工業純鈦強力熱旋壓數值模擬及工藝參數研究

蘇 楠，趙敬濤，胡景春

（揚州旋壓技術研究所，江蘇 揚州 225127）

工業純鈦強力熱旋壓數值模擬及工藝參數研究

蘇 楠，趙敬濤，胡景春

（揚州旋壓技術研究所，江蘇 揚州 225127）

強力熱旋壓是工業純鈦管筒件成形的良好方法。通過Deform-3D仿真軟件對其成形進行模擬，獲取溫度和變形的關鍵問題進行分析，并進行工藝試驗，將現場試驗效果與仿真模擬結合優化工藝參數設計。

強力旋壓；工業純鈦；仿真模擬；管筒件；熱旋壓

旋壓是一種先進的少無切削成形技術，廣泛應用于金屬回轉體工件的生產制造中，是航空航天、海洋運輸、汽車工業等行業加工制造技術的重要補充，可作為精整成形生產最終的金屬零件產品[1-2]。鈦的塑性加工手段眾多，為了保證精度和控制生產成本，旋壓是鈦及鈦合金回轉體零件重要的生產制造技術。

工業純鈦是海洋管道運輸的重要原材料，而具備一定尺寸精度是保證運輸效率的重要條件。工業純鈦管筒件產品常規使用熱擠壓或熱拉拔完成，尺寸精度無法達到規定要求，內壁效果不佳，對模具的要求和工藝參數的控制極為苛刻，生產成本代價高的同時廢品率也居高不下。而強力旋壓可解決以上難題，不但能夠滿足尺寸精度要求，而且通過旋壓還能使材料性能得到提升。

工業純鈦的強力熱旋壓屬于逐點塑性成形方式，溫度、控制參數都是旋壓成品件精度的重要影響要素。本文通過Deform-3D有限元軟件對工業純鈦TA2成形工藝進行模擬與現場試驗，其研究對鈦材強力熱旋壓具有重要的參考意義。

1 工業純鈦強力熱旋壓的模擬

首先，材料是成形模擬的重要元素，根據已有研究[3]，工業純鈦TA2的熱變形流變應力本構方程為：

依據此方程修正Deform-3D材料庫中的“TiTanium-Type-2”（熱變形工業純鈦TA2）的材料模型屬性，使模擬接近或符合商業工業純鈦的材料特性，如圖1所示。

圖1 工業純鈦TA2的材料模型修正

根據模擬需求對工裝模具、毛坯件建模，依據旋壓資料和探究經驗得出的參數設計模型[4-7]，用Solid－Works三維造型并裝配，導出各部件的STL文件，將此類文件分別導入Deform-3D軟件中，使用軟件中工件位置調整界面對工裝模具與工件之間的空間關系進行微調，如圖2所示。材料修正后，根據變形條件與環境，逐一對部件進行溫度、材料以及初始位置的定義，具體工藝參數如表1所示。

圖2 工業純鈦強力旋壓有限元模型

表1 數值模擬中工業純鈦強力旋壓工藝參數

根據旋壓成形為點變形的特點，采用自定義四方體網格劃分方式，最小單元為3mm，最大最小單元邊長比為1.5，可劃分出4521個單元，節點1884個。設置體積補償確保變形為體積不變的塑性變形，采用FEM+meshing的體積控制方式，保持變形體積不變。毛坯定義為塑性體，模具皆為剛性體。

2 模擬結果與分析

2.1 溫度變化規律

模擬結果顯示，工業純鈦在強旋過程中有熱量的產生和傳遞，且出現階躍峰值，之后溫度平穩波動，詳細溫度變化如圖3所示。分析得知，鈦的變形抗力特別大且導熱性能一般，鈦筒形件旋壓塑性變形時是屬于晶粒滑移變形，變形克服摩擦力產生熱量，從無到有變形的變形初期產生巨大熱量，即圖中峰值，之后產生的熱量和工件與外界熱交換需要的熱量都趨于平穩，即變形趨于穩定。在試驗時需要特別注意成形初期的溫度控制，不能進行大量的補熱，發生過熱會導致成形無法順利進行。

圖3 鈦筒形件變形時溫度變化曲線

2.2 變形程度分析

模擬變形曲線如圖4所示，初始變形破壞程度劇烈，之后變形破壞已然穩定，表明強力旋壓變形是穩定的，僅在初始變形階段具有不穩定的傾向。Damage作為一種變形破壞的程度的考量，其值不能超過材料的抗拉強度，否則將發生材料內部破裂。對于工業純鈦而言，取其抗拉強度的最小值35kg/mm2。圖中曲線峰值并沒有超過該最小值，故沒有使工件內部破化失效，但在試驗過程中必須通過進給量及進給速度控制峰值。

圖4 鈦筒形件變形破壞隨變形進度的變化曲線

3 工業純鈦強力熱旋壓實驗研究及分析

3.1 實驗參數

工業純鈦的強力熱旋壓實驗使用研究所研發的W87K-600立式旋壓機作為試驗設備，以加熱爐、火焰槍、行車等作為輔助設備，以工業純鈦TA2筒形件為坯料，以模擬參數為基礎，具體加工參數如表2所示。

表2 現場實驗工業純鈦強力熱旋壓工藝參數

3.2 實驗結果及分析

在初次實驗過程中產生兩個關鍵問題：一是熔覆，二是旋壓起皮，如圖5所示。

圖5 成形過程中出現熔覆與旋壓起皮的試驗件

熔覆系因溫度控制不當引起。在上節的仿真模擬過程中，可以看出溫度驟升是在旋輪與毛坯剛剛接觸的初旋階段，所以溫度控制主要集中在初旋階段。在旋壓中期和后期，由于工業純鈦塑性成形會產生大量熱量，維持變形所需熱量并沒有初期那么大，控制難度也明顯低于初期。初期溫度控制應遵循適時控制的原則，使用紅外測溫儀對加熱部位進行全程監控，當測溫點低于500℃用火焰槍進行補溫，高于700℃則無需補熱。加熱處是毛坯上距離旋壓點10mm的未成形部位，而測溫點則設定在加熱點的對面。

其次是旋壓起皮，從紋路看設備不存在波動和剛度不穩問題，經過探討分析，主要原因是主軸轉速與旋輪進給量不匹配、溫度控制不穩定。處理方式是在同等進給量的情況下調整轉速，尋找適合的主軸轉速；同時將初始旋壓階段溫度控制區間進一步縮小至500～600℃。

最終采用修正后的工藝參數進行工業純鈦熱旋壓，轉速調整至60r/min，溫度控制區間為500～600℃，維持溫度點為550℃，旋壓制出符合要求的零件，如圖6所示。

圖6 旋壓最終成形零件

4 結論

工業純鈦熱旋壓處在試驗研究階段，其生產過程受影響因素較多，不同設備的工藝參數也不盡相同，但參數的變化趨勢和研究方法是類似的。本文通過Deform-3D有限元仿真軟件對工業純鈦的熱旋壓進行模擬仿真，可得出具有一定參考價值的工藝參數，將該工藝參數結合經驗應用于生產過程，根據生產過程進行調整，得出符合要求的旋壓產品。本文得出工業純鈦熱旋壓試驗的參數基本符合生產需要，但仍存在如下問題：生產效率偏低；控制溫度應往自動適應調節方向改進；在試驗中遇到了熱加工強化，需要在模擬中深入研究。

[1]王成和，劉克璋.旋壓技術[M].北京：機械工業出版社，1986：23-30.

[2] 牟少正，韓 冬.有色金屬旋壓技術研究現狀[J].航天制造技術，2008，（4）：38-42.

[3] 陳 林，徐 春.工業純鈦TA2熱變形流變應力研究[A].第十屆中國科協年會論文集（四）[C].中國科學技術協會，2008.

[4] 吳立波，張治民.旋壓設備工藝研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（2）：31-33.

[5]牟少正，韓 冬，楊英麗，等.鑄造鈦合金管坯的旋壓成形及性能研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（2）：98-100.

[6] 黃金昌.鈦及其合金的熱旋壓和熱深沖[J].稀有金屬與硬質合金，1993，（3）：45-50.

[7]楊國平.純鈦和BT20鈦合金筒形件旋壓織構及在熱處理中的演化[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

Numerical simulation and the technical parametersstudyof hot power spinning process for commercial pure titanium

SU Nan,ZHAO Jingtao,HU Jingchun
（Yangzhou Spinning Technology Research Institute,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

Hot power spinning process is a good way to the forming of commercial pure titanium tubes.The simulation has been carried to the forming process by use of DEFORM-3D simulation software.The key problems of temperature and deformation have been analyzed.The technical process testing has been conducted.The design of technical parameters has been optimized by combining of the testing result and simulation.

Commercial pure titanium；Power spinning；Pipe barrel；Simulation；Hot spinning

TG335.19

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.028

1672-0121（2016）02-0104-03

2015-08-26；

2015-10-12

蘇 楠（1989-），男，碩士，從事旋壓技術研究及裝備設計。E-mail：sunan19891225@163.com