文/張大偉·西安交通大學機械工程學院

楊合·西北工業(yè)大學材料學院

大型鈦合金整體隔框鍛件局部加載等溫成形技術(shù)

文/張大偉·西安交通大學機械工程學院

楊合·西北工業(yè)大學材料學院

隨著航空、航天、汽車及兵器工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是新一代戰(zhàn)機和大飛機的研制，以及節(jié)能環(huán)保的迫切需求，使得塑性成形產(chǎn)品的制造朝著高性能、輕量化、短流程、低成本、數(shù)字化、綠色制造的方向發(fā)展。采用高性能輕質(zhì)合金材料（如鋁、鎂、鈦等）和輕量化結(jié)構(gòu)（如薄壁、整體、帶筋等結(jié)構(gòu)）是提高零部件的性能和可靠性、實現(xiàn)裝備輕量化的有效技術(shù)途徑。大型鈦合金整體隔框構(gòu)件將材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢相結(jié)合，具有很高的結(jié)構(gòu)效率和優(yōu)異的服役性能，作為關(guān)鍵承力構(gòu)件，對飛機減重、提高可靠性和性能等方面效果顯著。

由于材料的難變形性以及結(jié)構(gòu)的大型復雜化，采用傳統(tǒng)塑性成形工藝整體成形此類大型復雜構(gòu)件不僅要求大變形壓力、高變形能和高剛度的巨型壓力機，而且容易出現(xiàn)材料充填困難、鍛件質(zhì)量難以保證等問題。局部加載等溫成形技術(shù)的發(fā)展，為鈦合金復雜大件成形制造難題的解決提供了新思路。本文從理論解析、數(shù)值模擬和工業(yè)試驗等方面系統(tǒng)介紹局部加載條件下的材料基本變形特征、大型復雜構(gòu)件三維有限元模擬以及該技術(shù)在工業(yè)中的應用。

局部加載等溫成形技術(shù)介紹

局部加載等溫成形是融合了局部加載成形和等溫成形兩者優(yōu)勢的先進塑性成形技術(shù)。在等溫條件下，局部區(qū)域施加載荷、變換加載區(qū)，通過加載區(qū)與未加載區(qū)之間的不均勻變形協(xié)調(diào)實現(xiàn)整體構(gòu)件的塑性成形。局部加載不僅可有效降低鍛造載荷，還可通過控制不均勻變形提高材料成形極限，降低成形載荷，擴展成形構(gòu)件的尺寸范圍。等溫成形可顯著降低材料的流動應力、提高材料的塑性，在特定條件下還可獲得超塑性效應，從而降低載荷、提高尺寸精度和組織性能的均勻性。

圖1 鈦合金復雜大件局部加載等溫成形原理圖

對于大型復雜構(gòu)件，通過模具分區(qū)實現(xiàn)的局部加載方法是一種簡單有效的減少接觸面積、擴展成形尺寸的方法。如圖1所示，將上模分成多個子模塊，在一個局部加載步中，只有部分模具被施加載荷。在成形過程中根據(jù)變形量實施一個或多個加載道次，每個加載道次要經(jīng)歷多個局部加載步。局部加載道次對成形過程影響并不明顯，實際工藝中為了簡化操作一般采用一個道次。

構(gòu)件的基本變形特征

大型復雜隔框的局部加載等溫成形過程十分復雜、信息數(shù)據(jù)量非常大，難以快速把握基本成形規(guī)律、認知復雜的工藝過程。而設(shè)計能夠反映其成形特點的特征結(jié)構(gòu)體，抓住主要矛盾，通過研究典型特征結(jié)構(gòu)成形中金屬的變形流動行為，探究復雜成形過程的基本成形規(guī)律，初步認識復雜的成形工藝，為復雜工藝方案的制定、參數(shù)變量的選擇提供理論基礎(chǔ)。獲取的基本規(guī)律可為針對整體構(gòu)件的三維有限元模型的簡化建立、合理參數(shù)范圍的確定、初始模擬參數(shù)的選擇提供基礎(chǔ)。通過分析大型整體隔框的結(jié)構(gòu)特征及其局部加載工藝特點，發(fā)現(xiàn)其在一定程度上可以看作由多個T形構(gòu)件所構(gòu)成的組合體，T形構(gòu)件的局部加載可有效反映筋板類構(gòu)件局部加載成形特征。

T形構(gòu)件局部加載成形的物理模擬試驗研究表明，局部加載成形過程中存在如圖2所示的兩種變形方式：剪切變形模式和鐓擠變形模式。其變形模式依賴于坯料和模具的幾何參數(shù)。當坯料厚度較厚時，局部加載過程中先發(fā)生剪切變形，然后發(fā)生鐓擠變形。但是當局部加載寬度減小到一定值后，整個變形過程中型腔對應區(qū)域的材料幾乎不變形，腹板處材料向兩側(cè)流動，剪切變形主導著整個變形過程；當局部加載寬度增大至一定值后，整個成形過程完全在鐓擠變形模式下進行。

基于圖2所示的簡化變形模式，應用主應力法可以建立描述局部加載條件下材料流動特征的解析模型，見式⑴。試驗和有限元研究表明，當局部加載寬度和筋寬比大于5時，主應力法和有限元法的預測精度相當。剪切變形模式不利于型腔充填，易造成充不滿、折疊、流線紊亂等缺陷，可以應用解析模型調(diào)整坯料和模具參數(shù)，使型腔的充填在鐓擠變形模式下進行。

其中：

式中，b為筋寬（mm）；l為局部加載寬度（mm）；H為加載區(qū)腹板厚度（mm）；m為剪切摩擦因子，m＝0.2～0.5；K為剪切屈服強度（MPa）。

圖2 T形構(gòu)件局部加載條件下的變形模式

成形過程的三維有限元模擬

基于DEFORM-3D軟件，建立大型復雜構(gòu)件等溫局部加載成形過程的有限元模型，如圖3所示。坯料為TA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）鈦合金，其應力應變關(guān)系通過恒應變速率等溫壓縮試驗獲得，如圖4所示。模具材料為鎳基高溫合金K403，由于忽略鍛造過程的熱事件以及假定模具是剛性體，故DEFORM-3D軟件不需要模具材料性能。

圖3 隔框局部加載等溫成形有限元模型

圖4 TA15鈦合金應力應變關(guān)系

采用四面體實體網(wǎng)格對坯料進行網(wǎng)格劃分，同時采用局部網(wǎng)格細劃和網(wǎng)格自動重新劃分技術(shù)以改進計算效率和避免網(wǎng)格畸變。根據(jù)局部加載特征，不同加載步、不同部位采用不同的網(wǎng)格劃分策略：

⑴加載區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格密度大于未加載區(qū)，同時在加載區(qū)內(nèi)通過表面曲率、應變分布、應變速率分布、網(wǎng)格密度窗口等權(quán)重因子進一步進行網(wǎng)格局部細化。

⑵第一局部加載步的網(wǎng)格數(shù)可比其他局部加載步的網(wǎng)格數(shù)減少30％～50％。

坯料的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

在不同成形階段選擇不同的有限元求解器，不僅有限元求解不出現(xiàn)收斂問題，而且在部分區(qū)域出現(xiàn)“觸?！撃！|?！钡那闆r下求解結(jié)果也可靠。采用剪切摩擦模型描述熱成形工藝中的工件和模具之間的摩擦行為，并根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件，應用圓環(huán)壓縮試驗確定了摩擦邊界條件。模擬分析了某大型鈦合金隔框構(gòu)件局部加載成形過程，該成形過程共有兩個局部加載步，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同局部加載步的坯料網(wǎng)格

圖6 典型階段的有限元模擬鍛件形狀

工業(yè)應用

為了驗證采用局部加載等溫成形工藝鍛造成形大型鈦合金隔框的可行性，進行了大型復雜鈦合金隔框的局部加載等溫成形工業(yè)試驗，試驗材料為TA15鈦合金。該局部加載等溫成形工藝是在普通的6300t等溫鍛造液壓機上完成的，其成形穩(wěn)定階段的加載速度是0.2mm/s。為了在普通等溫鍛造液壓機上實現(xiàn)局部加載工藝，采用如圖7所示的方法，通過調(diào)整模具結(jié)構(gòu)、增加相應的輔助裝置來實現(xiàn)局部加載。采用筋上分區(qū)閉模鍛造工藝，共有兩個局部加載步，也就是上模分為兩個局部加載模塊。

圖7 普通液壓機上的局部加載示意圖

具體地，其上模分成兩個子模塊上模1和上模2，下模為整體模，共有兩個局部加載步。第一局部加載步，上模1與上模座之間放置墊塊，使上模2比上模1高，如圖7a所示，移動橫梁向下運動時，坯料所承受的載荷主要由上模1施加。第二局部加載步，上模1和上模2在同一水平面并同時加載，如圖7b所示，移動橫梁向下運動時，由于上模1對應區(qū)域在第一局部加載步已經(jīng)成形，故坯料所承受的載荷主要由上模2施加。在局部加載階段最大成形載荷僅為3000t，遠小于整體加載時的成形載荷，有限元模擬對載荷的預測誤差小于10％，如圖8所示。所采用的坯料形狀及成形過程中鍛件的形狀如圖9所示。

圖8 第二局部加載步中的載荷

圖9 局部加載等溫成形大型鈦合金隔框鍛件形狀（部分）

結(jié)束語

局部加載等溫成形技術(shù)是一種先進的、省力的近凈成形技術(shù)，可有效解決鈦合金大型隔框鍛造中面臨的現(xiàn)有設(shè)備能力不足、鍛造余量大、容易出現(xiàn)成形缺陷等問題。局部加載條件下材料流動特征的解析模型可以快速確定初始的幾何參數(shù)，為有限元模擬中模擬參數(shù)、邊界條件的設(shè)定提供范圍；詳細的參數(shù)優(yōu)化、工藝優(yōu)化、過程控制由三維有限元模擬完成。應用現(xiàn)有設(shè)備，通過工藝創(chuàng)新，采用局部加載等溫成形技術(shù)能夠成功鍛造滿足航空鍛件要求的大型鈦合金隔框鍛件。

張大偉，講師，西北工業(yè)大學博士研究生畢業(yè)，研究方向為先進塑性成形技術(shù)及其數(shù)值模擬。