.

2 等溫鍛造工藝試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果，確定接頭鍛件的鍛造工藝方案與參數(shù)，在3150 kN油壓機(jī)上開(kāi)展了接頭縮比件(1∶5)的鍛壓工藝實(shí)驗(yàn)，分別采用等溫模鍛和熱模鍛工藝對(duì)接頭鍛件進(jìn)行壓制.根據(jù)相似原理［14］，實(shí)際件將與縮比件表現(xiàn)出相似的成形充填規(guī)律，工藝參數(shù)見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)用上下模具如圖10所示.

圖8 等溫模鍛速度場(chǎng)

圖9 熱模鍛速度場(chǎng)

表2 模鍛工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)

熱模鍛時(shí)，坯料在電阻爐中加熱至450℃，保溫2 h，模具通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的加熱系統(tǒng)加熱至350℃，保溫1 h.等溫模鍛時(shí)，坯料和模具均通過(guò)加熱系統(tǒng)加熱至450℃，保溫1 h.鍛件與模具的潤(rùn)滑劑為環(huán)保型水基潤(rùn)滑劑(二硫化鎢+水+添加劑)，潤(rùn)滑方式為噴霧潤(rùn)滑.鍛造完畢后，對(duì)鍛件進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，并用氫氧化鈉(NaOH)溶液進(jìn)行堿蝕，用硝酸(HNO3)溶液進(jìn)行酸洗.

圖10 接頭縮比(1∶5)鍛件工藝實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

等溫模鍛與熱模鍛工藝下的縮比(1∶5)鍛件如圖11、12所示.從圖11可以看出，鍛件成形完好，流線清晰，沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面夾角小.等溫模鍛工藝下，低的成形速率、較恒定的變形溫度，不僅大幅度降低了金屬的流變抗力，增強(qiáng)了金屬在型腔中的流動(dòng)性，同時(shí)亦有利于修復(fù)坯料本身存在的缺陷，防止應(yīng)力集中及裂紋的產(chǎn)生，獲得組織與性能優(yōu)良的模鍛件.

圖11 等溫模鍛成形結(jié)果

由圖12可以看出，鍛件右側(cè)板的頂端未充滿，與設(shè)計(jì)高度還差1～2 mm，鍛件內(nèi)外表面流線與表面輪廓線角度較大，存在穿流的趨勢(shì)，這與模擬結(jié)果基本一致.由于模具的激冷作用，使工件的溫度偏低，再加上成形速率較快，金屬變形抗力急劇增大，充填性變差，以致最后不能使鍛件充分充填模腔，流線紊亂.

在腹板與筋交界處，對(duì)等溫模鍛與熱模鍛縮比鍛件進(jìn)行組織觀測(cè).P1、P2點(diǎn)處的鍛造組織分別如圖13、14所示，可以看出，熱模鍛晶粒大小不均，有的呈等軸晶形態(tài)，纖維組織不明顯，降低了產(chǎn)品的使用性能，而等溫鍛造晶粒細(xì)小均勻，呈現(xiàn)出明顯的鍛造纖維組織，能大大提高鍛件的強(qiáng)度，獲得理想的力學(xué)性能.

圖12 熱模鍛成形結(jié)果

圖13 等溫模鍛組織

圖14 熱模鍛組織

3 結(jié)論

開(kāi)展了高筋薄壁鋁合金航空接頭縮比鍛件的有限元仿真與實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明:

1)復(fù)雜鋁合金航空接頭鍛件適宜采用等溫鍛造成形工藝，與常規(guī)的熱模鍛相比，等溫鍛造工藝大幅度降低了材料變形抗力，增加了材料在型腔中的流動(dòng)，鍛件充填完好.

2)等溫鍛造工藝有效提高了鍛件變形的均勻性，減少了應(yīng)力集中，獲得流線順暢、晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)良的纖維組織，避免了熱模鍛易出現(xiàn)的渦流、折疊、穿流、充填不滿、晶粒粗大不均等鍛造缺陷.

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Study on isothermal forging process for aviation joint forging

LIAO Guo-fang，YI You-ping，WANG Shao-hui
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

To improve the comprehensive performance of aviation forging，a simulation of an air joint forging forming process for Al-alloy aviation joint forging with high rib and thin wall by isothermal forging technology was done by using Deform 3D software，and the experiment of the scaled(1∶5)forging was carried out in laboratory’s hydraulic press.The results show that under the condition of isothermal forging process with the billet and die temperatures of 450℃ and the forming speed of 0.1 mm/s，the material deformation resistance decreases by 70%in contrast to the conventional warm forging process，and the material flow ability in the cavity are improved.The deformation of forging is uniform and the stress concentration decreases significantly.The fibrous structure with smooth flow lines，fine grain and excellent mechanical properties can be obtained by isothermal forging process and the warm die forging’s defects，such as vortex，folding，fibre breaking，unfilling and so on，can be avoided.The simulation results agree with the experimental results，which provide an important basis for the aviation joint forging’s forming process.

aluminum alloy;isothermal die forging;joint forging;FEM

TG319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1005-0299(2012)01-0006-05

2011-01-21.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2010ZX04017-013);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB731701).

廖國(guó)防(1983-)，男，碩士研究生;

易幼平(1966-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

易幼平，E-mail:yyp@mail.csu.edu.cn.

(編輯 程利冬)