用有限元法預測大型整體鍛件中流線分布

王雪聽，劉 東，楊知碩，楊艷慧

(西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072)

0 前言

減重和可靠性一直是飛機的發展方向。為滿足這一要求，需要減少飛機機體零件重量，選用比強度高的材料。飛機結構件作為飛機機體骨架和氣動外形的主要組成部分，其重量的減輕將大大提高飛機飛行效率。鈦合金因其強度高、耐蝕性好、耐熱性高等優點，成為飛機整體結構件的重要選材。鈦合金整體結構件既能滿足飛機結構件對強度和耐蝕性等的要求，又能從材料和結構設計上達到減重的目的，具有很好的發展前景。

整體結構件中的隔框、大梁等通常結構復雜且不具有明顯的對稱關系，較多的筋、輻板以及局部凸臺是其主要特征。這類鍛件投影面積大、成形載荷高、材料流動規律復雜，容易發生充填不滿、渦流、穿流、拉縮等宏觀缺陷［1-2］。文獻［3］根據實際生產狀況定性地闡述了這類缺陷的特征、產生原因及其預防措施。文獻 ［4-5］對等溫鍛中的復雜盤形鍛件成形缺陷進行了定性研究。本文利用曲率對整體結構件成形過程中坯料的流線進行分析，并定量分析由流線分布引起的缺陷產生原因。

1 曲率

曲線的曲率即曲線上的某點的切線方向角對弧長的轉動率，可通過微分來定義。它表明曲線偏離直線的程度。數學上，曲率表明曲線在某一點的彎曲程度的數值。曲率越大，表示曲線的彎曲程度越大。曲率可按式 (1)確定:

式中，K為曲率;y′為曲線的一階導數;y″為曲線的二階導數。

2 鍛件流線質量的評價

鍛造時，金屬的脆性雜質被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布。塑性雜質隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布。因此熱鍛后的鍛件低倍組織中可見鍛造流線，又叫纖維組織。流線使金屬性能呈各向異性［6］，使鍛件的塑性和韌性在縱向上增加，在橫向上降低，而強度在不同方向上差別不大。為提高結構件的可靠性和使用壽命，力求零件工作時的最大正應力方向與流線方向平行，最大切應力方向與流線方向垂直，流線的分布與零件外輪廓相符而不被切斷。為了評價鍛件內流線分布情況，本文將采用DEFORM-2D有限元軟件對典型截面成形過程進行了模擬，并對成形過程中坯料內流線曲率與模具外形曲率進行對比，以揭示大型框鍛件成形過程中的渦流、穿流等缺陷產生的原因。

3 試驗方案

針對具有筋和腹板的整體結構件，設計了一典型截面 (圖1)，腹板厚度δ、筋間距L、筋寬W、筋高H、筋根圓弧半徑R、筋頂圓弧半徑r和拔模斜度n作為其特征尺寸。為了討論腹板厚度δ、筋寬W和筋根圓弧半徑R對結構件成形過程的影響，采用表1所示的兩水平三因素表，確定了5個試驗方案 (表2)。

在模擬過程中，選擇平面應變進行模擬。工件材料為TC4，初始溫度為950℃;模具材料為5CrNiMo，溫度為270℃。環境溫度20℃，摩擦系數為0．3，工件與模具之間的換熱系數設定為2000 W/(m2·K)，工件與環境的換熱系數為 20 W/(m2·K)。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table mm

表2 試驗方案Table 2 Scheme of experiment

4 模擬分析

4.1 成形過程中鍛件內流線分布

以方案1為例，分析成形過程中流線分布情況 (圖3)。從圖3a可以看出，當壓下量為15 mm時，四根筋對應的模腔均未填充完整，金屬流線比較順暢平滑，沿著鍛件輪廓線分布。隨著壓下量增加，在Ⅰ號、Ⅱ號和Ⅲ號筋剛好填充完整時 (圖3b)，流線與鍛件外形仍基本保持一致。此后，隨著壓下量繼續增大，Ⅰ號、Ⅱ號和Ⅲ號筋的模具型腔已經填充完整，金屬無法沿縱向流動，多余的金屬只能沿著腹板橫向流動，而由于型槽的限制，在筋的根部金屬會產生劇烈的相對流動。從圖3c可看出，Ⅱ號筋根部流線已經產生明顯的彎曲，Ⅲ號筋根部的流線發生劇烈彎曲。隨著過程的進行，筋根部金屬相對流動更加劇烈，腹板部位金屬的橫向流動將筋部初始填充的金屬擠向筋外側的死角，形成渦流 (圖3d中Ⅲ號和Ⅳ號筋)。隨著壓下量繼續增加，由于四根筋都已經填充完整，多余的金屬會沿著腹板橫向發生劇烈的流動，導致流線貫穿筋根部，形成穿流(圖3e中Ⅲ號和Ⅳ號筋)。

總體來看，Ⅰ號筋流線分布比較理想，Ⅱ號筋根部流線彎曲劇烈，有渦流的趨勢;Ⅲ號筋和Ⅳ號筋根部流線發生劇烈彎曲，并貫穿筋根部，形成穿流。比較不同筋處流線分布形態可以看出，越靠近飛邊槽的筋，筋根部腹板處金屬橫向流動越劇烈，越容易產生穿流。

圖3 方案1典型截面成形過程中流線分布情況Fig.3 Flow line distribution during forming process of case 1

為進一步分析成形過程中流線變化規律，考察與坯料外表面的距離為筋寬的10%的流線。圖4給出了方案1中該流線隨壓下量的變化情況。從圖可以看出，壓下量為19.3 mm時，流線比較順暢平滑;壓下量為21.2 mm時，在筋根部位流線發生彎曲并產生不同程度的橫向移動，Ⅲ號筋處橫向移動最大。Ⅱ號筋和Ⅳ號筋處的橫向移動較小。壓下量為22 mm時，筋根部位的流線橫向移動的距離更大，其中Ⅲ號筋處已經貫穿筋底，Ⅳ號筋處移動距離約為筋寬的一半。

圖4 方案1典型截面中特征流線變化趨勢Fig.4 Variation of flow line with time for case 1

為了研究筋根處流線與鍛件外形之間的關系，在每個筋根處流線上選取50個樣點，如圖5所示。分析流線上樣點的曲率變化情況。

圖5 流線上的樣點Fig.5 Sample points on flow line

圖6給出了流線上樣點的曲率變化情況。理想曲率即為模具輪廓線曲率。從圖可以看出，隨著壓下量增大，Ⅲ號筋和Ⅳ號筋的曲率波動最大、Ⅰ號筋變化最小。從整體看，Ⅰ號筋筋根左側流線的曲率值接近模具圓角處曲率，表明Ⅰ號筋處流線形狀與鍛件外形基本一致，其余筋根的曲率有明顯的波動，最大曲率值已經達到8左右，偏離鍛件的外形很多，尤其在壓下量最大時，Ⅲ號筋處發生明顯的穿筋現象。

4.2 筋根圓弧半徑R對流線的影響

以方案2和方案4為例分析筋根圓弧半徑R對流線的影響。圖7和圖8分別為筋根圓弧半徑R對流線分布和流線曲率的影響。可以看出，筋根圓弧半徑R越小，流線發生彎曲的位置越接近腹板，筋根處流線橫向移動距離越長，曲率波動越大，從而產生穿流的可能越大。這是因為筋根圓弧半徑R越小，腹板部位金屬與筋部金屬的相對流動越劇烈;筋根圓弧半徑R較大時，腹板部位金屬會帶動筋根部金屬流動，減小了腹板金屬與筋部金屬相對流動。

4.3 筋寬W對流線分布的影響

以方案3和方案5為例分析筋寬對流線的影響。圖9和圖10分別為筋寬W對流線分布和流線曲率的影響。可以看出，筋寬越小，筋根處流線橫向移動距離越長、流線曲率越大，產生穿流的可能性越大。這是因為筋寬越小，腹板處金屬對筋部金屬流動性影響越小，腹板金屬與筋部金屬的相對流動越劇烈。

4.4 腹板厚度δ對流線的影響

以方案1和方案2為例分析腹板厚度δ對流線的影響。圖11和圖12分別為腹板厚度δ對流線分布和流線曲率的影響。可以看出，腹板厚度越小，筋根流線橫向移動距離越長、流線曲率越大，流線與鍛件外形差異越大，產生穿流的可能性越大。這是因為腹板厚度越小，變形后期，腹板部位金屬橫向流動越劇烈，從而使得腹板金屬與筋部金屬的相對流動越劇烈。

圖11 腹板厚δ對流線的分布影響Fig.11 Effect of web thickness δ on flow line ditribution

圖12 腹板厚δ對筋根處流線曲率的影響Fig.12 Effect of web thickness δ on flow line curvature

5 結論

(1)在多筋鍛件成型過程中，鍛件中間的筋首先充滿，坯料向外側流動，邊緣的筋最后充滿。筋全部充滿后，多余的坯料將發生劇烈的橫向流動。

(2)多數筋充滿后，在坯料未發生劇烈橫向流動前，流線沿鍛件外形分布，流線曲率與鍛件曲率值基本一致。

(3)在坯料發生橫向流動后，坯料筋根部位流線的曲率發生明顯的波動，波動越大越容易發生拉縮、穿筋等缺陷。

(4)筋根圓弧半徑R越小、筋寬越小、腹板越薄，筋根流線橫向移動距離越長，筋根處流線曲率波動越大，容易產生穿流等缺陷。

(5)為使鍛件流線與模具型腔符合以及防止拉縮和穿流等缺陷發生，應合理設計鍛件，并嚴格控制坯料體積。

［1］ 韓勇，湯立民．大型航空結構件數控加工裝備與先進加工技術 ［J］．航空制造技術．2009，(1):44－47．

［2］ 楊建勇，湯立民，楚王偉．大型航空結構件精確制造技術研究與應用 ［J］．航空精密制造術．2000，45(2):34－35．

［3］ 陳詩蓀．鋁合金鍛件的渦流、穿流和低倍粗晶［J］．熱加工工藝．1980(04):28－35．

［4］ Yanqiu Zhang，Debin Shan，Fuchang Xu．Flow lines control of disk structure with complex shape in isothermal precision forging ［J］． Mater． Process．Technol．(2009)745 －753．

［5］ Debin Shan，Yanqiu Zhang，Yong，Wang．Defect analysis of complex－shape aluminum alloy forging［J］． Trans． NonferrousMet． Soc． China 16(2006):s1574－1579．

［6］ 韓彩霞，工程材料與材料成形工藝 ［M］．天津大學出版社，2010:206－207．