TC4鈦合金葉片終鍛成形過程仿真

李立安，齊廣霞，史麗坤，劉 月

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043;3.中鐵十三局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110034)

現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的材料，大都是合金化程度很高的耐熱合金、不銹鋼和鈦合金。鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，其中含有6%的α穩(wěn)定元素Al和4%的β穩(wěn)定元素V，屬于(α+β)雙相鈦合金［1－2］。葉片型面薄而復(fù)雜，加工時(shí)極易變形，這給機(jī)械加工帶來了極大的困難。所以實(shí)際生產(chǎn)中一般采用精鍛加工［3］。對(duì)于傳統(tǒng)的葉片加工方法很大程度上依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，不僅浪費(fèi)了很多時(shí)間和精力，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的成本，而且具有不穩(wěn)定性，而有限元法可以模擬金屬精密塑性成形變形過程，在模擬過程中研究材料特性，變形溫度、變形速度、摩擦條件等對(duì)成形過程的影響;也可以得到精密塑性成形制品在各塑性變形階段的金屬流動(dòng)規(guī)律、工件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布規(guī)律［4-5］。本文研究TC4鈦合金靜子葉片終鍛的成形過程，并采用熱力耦合有限元法對(duì)變形和傳熱進(jìn)行分析，以獲得材料變形時(shí)溫度、應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等的真實(shí)情況［6］。

1 預(yù)鍛件的反向設(shè)計(jì)與終鍛三維模具的建立

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片形狀不規(guī)則，其精密鍛造成形過程復(fù)雜［7］，普通的棒料形狀很大程度上難以滿足其對(duì)成形性能的要求，所以需要對(duì)預(yù)鍛件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化。根據(jù)終鍛葉片特點(diǎn)反向設(shè)計(jì)并計(jì)算，依據(jù)葉片的變形特點(diǎn)，滿足榫頭變形量達(dá)到20%，葉身變形量達(dá)到60%，見圖1所示。

圖1 預(yù)鍛件

利用Pro/E的三維造型功能建立終鍛葉片模型(見圖2)，再通過Pro/E的模具模塊制造命令，將之前創(chuàng)建好的終鍛幾何模型作為參考元件，選擇合適的分型面，并分別創(chuàng)建終鍛葉片上下模具(見圖3)，并保存為.STL格式，以備deform3D調(diào)用。

圖2 葉片

圖3 葉片終鍛上、下模具

2 葉片終鍛模擬前處理

Deform是專門用于金屬精密塑性成形的數(shù)值模擬軟件，不但可以分析平面問題和軸對(duì)稱問題的塑性變形，還能分析單位問題和考慮熱力耦合的非等溫塑性變形問題［8］。Deform3D雖然使用方便，但本身并不具有三維造型功能，故利用三維造型軟件Pro/E很好地彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。將之前保存好的.STL文件調(diào)入到Deform3D中，反復(fù)調(diào)試得到相應(yīng)的終鍛模型(見圖4)，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

圖4 終鍛模擬模型

3 葉片終鍛過程模擬與分析

TC4在熱加工過程中變形抗力較大、鍛造溫度范圍窄、充型能力差、屬于難加工材料，而且加工費(fèi)用昂貴，故在應(yīng)用中又相繼出現(xiàn)了β鍛造、近β鍛造、等溫鍛造和熱模鍛等鈦合金鍛造工藝［9］。其中熱模鍛是提高鈦合金流動(dòng)性、降低變形抗力最有效的精鍛方法之一。變形過程中宏觀場量(溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場)直接反應(yīng)著鍛件的質(zhì)量，因此合理的工藝(如始鍛溫度、上模壓下速度、坯料與模具之間的摩擦等)就尤為重要。

基于剛粘塑性有限元理論，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，制定模擬工藝線路:當(dāng)坯料始鍛溫度為950℃、模具溫度為400℃、摩擦因子為0.1時(shí)，取上模下壓速度分別為 10mm·s－1、20mm·s－1、40mm·s－1對(duì)TC4鈦合金葉片終鍛成形過程進(jìn)行研究。

3.1 下壓速度對(duì)葉片終鍛過程溫度場的影響

圖5為不同下壓速度時(shí)終鍛葉片溫度場的分布圖。

圖5 不同下壓速度時(shí)終鍛葉片溫度場的分布

模擬由于飛邊的存在，使得葉身飛邊處的溫度出現(xiàn)畸變，影響了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以通過等溫線綜合分析，界定了葉身邊緣處的溫度最大值。從圖中分析得知:葉身溫度明顯高于其他各處;榫頭處溫度相對(duì)較低;榫頭與葉身連接的轉(zhuǎn)角處溫度居中。這主要是由于葉身變形較大，壓力機(jī)對(duì)葉身所做的變形功都轉(zhuǎn)化了熱能，使得溫度升高;又由于與模具接觸導(dǎo)熱，使得溫度下降，兩項(xiàng)綜合作用使得葉身溫度略有下降。榫頭部分雖先發(fā)生變形，但變形量小，使得產(chǎn)生的變形熱少，且模具溫度低，與模具接觸時(shí)間較長，使得溫降明顯。下壓速度的不斷增大，使葉片在變形過程中的溫度差不斷減少;這是由于下壓速度的提升使得變形時(shí)間變短，坯料與模具之間的接觸時(shí)間變短，導(dǎo)熱減少;然而變形功產(chǎn)生的變形熱并沒有減少。

為了能更準(zhǔn)確地反映葉片各部分溫度變化的真實(shí)情況，從葉片上選取了 P1、P2、P3、P4、P5、P6幾個(gè)特征點(diǎn)。并追蹤這些點(diǎn)在終鍛過程中的場量變化，被追蹤點(diǎn)的位置如圖6所示。

圖7、圖8分別為不同下壓速度時(shí)的溫度場和20mm/s時(shí)成形過程中不同點(diǎn)成形過程的溫度-時(shí)間曲線。

圖6 被追蹤點(diǎn)的位置

圖7是P4在不同下壓速度時(shí)形成的溫度-時(shí)間曲線。從圖7分析得知，溫度場分布規(guī)律相似，隨著下壓速度增大，葉身上的溫降變小，主要是由于下壓速度的增大使得變形時(shí)間變短，與模具間的導(dǎo)熱時(shí)間變短所致。還可以看出，在不同的下壓速度下都沒有溫升，主要是由于坯料比較小，而且模具溫度比較低，壓力機(jī)對(duì)坯料所做的變形功產(chǎn)生的熱量小于坯料與模具之間的導(dǎo)熱。

圖7 不同下壓速度時(shí)的溫度場

圖8 不同點(diǎn)成形過程的溫度-時(shí)間曲線

圖8是葉片的六個(gè)特征點(diǎn)在下壓速度為20mm/s時(shí)形成的溫度--時(shí)間曲線。從圖8可以看出，變化規(guī)律相似，P1的位置溫度下降速度大于其他各點(diǎn);主要是由于P1點(diǎn)位于榫頭位置，先發(fā)生變形，與模具接觸時(shí)間長，導(dǎo)熱較多;而其它各點(diǎn)溫度變化大致相同，說明各個(gè)點(diǎn)與模具接觸時(shí)間差不多，葉身變形相對(duì)比較均勻。

3.2 下壓速度對(duì)葉片終鍛過程應(yīng)力場的影響

圖9為不同下壓速度時(shí)的等效應(yīng)力圖。

從圖9可以看出，由于葉片的形狀不規(guī)則，各個(gè)區(qū)域在同一時(shí)刻的變形量各不相同，故各處所受等效應(yīng)力分布狀況具有一定差異性，但應(yīng)力場的分布規(guī)律仍然具有極高的相似性。葉身應(yīng)力各處分布相對(duì)較均勻，由葉身兩凸臺(tái)連線向兩側(cè)的應(yīng)力逐漸變大，凸臺(tái)和榫頭連接處應(yīng)力比較小，圓角處的應(yīng)力比較大;最大的應(yīng)力出現(xiàn)在榫頭和葉身交匯的拐角處，而且隨著下壓速度的增大，應(yīng)力的最大值增大。這主要是由于隨著下壓速度的增大，促使金屬的流動(dòng)變快，短時(shí)間內(nèi)在拐角處積聚了大量來自各處的金屬，使位錯(cuò)塞積嚴(yán)重，應(yīng)力方向復(fù)雜。為充滿型腔則需要加大載荷，進(jìn)而又產(chǎn)生了更大的應(yīng)力。

圖9 不同下壓速度時(shí)的等效應(yīng)力

3.3 下壓速度對(duì)葉片終鍛過程等效應(yīng)變場的影響

圖10為不同的下壓速度時(shí)終鍛葉片的等效應(yīng)變圖。

從圖10可以看出，雖然葉身截面復(fù)雜，變形不一;但不同下壓速度下葉身各部分變形規(guī)律相似，從縱向看，變形由中間向兩邊增大，榫頭處應(yīng)變值最較小，基本處于B級(jí);葉身變形較大，基本是C和D級(jí)，最大的變成出現(xiàn)在飛邊出，對(duì)于榫頭和葉身連接處的應(yīng)變居中;這主要是因?yàn)閼?yīng)變與坯料的變形量有關(guān)?；趯?duì)葉片成形特點(diǎn)的考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)榫頭的變形量小于葉身。然而隨著下壓速度的增大，應(yīng)變的最大值減少，使葉身各部分變形趨于均勻，更有利于鍛件質(zhì)量的提高。

3.4 下壓速度對(duì)葉片終鍛過程載荷-時(shí)間曲線的影響

圖11為不同下壓速度時(shí)的載荷-時(shí)間曲線。

圖10 不同下壓速度時(shí)終鍛葉片的等效應(yīng)變

圖11 不同下壓速度時(shí)載荷-時(shí)間曲線

從圖11可以看出，各個(gè)曲線的變化規(guī)律相似，隨著時(shí)間的增加載荷不斷加大，在變形初期，坯料與模具接觸比較少，所以載荷較小。隨著變形的進(jìn)行，坯料與模具接觸面積逐漸變大，坯料溫度下降明顯，變形抗力增大，為使形變繼續(xù)則必須加大載荷。而且隨著下壓速度的增大，載荷也在不斷增大，主要是由于過大的速度使得坯料來不及流動(dòng)就開始變形，產(chǎn)生了較多的位錯(cuò)塞積，同時(shí)加工硬化明顯。不斷反復(fù)而且大的變形抗力也易造成模具的破壞，減少模具的使用壽命，故應(yīng)選用較小的下壓速度為宜。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E作為幾何建模工具，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了預(yù)鍛件及終鍛模具。

(2)隨著模具下壓速度的增加，金屬流動(dòng)速度變快，縮短了坯料與模具間的導(dǎo)熱，使溫降降低，彌補(bǔ)了鈦合金由于鍛造溫度范圍窄所造成的缺陷，更有利于獲得良好的鍛件。

(3)在變形后期，由于坯料與模具間接觸面積變大，導(dǎo)致摩擦增加;隨著下壓速度的增大，會(huì)使阻力變大，難以成形，而且也對(duì)模具破壞嚴(yán)重。因此要合理控制下壓速度，取20～40mm/s為宜。

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