TA15支座梁模鍛工藝優化

蒲思洪,盧艷,斯慶陽,張連彪,史國中

(貴州安大航空鍛造有限責任公司,貴州安順561005)

TA15支座梁模鍛工藝優化

蒲思洪,盧艷,斯慶陽,張連彪,史國中

(貴州安大航空鍛造有限責任公司,貴州安順561005)

目的 研究TA15支座梁鍛件荒形減料及模具增設聚料倉的可行性。方法 根據支座梁鍛件的結構特點,并結合現模鍛生產工藝,確定了減料后的荒形尺寸及模具上聚料倉的設置位置和尺寸,然后利用有限元軟件對優化前后的成形過程進行了數值模擬分析,驗證了優化方案的合理性。結果 優化后的模鍛成形載荷小于優化前的模鍛成形載荷,且優化后鍛件U型結構內多余材料的流動趨勢較優化前也發生了較大改變。結論 通過減料及設置聚料倉,支座梁模鍛件不但更易打靠充滿,成形火次減少,而且由于模壓中間坯機加工難度及機加工周期均有所下降,鍛件的交付周期也相應有效縮短。

TA15支座梁;模鍛;工藝優化;數值模擬

鈦合金模鍛件雖然機加余量小、流線沿鍛件外形分布、工藝具有再現性、生產效率高,但是由于材料本身鍛造時的變形抗力和工藝塑性對應變速率比較敏感[1—3],特別是在鍛錘或對擊錘上進行鈦合金模鍛時,再結晶來不及充分進行,導致鍛件的變形抗力比壓力機上模鍛時提高30%～40%,且工藝塑性有所下降,不但難以充滿型腔,而且很容易在鍛件表面產生裂紋[4—5]。

TA15屬于高Al當量的近α型鈦合金[6—11],它既有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性,也具有接近于α-β型鈦合金的工藝塑性,在退火狀態以α相固溶體為基體,含有5%～7%的β相[12—14]。其模鍛成形一般在相變點以下 20～30℃進行,終鍛溫度≥850℃[15]。在鍛錘上對TA15鈦合金進行模鍛成形時,由于其變形溫度范圍比較窄,火次較多且易出現組織和性能問題。通過優化模鍛工藝,特別是針對薄板多筋類大型TA15鈦合金模鍛件的成形工藝優化,對于改善鍛件的充填性能,減少成形火次,縮短生產周期并提高其綜合性能,具有非常重要的指導作用。

1 工藝分析

以圖1所示某TA15鈦合金支座梁的模鍛成形工藝為研究對象,該鍛件屬于薄板多筋類難成形鍛件,其成形工藝流程一般為:下料→鍛荒→模鍛→修傷→熱處理→理化測試→交付產品。

圖1 支座梁模型Fig.1 Supported girdermodel

鍛件最大外廓尺寸約450 mm×380 mm×97 mm,凈質量約為27.5 kg,在分模面上的投影面積約1510 cm2。由于鍛件上A,B,C三處腹板均為封閉輪廓,此處多余的材料要通過筋K,M,N,O流到鍛件毛邊部位非常困難,所以在錘上模鍛成形時,相關腹板部位金屬流動的變形抗力較大,鍛件很難打靠。再加之A,B,C,D四處腹板與鍛件接觸面積大(總共約760 cm2),而這4處腹板厚度又較小(15～26 mm),在模鍛成形時腹板部位溫度很快就降至終鍛溫度以下,導致模鍛火次多且難以打靠。

2 工藝方案優化

支座梁鍛件現模鍛工藝是在3 t自由鍛錘上按圖2所示進行鍛荒后,在10 t模鍛錘上進行模鍛,第一火模鍛后按圖1所示尺寸將A,B,C,D四處腹板多余的材料機加去除,以降低變形抗力。因為4處腹板較薄,鍛造時溫度下降很快,再加之接觸面積大,所以即使銑掉大部分多余材料,鍛件仍難以打靠,以致模鍛四火后還需增加一次機加腹板工序,以去除多余材料,最終鍛件成形火次均為六火。由于中間機加工序繁雜且耗時很長,而鍛件火次又較多,所以整個鍛件的生產周期很長,且最終鍛件的組織和性能容易出現不合格現象。

圖2 鍛件原荒形示意圖Fig.2 Drawing of original inter-part

結合圖1和圖2,可發現鍛件上K,M,N三條筋構成的U型結構內部材料質量約為13 kg,而現用荒形K′,M′,N′三條筋(見圖2)構成的U型結構內部材料質量約為15.5 kg,由于K′,M′,N′三條筋的寬度大于K,M,N三條筋,所以再加上大于K,M,N部分筋寬的質量,總共約18 kg,則二者之間質量相差約5 kg。若除去公差、修傷打磨量,至少有3 kg的材料在模壓過程中是很難通過K,M,N,O這4條筋構成的封閉輪廓流到鍛件飛邊部位的,只有通過機加工去除,否則該部分材料產生的變形抗力將使鍛件很難被打靠。

若要減少模鍛火次及中間坯的機加銑削量,主要是要減少K,M,N三條筋構成的U型結構的內部多余材料,降低成形變形抗力,而要減少多余的材料,主要有兩種方式:

2)增設預鍛。測量腹板A處單面多余的材料約0.8 kg,腹板B處和C處單面多余的材料均約0.2 kg,可見多余的材料主要集中在腹板A處,據此新增一套預鍛模,并在預鍛上、下模具型腔內A腹板位置增設一半徑為R44 mm的半球形聚料倉(圖3所示),以容納多余的材料。同時為了避免材料較多地流向聚料倉,利用腹板B和C處多余的材料保證Q和P兩筋的充填。

圖3 聚料倉示意圖Fig.3 Drawing of the gatheringmaterial groove

增加聚料倉后,多余的材料可以很容易地向聚料倉內流動,而通過筋流到鍛件毛邊部位的材料將大大減少,再加之荒形重量的減小,可明顯降低變形抗力,從而間接減少模鍛火次。由于聚料倉形狀規則且與鍛件本體相對獨立,在后續機加工去除時較原中間坯機加定位裝夾方便,機加難度及機加周期均可降低。

3 工藝方案優化

3.1 載荷-行程曲線

借助于有限元分析軟件對優化前后鍛件的成形過程進行數值模擬,圖4所示為模擬得到的優化前、后上模的載荷-行程曲線。

從圖4可看出,在整個成形階段,優化前后上模載荷的變化趨勢較相似,即開始時載荷上升非常緩慢,后續階段載荷呈急劇上升趨勢。以優化前上模載荷曲線為例,在荒形腹板位置與模具接觸之前,載荷上升非常平緩,且值也較小,一旦荒形腹板位置與模具接觸后,上模載荷立即快速上升(曲線AB段),而后進入筋部充填階段,上模載荷沿BC段繼續穩步上升,當過C點以后,由于鍛件U型結構內部多余的材料流動困難,再加之與模具接觸面積增大,且溫度快速降低,導致變形抗力急劇增加,相應上模載荷也呈直線上升趨勢。而優化后的坯料由于腹板厚度減薄,所以上模與腹板開始接觸的時間晚于優化前,載荷快速上升的開始時間相應落后于優化前,但是由于增加的聚料倉容納了多余的材料,所以變形抗力較優化前明顯降低。

當欠壓量為15 mm時(上模行程約56 mm),優化前后上模載荷分別約為965,751 t,當欠壓量為11 mm時(上模行程約60 mm),優化前后上模載荷分別約為4300,1250 t,當欠壓量為5 mm時(上模行程約66 mm),優化前后上模載荷分別約為8340,5820 t。可見優化后上模的載荷均小于優化前的載荷,特別是成形的中間階段,優化后的成形載荷遠小于優化前的成形載荷,即在打擊力不變的情況下,優化后的模鍛工藝更易充滿打靠,火次也可有效減少,從而可間接提高鍛件的最終質量。

圖4 上模的載荷-行程曲線Fig.4 Load-stroke curve of the top die

3.2 材料流動分析

為進一步研究優化前后上模成形載荷的差異,對優化前后鍛造成形過程中材料的流動情況進行分析,如圖5所示。U型結構內部的材料在成形的開始階段,優化前后均主要是向圖1中N筋方向流動;但是在腹板成形階段,優化前U型結構內部的材料主要是向K,N,O三筋方向流動,優化后U型結構內部的材料則趨向于向聚料倉內流動;而在成形的最后階段,優化前U型結構內部多余的材料仍主要是向K,N,O三筋方向流動,優化后U型結構內部多余的材料則明顯向聚料倉內流動聚集,只有很少部分材料流向K, N,O三筋方向。

由于U型結構內部多余的材料向聚料倉內流動的阻力遠小于其流過K,N,O三筋的阻力,所以設置聚料倉后,多余的材料就可以很容易地流到聚料倉內而不通過K,N,O三筋流到鍛件毛邊槽去,這樣成形過程中多余材料產生的變形抗力就會大大減小,相應鍛件容易打靠充滿,成形火次也可有效減少。并且由于聚料倉在鍛件中間坯上的位置相對獨立且形狀規則(見圖6),中間機加周期也可大大縮短,即在保證鍛件最終質量的同時也可有效縮短其交付周期。

圖5 鍛造成形過程材料的流動趨勢Fig.5 Flow trend ofmaterials in forging process

圖6 模擬得到的優化后鍛件中間坯Fig.6 Optimized inter-part of forging obtained by simulation

優化后鍛件的生產流程主要為:下料→鍛荒→預鍛(一火)→機加聚料倉及毛邊→終鍛(四火以內)→機加毛邊→熱處理。

4 結論

1)支座梁模鍛件成形火次多、交付周期長的主要原因是鍛件本身U型結構內多余的材料流動困難,且該部位腹板厚度較薄而且與鍛模的接觸面積又大。

2)通過荒形優化減少了1 kg左右的多余材料,同時在模具U型結構部位增設聚料倉以容納多余的材料,降低多余材料流動產生的變形抗力。

3)借助于有限元分析軟件對優化前、后鍛件的成形過程進行模擬對比,發現優化后成形各階段的載荷均小于優化前的成形載荷,且鍛件U型結構內多余材料的流動趨勢也發生了較大改變,鍛件不但更易打靠充滿,成形火次減少,而且由于中間坯機加難度及機加周期均有所降低,鍛件的交付周期也可有效縮短。

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Optim ization of Die Forging Process of TA15 Supported Girder

PU Si-hong,LU Yan,SIQing-yang,ZHANG Lian-biao,SHIGuo-zhong
(Guizhou Anda Aviation Forging Limited Company,Anshun 561005,China)

The objective of this work was to study the feasibility of reducing the inter-partmaterial and adding thematerial-gathering groove in themould of TA15 supported girder.According to the structural characteristics of supported girder and the die forging process at present,the inter-part dimension after reducingmaterials and the position and dimension of thematerial-gathering groove in the mould were defined,then the feasibility of the optimization scheme was validated by simulating the die forging process after optimization with finite element software.The results showed that the forming load after optimization was smaller than that before optimization,and the flow trend of the superabundancematerials in the U-type forged part after optimization had significant changes compared to before optimization.In conclusion,after reducing materials and adding the gatheringmaterial groove,notonly themould can be easily fully filled withmaterials and the forming times of forging was reduced,butalso the delivery cycle of forged partswas shortened due to the reduce of the difficulty in the processing of intermediate slab and the cycle of inter-partmachining.

TA15 supported girder;die forging;optimization of process;numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.005

TG319

:A

:1674-6457(2015)04-0022-04

2015-05-10

蒲思洪(1982—),男,四川南充人,碩士,工程師,主要研究方向為材料塑性成形工藝。