淺談超倍尺寬鈦合金板坯成形工藝

文/楊武，王炳正，張佳麗，閆沛堂·蘭州蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司

以鈦合金板坯鍛件為研究對(duì)象，改變傳統(tǒng)的鐓粗拔長展寬工藝，采用直接拔長進(jìn)行展寬，解決傳統(tǒng)鐓粗工序中經(jīng)常出現(xiàn)坯料腰部折疊缺陷的質(zhì)量問題，提高鍛造生產(chǎn)效率約22%，提高材料利用率約2%。通過有限元模擬分析成形展寬過程，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，并通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證整個(gè)工藝過程，為研制更高質(zhì)量、生產(chǎn)效率、材料利用率的成形工藝提供指導(dǎo)。

本文針對(duì)某公司鈦合金板坯鍛件，材料為TA2，要求成形尺寸2050+15(寬）×260(高 ）±10×L(隨 長 ）(單 位：mm），原材料鈦錠經(jīng)過表面加工去除表面缺陷及取樣后，尺寸為φ990mm×2600mm。成形寬度尺寸/原材料截面尺寸≈2.07，超過一倍尺寸。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，要保證最終展寬成形尺寸原始坯料截面直徑需≥φ1450mm。

常規(guī)成形工藝為鈦錠先鐓粗，保證鐓粗后截面尺寸≥φ1450mm后再進(jìn)行平砧間拔長展寬。鍛造過程由于TA2的材料特性，容易造成鐓粗過程中表面折疊缺陷，為防止折疊過深，需分多道次進(jìn)行鐓粗，出現(xiàn)折疊現(xiàn)象后立即進(jìn)行輕滾圓拔長再進(jìn)行鐓粗，嚴(yán)重影響鍛造效率及鍛造質(zhì)量。本文采取直接拔長的方式進(jìn)行展寬，在試驗(yàn)前通過有限元數(shù)值模擬分析軟件對(duì)試制方案進(jìn)行分析，最終通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證工藝方案的可行性。

工藝方案

鍛造工藝路線：芯棒展寬—換專用芯棒繼續(xù)展寬—上下平砧成形修整，選用50MN快鍛壓機(jī)進(jìn)行整個(gè)鍛造工序。具體過程為：將鈦合金錠平放在大平板上，上端采用φ630mm芯棒分兩次進(jìn)行壓扁，總壓下量控制在300mm左右，左右移動(dòng)芯棒進(jìn)行展寬至坯料高度約為550mm。

為防止芯棒展寬過程中出現(xiàn)板坯料中間尺寸偏大，兩端偏小的情況，特制專用芯棒進(jìn)行進(jìn)一步展寬，展寬至寬度約為2000mm，高度約為440mm。

最后采用特制上平砧（700mm砧寬，2300mm砧長）、下平板進(jìn)行拔長及整形。

工藝的數(shù)值模擬

模型建立及參數(shù)設(shè)定

采用SolidWorks軟件對(duì)鈦合金錠、芯棒、特制芯棒、下平板、上下平砧進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入有限元模擬軟件中。TA2材料屬性由數(shù)據(jù)庫中已有的模型導(dǎo)入，本文采用的快鍛壓機(jī)設(shè)定正常開啟5臺(tái)泵的上砧平均壓下速度下限約為50mm/s。采用六面體網(wǎng)格對(duì)鈦錠模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證模擬的準(zhǔn)確性，設(shè)定網(wǎng)格數(shù)量32000個(gè)。數(shù)值模擬的其他參數(shù)見表1。

表1 有限元模擬的其他參數(shù)

模擬過程分析

圖1為上下工裝及鈦錠初始擺放位置，上砧與芯棒接觸均勻壓下，壓下300mm后，左右橫移芯棒繼續(xù)壓下至圖2狀態(tài)，此時(shí)坯料高度約為550mm。

圖1 鈦錠初始?jí)合聽顟B(tài)

圖2 芯棒展寬結(jié)束

由于鈦錠總長為2600mm，采用芯棒展寬過程中由于兩端偏載的問題，坯料變形不均勻，在實(shí)際生產(chǎn)過程中必然會(huì)造成兩端展寬小，中間展寬大的問題，需采用特制芯棒重點(diǎn)對(duì)兩端進(jìn)行展寬，如圖3、圖4所示。此時(shí)坯料高度高點(diǎn)為455mm，低點(diǎn)約為380mm。

圖5表示采用上平砧及下平板，開始整形拔長，壓下量設(shè)定為100mm。圖6為整形結(jié)束，此時(shí)測(cè)定寬度最大點(diǎn)為2165mm，最小點(diǎn)為2065mm，高度尺寸為265mm。

圖3 特制芯棒展寬兩端

圖4 特制芯棒展寬結(jié)束

圖5 平砧整形拔長

圖6 最終成形

生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證

利用數(shù)值模擬形成的工藝參數(shù)，在生產(chǎn)實(shí)際中進(jìn)行試驗(yàn)，圖7為最終鍛造成形的TA2板坯，試驗(yàn)過程中在厚度約為265mm時(shí)，展寬最寬點(diǎn)達(dá)到2150mm，與優(yōu)化后的仿真結(jié)果非常接近。且兩端頭舌頭長度僅約50mm，低于常規(guī)鈦板成形的舌頭長度150～250mm。最終通過加工后材料利用率達(dá)到91.6%，高于常規(guī)的鈦板成形利用率約2%，符合最終成形的質(zhì)量要求。

圖7 實(shí)際生產(chǎn)的合格鈦板

結(jié)論

⑴通過對(duì)超倍尺寬鈦板展寬成形工藝的優(yōu)化，改變傳統(tǒng)鐓粗后展寬方式，避免了鐓粗過程由于坯料高徑比過大易造成的折疊缺陷，且降低生產(chǎn)火次1～2火，提高生產(chǎn)效率約22%。

⑵利用有限元數(shù)值模擬對(duì)優(yōu)化后的成形工藝進(jìn)行模擬，并采用專用展寬工裝成形，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，生產(chǎn)出表面質(zhì)量良好的合格鈦板，通過最終加工驗(yàn)證，材料利用率達(dá)到91.6%，高于常規(guī)成形鈦板2%。