文/代梅·中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司

郎連林·中國人民解放軍93147 部隊

施文鵬·江西景航航空鍛鑄有限公司

為解決某型發(fā)動機TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件成形困難的問題，基于Deform 數(shù)值模擬軟件對某型發(fā)動機TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛造工藝進行研究。結(jié)果表明：通過預鍛+終鍛+抱切模的工藝方案，可以保證鍛件薄片處的尺寸公差，同時能有效的提高模具壽命，實現(xiàn)了一火次鍛造成形。設(shè)計工藝試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，鍛件縱截面與金屬流線均勻，尺寸以及金相組織均滿足產(chǎn)品性能指標。

葉片搖臂是發(fā)動機葉片連接高壓壓氣機整流器作動環(huán)的主要零件，高壓壓氣機整流器作動環(huán)工作時通過葉片搖臂帶動發(fā)動機葉片轉(zhuǎn)動工作。

TC8M-1 鈦合金為Ti-Al-Mo-Si 系合金，屬于馬氏體型α+β 兩相鈦合金。TC8M-1 鈦合金具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、持久性能和抗疲勞性能，使用壽命長，主要用于發(fā)動機鍛件產(chǎn)品。TC8M-1 鈦合金是在TC8-1鈦合金的基礎(chǔ)上研制的，合金中減少了鋁含量，增加了鉬含量，以保證該鈦合金具有更好的加工性能，可以在室溫下加工變形(鐓粗40%)，主要用于制造工作溫度在400 ～500℃的發(fā)動機靜止和轉(zhuǎn)動鍛件，長期工作時間可達1000h 以上。

本文選取某型發(fā)動機TC8M-1 鈦合金葉片搖臂作為研究對象，基于Deform 有限元數(shù)值模擬分析對其鍛造工藝以及模具設(shè)計進行研究，為后續(xù)該類型產(chǎn)品的設(shè)計給出參考方向。

結(jié)構(gòu)分析

某型發(fā)動機TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件(圖1、圖2)，鍛件由兩個圓柱以及中間薄片組成。鍛件整體沿縱向截面變化較大。中間薄片只有1.6mm，公差為(+0.4，-0.2)，兩頭圓柱的公差只有(+0.4，-0.2)，且鍛件薄片處為非加工表面。整體來看鍛件小，對尺寸公差要求較高。又因鍛件的分模方式為折線分模，給鍛件成形控制增加了難度。

圖1 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件圖

圖2 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂三維造型

工藝分析

因TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件薄片處為非加工表面，對尺寸的要求更加嚴苛，在鍛件生產(chǎn)過程中存在的以下幾個難點。

⑴鍛件為折線分模，盡管鍛件尺寸較小，但在鍛造過程中依然會存在錯移力。

⑵因鍛件沿縱向截面變化大，中間薄片的截面積較小，在鍛造過程中，中間薄片處料的摩擦更加劇烈，會導致模具薄片位置極易磨損。

⑶薄片較薄，在鍛造切邊時，極易產(chǎn)生翹曲。

⑷鈦合金鍛件存在非加工表面時，需要通過酸洗去除α 層，需考慮酸洗時鍛件去除的深度。

對鍛件進行工藝分析，并結(jié)合鍛造生產(chǎn)的實際狀況，制定了TC8M-1 鈦合金葉片搖臂“預鍛+終鍛+抱切?！钡腻懺旃に嚪桨?，即先在預鍛型腔上進行鍛造，后放入終鍛型腔鍛造，最后放進抱切模中切邊。

鍛件成形考慮：因鍛件為折線分模，考慮到鍛件錯移力對成形過程的影響，鍛造過程中選擇1 模2 件的形式，見圖3。

圖3 1 模2 件熱鍛件示意圖

設(shè)備選擇：鈦合金鍛造一般優(yōu)先選用壓力機，不優(yōu)先選擇模鍛錘，因模鍛錘設(shè)備特性，主要以沖擊載荷為主要的成形驅(qū)動力，使用過程中鈦合金鍛件整體的溫度場變化較大，且TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件尺寸較小，鍛造成形設(shè)備基本上都能滿足要求，綜合考慮，鍛造設(shè)備選擇300t 摩擦壓力機。

坯料尺寸的確定：鍛造坯料尺寸的確定對工藝成形、產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要，坯料的尺寸較小，容易造成充填不足，鍛件缺肉；坯料的尺寸較大，容易造成鍛件打不靠，材料利用率低，增加生產(chǎn)火次。坯料尺寸根據(jù)計算毛坯圖的截面來確定，考慮材料變形等因素，原始棒料尺寸確定為φ15mm×86mm。

鍛造工藝方案過程：下料→加熱→300t 摩擦壓力機鍛造(預鍛+模鍛)→切邊(抱切模)→表面處理→熱處理→酸洗→除氫→理化檢測(氫含量、高低倍、α 層)→表面處理→終檢。

模具設(shè)計

熱鍛件圖設(shè)計

熱鍛件圖是根據(jù)鍛件圖來設(shè)計的，需要考慮鍛件去除α 層的余量以及熱脹系數(shù)，其中熱鍛件的尺寸=(冷鍛件尺寸+余量)×熱脹系數(shù)，從而設(shè)計出TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件熱鍛件圖，見圖4。生產(chǎn)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件模具的終鍛型腔是根據(jù)熱鍛件圖加工的。

圖4 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂熱鍛件圖(終鍛)

預鍛型腔設(shè)計

預鍛型腔主要是根據(jù)終鍛型腔來設(shè)計的，預鍛的主要目的是為了防止終鍛型腔的磨損過重，所以預鍛的設(shè)計主要和終鍛型腔外形類似，改變薄片處的厚度以及預鍛的凹圓角，使預鍛充填完整，TC8M-1 鈦合金葉片搖臂熱鍛件圖(預鍛)見圖5。

圖5 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂熱鍛件圖(預鍛)

切邊模設(shè)計

切邊模是基于沖壓手冊上的落料沖孔復合模以及鍛件的實際情況進行設(shè)計的，TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件抱切模具體結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂抱切模裝配圖

抱切模工作原理

終鍛后的鍛件(帶毛邊)放入陰模上(陰模根據(jù)鍛件形狀進行制造，保證鍛件平穩(wěn)放入)，啟動切邊壓力機，最先由卸料板與鍛件進行接觸，接觸后陽模向下運動，陽模與陰模對鍛件毛邊部分進行一個剪切作用，用于切除鍛件毛邊，當設(shè)備到達下死點，陽模與陰模完成切邊，設(shè)備帶著陽模上行，鍛件由彈簧1的回復力頂出于陰模，毛邊因彈簧2 的作用力頂出陽模，最后用鉗子夾取鍛件以及毛邊。抱切模的主要作用是控制TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件的翹曲，避免增加校正工序。

有限元數(shù)值模擬分析

采用φ15mm×86mm 規(guī)格尺寸的棒料進行Deform 有限元數(shù)值模擬，模擬基本參數(shù)見表1，TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛件成形過程見圖7、圖8。通過圖7、圖8 可以看出，鍛件充填良好，毛邊均勻，在有限元數(shù)值模擬過程中沒有折疊、匯流等鍛造缺陷產(chǎn)生。

表1 模擬基本參數(shù)

圖7 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛造成形過程(預鍛)

圖8 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂鍛造成形過程(終鍛)

基于Deform 有限元數(shù)值模擬軟件對成形過程的縱截面金屬流線進行后處理分析，見圖9，通過縱截面流線結(jié)果可以看出，金屬流線沿外輪廓分布且金屬流動均勻，通過該工藝方案鍛出的鍛件沒有產(chǎn)生流線紊亂。

圖9 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂縱截面金屬流線

工藝試制

根據(jù)模擬結(jié)果，采用300t摩擦壓力機預鍛+終鍛的成形方案對TC8M-1 鈦合金葉片搖臂進行試制。棒料經(jīng)預鍛+終鍛+抱切后鍛造成功。該鍛件已經(jīng)生產(chǎn)多個批次，尺寸滿足圖樣要求，圖10 為TC8M-1 鈦合金葉片搖臂實物照片。經(jīng)檢測，鍛件的金相組織滿足技術(shù)標準要求，圖11 為TC8M-1 鈦合金葉片搖臂顯微組織照片。

圖11 TC8M-1 鈦合金葉片搖臂顯微組織照片(2 批次)

結(jié)論

根據(jù)上述的分析、模擬以及工藝試制可以得出以下結(jié)論。

⑴基于Deform數(shù)值模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)、鍛造工藝方案進行了設(shè)計，后進行工藝試制，試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，實際生產(chǎn)驗證了模擬結(jié)果的準確性。

⑵采用預鍛+終鍛+抱切后鍛造方式生產(chǎn)TC8M-1 鈦合金葉片搖臂的工藝方案合理可行，為后續(xù)同類型鍛件的鍛造工藝提供了設(shè)計思路。