肖良紅，汪宇，何虓琪，龍成梁

（1.湘潭大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湘潭大學(xué) 復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411105；3.湘潭大學(xué) 焊接機器人與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）因為密度低、比強度高、耐熱等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)領(lǐng)域，尤其適合作為航空發(fā)動機葉片的材料[1]。目前，等溫鍛造是制造先進航空發(fā)動機葉片的關(guān)鍵技術(shù)，因為等溫鍛造能有效避免模具激冷和坯料應(yīng)變硬化，使坯料變形抗力減小，實現(xiàn)葉片的近凈成形[2,3]。在葉片等溫鍛造時，坯料的彈性變形較小（小于0.05 mm），遠小于其塑性變形，一般忽略坯料的彈性變形[4]；即使坯料有少量彈性變形，因其分布較均勻[5]，可以通過控制飛邊的高度（即調(diào)節(jié)上模的壓下量）消除坯料彈性變形對葉片鍛件帶來的形狀尺寸誤差。由于葉片型面扭曲嚴(yán)重且厚度薄，葉片等溫鍛造最后充滿模膛過程中會產(chǎn)生較大的變形抗力，而模具在高溫和高載荷作用下會發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致葉片在批量生產(chǎn)時無法控制其尺寸精度[6]。工程實踐中主要采用工藝優(yōu)化和模具零件型面補償?shù)确椒╗7]降低和控制葉片鍛件的形狀尺寸誤差。因此，研究葉片等溫鍛造工藝和預(yù)測模具彈性變形并對模具零件型面進行補償，對提高葉片鍛件尺寸合格率、保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

胡學(xué)超等[4]運用DEFORM有限元軟件分析了葉片精鍛過程中模具零件型面的彈性變形規(guī)律，并用UG二次開發(fā)技術(shù)對模具零件型面進行了參數(shù)化反向補償。LU X等[8]使用ABAQUS軟件對葉片熱鍛過程進行了二維有限元數(shù)值模擬，分析了由溫度變化引起的形狀誤差，分別估算了模膛的卸載回彈及葉片冷卻收縮所引起的誤差大小。OU H等[9]建立了壓力機撓度及模具彈性變形分別與葉片鍛件形狀尺寸誤差之間的定量關(guān)系，并通過有限元模擬分析了壓力機撓度和模具彈性變形對模具輪廓偏差的影響。馬龍[10]和陳恩智[11]分別研究了預(yù)成形所得坯料形狀和熱模鍛工藝參數(shù)對葉片鍛件回彈的影響規(guī)律。但較少對TC4鈦合金葉片等溫鍛造模具的彈性變形及型面補償進行研究。

綜上所述，現(xiàn)使用DEFORM-3D有限元軟件對某航空發(fā)動機上TC4鈦合金葉片的等溫鍛造成形過程進行數(shù)值模擬，分析模具彈性變形的分布狀況，通過正交模擬試驗研究變形溫度、上模加載速度和摩擦系數(shù)等鍛造工藝參數(shù)對模具最大彈性變形量的影響規(guī)律，得到一組合理的等溫鍛造工藝參數(shù)，使鍛造過程中模具彈性變形得到有效控制；通過預(yù)測模具零件型面節(jié)點的彈性變形量，并對模具零件型面進行反向補償以抵消或減少模具彈性變形引起的葉片鍛件形狀尺寸誤差。

1 葉片等溫鍛造有限元數(shù)值模擬

在UG軟件平臺按某航空發(fā)動機公司提供的葉形曲線參數(shù)建立TC4鈦合金葉片三維幾何模型，如圖1（a）所示，葉片鍛件由榫頭和葉身組成，其中葉身為較薄的不規(guī)則扭曲曲面；按葉片鍛件幾何形狀特征（單邊放大機加工余量0.25 mm和熱膨脹系數(shù)9.7×10-6/℃[12]），設(shè)計鍛模的分模面、上下模型腔及飛邊槽[13]（開模時，上下模分模面之間的距離設(shè)為22.8 mm）；參照參考文獻[12]根據(jù)鍛件計算毛坯截面積（含飛邊），按橫截面平面應(yīng)變設(shè)計葉片坯料的幾何形狀。將坯料和鍛模的三維幾何模型導(dǎo)入DEFORM軟件，劃分網(wǎng)格，設(shè)定材料模型，得到葉片等溫鍛造的有限元模型如圖1（b）所示。其中，將葉片坯料劃分成50 000個四面體單元，模具劃分成120 000個四面體單元。等溫鍛造時需要將鍛模和坯料一起加熱到相同的鍛造溫度（TC4鈦合金等溫鍛造溫度一般為950℃[14]），對模具材料要求較高，目前國內(nèi)一般選用K403鎳基高溫合金制作等溫鍛造模具，其工作溫度最高可達1 000℃[14]，能滿足TC4鈦合金等溫鍛造的要求，根據(jù)參考文獻[14,15]中K403合金的材料熱物理性能參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變曲線，在DEFORM中建立模具的材料模型。為了預(yù)測葉片等溫鍛造時模具的彈性變形量，分兩步對葉片等溫鍛造進行數(shù)值模擬：第一步將模具設(shè)為剛體，而TC4鈦合金坯料從DEFORM軟件材料庫中選擇Ti6Al4V合金的剛塑性體（因為塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變，忽略彈性變形），坯料、模具及環(huán)境溫度設(shè)為950℃；上模壓下速度為5.0 mm/s，壓下22.0 mm時完成葉片終鍛（飛邊厚度為0.8 mm[16]）；葉片鍛造過程使用抗高溫氧化防護玻璃潤滑劑[17]，坯料和模具零件之間采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.3；有限元模擬TC4坯料等溫鍛造的塑性變形過程，獲得葉片表面節(jié)點的變形力分布；第二步將模具設(shè)為彈性體，并將第一步有限元計算得到的坯料表面節(jié)點上的變形力施加到模膛表面上，按線彈性有限元計算得到模具零件型面節(jié)點的彈性變形量。

圖1 葉片幾何模型及等溫鍛造有限元模型

2 模擬結(jié)果與分析

坯料在最后充滿模膛的階段，其流動阻力會急劇增大，所以模具零件型面的最大彈性變形發(fā)生在終鍛時刻，應(yīng)選取葉片等溫鍛造終鍛時模具的彈性變形進行研究。將第一步數(shù)值模擬終鍛時的坯料表面節(jié)點變形力施加到第二步數(shù)值模擬的模膛表面，所得模膛表面節(jié)點的變形力分布情況如圖2所示。從圖2可以看出，模膛表面節(jié)點最大變形力為5 250 N，分布于型腔葉身中心稍靠榫頭區(qū)域。根據(jù)模膛表面節(jié)點的變形力，將模具設(shè)為彈性體，進行第二步線彈性有限元計算，得到葉片終鍛時上模彈性變形量分布如圖3所示。從圖3可以看出，在模膛表面最大變形力的位置發(fā)生了最大彈性變形0.289 mm，已超過葉身表面的精加工余量（一般為0.25 mm）；且葉片鍛件葉身厚度僅為1.4～6.2 mm，因此不能忽視模具彈性變形對葉片尺寸精度的影響，必須對此嚴(yán)格控制，以下將分別從優(yōu)化等溫鍛造工藝參數(shù)和對模具零件型面補償以減小或抵消模具彈性變形帶來的葉片鍛件形狀尺寸誤差。

圖2 模膛表面節(jié)點的變形力分布

圖3 終鍛時上模的彈性變形分布

3 葉片等溫鍛造工藝優(yōu)化

3.1 正交模擬試驗及結(jié)果分析

葉片鍛造成形過程主要受變形溫度、上模加載速度和摩擦系數(shù)（玻璃潤滑劑的潤滑效果）等工藝參數(shù)的影響[18]，因此選取這3個因素作為影響因子。參考董俊哲等[19]、JIANG H Y等[20]的研究工作，變形溫度影響因子取900、950、1 000℃三個水平值，鍛造速度（即上模加載速度）的3個水平值分別為1.0、5.0、20.0 mm/s；TC4鈦合金在涂覆抗高溫氧化玻璃潤滑劑的條件下鍛造成形，玻璃潤滑劑的摩擦系數(shù)約為0.2～0.3[21]，考慮實際工況，摩擦系數(shù)取0.1、0.2、0.3三個水平值。設(shè)計三因素三水平正交模擬試驗參數(shù)如表1所示。以模具的最大彈性變形量為評價指標(biāo)，設(shè)計正交模擬試驗方案L9（33）以及模具零件型面最大彈性變形量模擬結(jié)果，如表2所示。

表1 正交模擬試驗因素水平

由表2可知，不同葉片等溫鍛造工藝參數(shù)對模具彈性變形量產(chǎn)生了明顯不同的影響。極差越大的影響因素對模具彈性變形量的影響越大[22]，由此可見，對模具彈性變形量的影響次序為：鍛造速度B＞摩擦系數(shù)C＞變形溫度A。一般選取模具彈性變形量均值最小的因素水平A3B1C1作為最優(yōu)的工藝參數(shù)組合[21]，而TC4葉片等溫鍛造實際生產(chǎn)時，坯料變形溫度一般取950℃[14]，從表2也可以看出，變形溫度A對模具彈性變形量影響最小，A3和A2的均值相差較小，可以忽略；故為獲得最小模具彈性變形，葉片等溫鍛造的合理工藝參數(shù)組合為A2B1C1，即變形溫度為950℃，鍛造速度為1.0 mm/s，摩擦系數(shù)為0.1。

表2 正交模擬試驗方案及結(jié)果

3.2 工藝優(yōu)化效果分析

為了評估工藝優(yōu)化對控制模具彈性變形的效果，使用上述優(yōu)化所得合理工藝參數(shù)組合進行有限元建模，再次對葉片等溫鍛造過程進行數(shù)值模擬，分析工藝優(yōu)化后模具的彈性變形，如圖4所示。從圖4可以看出，工藝優(yōu)化后模具的最大彈性變形量為0.119 mm，小于表2中任何一種工藝參數(shù)組合的最大彈性變形量，并且比工藝優(yōu)化前最大彈性變形量0.289 mm降低了59%，工藝優(yōu)化后模具的彈性變形得到了改善，但仍然影響葉片形狀尺寸，不容忽視。

圖4 工藝優(yōu)化后模具彈性變形

4 模具零件型面補償

上述鍛造工藝優(yōu)化雖然能減小一部分模具彈性變形，但是獲得的“合理工藝參數(shù)”中的鍛造速度為1.0 mm/s，生產(chǎn)效率低。優(yōu)化后的摩擦系數(shù)為0.1，而TC4鈦合金等溫鍛造都需要使用抗高溫氧化防護玻璃潤滑劑保護坯料不被氧化，同時對坯料進行潤滑；玻璃潤滑劑的摩擦系數(shù)一般為0.2～0.3[21]，如果摩擦系數(shù)要減小到0.1，必須降低玻璃涂層的黏度，而玻璃涂層黏度過低，會使?jié)櫥瑒┻^早從坯料表面流失，失去對坯料的抗高溫氧化保護作用，故抗高溫氧化防護玻璃潤滑劑的摩擦系數(shù)難以減小到0.1[17]。因此，采用工藝優(yōu)化方法減小模具彈性變形給葉片鍛件帶來的形狀尺寸誤差，已脫離了生產(chǎn)實際，需要采用模具零件型面補償?shù)姆椒p小或消除模具彈性變形給葉片帶來的形狀尺寸誤差。

4.1 模具零件型面反向補償原理

模具零件型面反向補償是通過有限元計算葉片鍛造過程中模具的彈性變形量（回彈量），以此對模具零件型面進行相應(yīng)的反向補償，盡量使終鍛時模具零件變形后的型面與葉片熱鍛件原始型面吻合。模具零件型面反向補償示意圖如圖5所示，S0為理想的模具零件型面（葉片熱鍛件初始型面）；葉片終鍛時模具發(fā)生彈性變形，此時（卸載前）模具零件型面為S1；在理想模具零件型面S0上任取一節(jié)點P0（xi,yi,zi），其在受載變形后的模具零件型面S1上的對應(yīng)節(jié)點為P1（xi1,yi1,zi1），用兩點之間的偏移量表示模具的彈性變形量：

由此，將此偏移量反向疊加到P0的坐標(biāo)上，得到P0的反向補償點P2（xi2,yi2,zi2），則有：

按此公式，對初始模具零件型腔表面S0上的節(jié)點進行上述反向補償后，得到新的模具零件型面Sf2，則Sf2即為模具零件的補償型面。而實際上，從圖1（b）可以看出，坯料的軸向（z向）尺寸大于橫向尺寸，TC4鈦合金葉片等溫鍛造時，坯料的軸向流動受阻，主要在垂直于軸向的橫截面內(nèi)發(fā)生平面應(yīng)變變形，而模具的最大彈性變形發(fā)生在終鍛時刻，也只有對模具在終鍛時刻的彈性變形進行補償才有意義，而坯料已充滿模膛，且此時坯料（即模膛）的變形力基本沿鍛壓方向，即沿厚度方向y向（從圖2可以看出）；此時橫向x向和軸向z向的彈性變形都較小，故終鍛時刻的P0、P1和P2三點基本上位于y向的直線上，如圖5所示。只需對模具零件型面S0（葉片熱鍛件表面）進行y向補償即可得到模具零件的補償型面Sf2，即：

圖5 模具零件型面反向補償示意圖

4.2 模具零件型面補償及分析

首先對上述工藝優(yōu)化前的初始模具零件進行型面補償：提取模具受載變形前后任一特征橫截面上的節(jié)點坐標(biāo)信息，按上述補償原理計算獲得補償點的節(jié)點坐標(biāo)，擬合得到該截面補償后的葉形曲線。如此類推，得到全部特征橫截面補償后的型面曲線，據(jù)此建立新的模膛，得到型面補償后的模具。葉片葉身由12條特征橫截面葉形曲線生成，現(xiàn)選取模膛表面上靠近榫頭處z=29 mm、葉身中部z=59 mm、葉尖處z=106 mm的3條具有代表性特征橫截面曲線，如圖6所示，對比分析模具零件型面的補償效果。

圖6 選取橫截面曲線位置

初始模具在3個截面處受載變形前后的橫截面曲線對比如圖7所示。從圖7可以看出，每個橫截面的曲線間隔均不相等，說明彈性變形不均勻，補償量也不同；其中，葉身中心z=59 mm橫截面處模膛曲線彈性變形前后的間隔較大，說明其彈性變形量較大，這與模膛表面的彈性變形規(guī)律吻合。補償后的模膛與初始模膛在對應(yīng)特征橫截面處的對比如圖8所示。從圖8可以看出，z=59 mm截面相對于z=29 mm和z=106 mm截面，模具零件型面補償后的橫截面曲線與初始模具橫截面曲線之間間隔比較大，說明z=59 mm截面的補償量較大。

圖7 模膛橫截面曲線彈性變形前后對比

圖8 初始模具與補償模具的橫截面曲線對比

使用補償后的模具在相同工藝參數(shù)下進行葉片等溫鍛造和模具彈性變形模擬分析，得到初始模具和補償模具回彈后的型腔橫截面曲線對比如圖9所示。從圖9可以看出，補償模具受載變形后橫截面曲線幾乎與初始模具（葉片熱鍛件）橫截面曲線重合，說明實際熱鍛件（模具回彈后的型面）與理想熱鍛件（初始模膛）的尺寸偏差較小。將截面曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中分析可得，初始模具和補償模具回彈后的型腔橫截面曲線最大偏差為0.059 mm，相比補償前的0.289 mm降低了80%，補償糾偏效果明顯。

圖9 初始模具與補償模具回彈后型腔橫截面曲線對比

在第一次型面補償?shù)幕A(chǔ)上，將第一次補償模具回彈后與初始模具的偏差值，反向疊加到回彈前的補償模具零件型面上，可以得到二次型面補償模具。與此類似，使用二次型面補償模具在相同工藝參數(shù)條件下進行模具彈性變形分析，得到初始模具和二次補償模具回彈后的型腔橫截面曲線對比如圖10所示。此時曲線的最大偏差為0.028 mm，與補償前相比，減小了90%。此偏差值已經(jīng)滿足葉片鍛件的尺寸公差要求，因此無需進行下一次迭代補償。

圖10 初始模具與二次補償模具回彈后型腔橫截面曲線對比

4.3 生產(chǎn)驗證

模具零件型面補償方法是解決模具彈性變形造成葉片鍛件形狀尺寸偏差的有效方法，已在葉片試鍛生產(chǎn)中得到了驗證。圖11所示為葉片試驗鍛件與二次補償模擬葉片的對比，從圖11可以看出，實際生產(chǎn)的葉片鍛件和模擬葉片鍛件較好地吻合，檢測后試驗葉片鍛件葉身靠近榫頭處的弦高與模擬葉片同一位置弦高相差0.04 mm，滿足葉身型面尺寸公差要求。由此可見，模具零件型面補償方法能夠有效控制模具彈性變形引起的葉片鍛件形狀尺寸偏差，能為其他類似零件的精鍛成形提供理論指導(dǎo)。

圖11 葉片試驗鍛件與模擬葉片對比

5 結(jié)束語

對TC4鈦合金葉片等溫鍛造進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模具彈性變形對葉片鍛件形狀尺寸有較大影響。通過正交有限元數(shù)值模擬試驗，確定了合理的等溫鍛造工藝參數(shù)組合，減小了模具的彈性變形，但此工藝并不能完全解決葉片鍛件尺寸偏差問題，且難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)。研究了模具零件型面補償原理，對TC4鈦合金葉片等溫鍛造模具進行了二次型面補償，發(fā)現(xiàn)模具零件型面補償能夠有效控制模具彈性變形造成的葉片尺寸偏差，并進行了實際生產(chǎn)驗證。