航空發動機用Ti64 異形截面環鍛件軋環工藝

孫傳華 劉 峰 胡 楠 劉 智 劉其源 何 濤

（無錫派克新材料科技股份有限公司，無錫 214161）

軋環是借助輾環機使環件產生連續局部塑性變形，進而實現壁厚減小、直徑擴大以及截面輪廓成形的塑性加工工藝。該工藝適用于生產各種形狀和尺寸的環形機械零件，如機匣、軸承環、齒圈以及法蘭等各類無縫環形鍛件。異形截面環鍛件不僅可以極大地提高環形鍛件的材料利用率，還可以有效降低熱處理和機加工等后續工序的生產周期和成本，減少機加工對鍛件流線的切斷，明顯提高零件的使用性能。

Ti64 合金是一種中等強度的α-β 型兩相鈦合金，含有6%的α 穩定元素Al 和4%的β 穩定元素V。該合金具有優異的綜合性能，在航空和航天工業中獲得了廣泛應用。Ti64合金長時間工作溫度可達400℃，在航空工業中主要用于制造發動機的風扇、壓氣機盤及葉片，還是飛機結構中的梁、接頭和隔框等重要的承力構件。然而，該合金組織對熱加工工藝特別敏感，變形抗力大，鍛造溫度窗口窄，且成型困難。

1 鍛件結構分析及設計

如圖1 所示，虛線部分為零件外輪廓，內外徑均為異形。內外徑上下端均帶有法蘭，截面變化大。若設計為矩形環鍛件，材料利用率低，零件流線切斷嚴重，機加成本高。為了節約原材料并保留零件流線的相對完整性，鍛件沿零件輪廓設計如圖1 所示，鍛件質量約55kg。相比直接軋制矩形環，該異形方案可節約原材料36%，并可明顯減短后續的機加周期，保證流線的相對完整。

2 工藝方案設計

2.1 中間坯料設計

中間坯料需要依照鍛件體積分布，設計容易制備的中間環坯。鍛件沿高度方向的體積分布如圖2 所示[1]。從圖2可明顯看出，鍛件高度方向體積差異較大，鍛件外徑較大一端接近2，占比最高。鍛件外徑小端接近1.5，占比其次。鍛件其余高度方向體積占比差異小，基本均勻。根據鍛件的體積分布分析，初步設計兩種中間坯方案。方案1：為了使用最簡易的方法制造鍛件，直接使用矩形中間坯進行異形鍛件的軋制。方案2：鍛件體積分布差異大，如果直接采用矩形環坯進行異形鍛件的軋制，可能會使鍛件體積占比高的兩個端面的材料填充不充分。因此，需要制備異形中間坯來進行異形鍛件的軋制，且異形中間坯應盡量簡單和容易制備。根據鍛件沿高度方向的體積分布情況，設計異形中間坯如圖3 所示。

圖1 鍛件圖（虛線為零件輪廓）

圖2 體積分布圖

圖3 異形中間坯

2.2 工藝流程設計

方案1 的流程為“下料→鐓粗、沖孔→擴孔→矩形預軋→異形軋制成型→熱處理和機加→檢測”等。方案2 的流程為“下料→鐓粗、沖孔→擴孔→矩形預軋→胎模制坯→異形軋制成型→熱處理和機加→檢測”等。

3 數值模擬

為了驗證鍛件設計、坯料設計和工藝設計的合理性和可行性，減少鍛件的研發周期，降低物理驗證的成本，分別使用Deform 軟件中的Forming 和Ring rolling 模塊分別進行胎膜制坯和異形軋制成型工序的數值模擬[2]。

3.1 方案1 數值模擬

方案1 的模擬結果如圖4 所示，可知終軋結束后鍛件大頭外徑未填充完整，其余位置填充效果良好?？梢?，使用矩形中間坯直接軋制異形環的方案不能滿足鍛件的尺寸和形狀設計要求，故該方案不可用。

圖4 矩形中間坯直接軋制異形環模擬截面

3.2 方案2 數值模擬

3.2.1 胎膜制坯模擬

胎膜制坯的模擬結果如圖5 所示，可知坯料填充效果較好，形腔填充完整，模擬得到的中間坯料的尺寸和形狀滿足設計要求。

圖5 胎膜制坯模擬截面圖

3.2.2 異形環件軋制模擬

異形環件軋制模擬結果如圖6 所示，可知相比矩形中間坯直接軋制異形環模擬結果，使用胎膜制坯后中間坯軋制異形環件內徑、外徑所有型面填充完整，成型效果較好。可見，使用胎膜制坯后中間坯軋制異形環件的方案完全能夠滿足鍛件的尺寸和形狀設計要求，故該方案可行[3]。

圖6 使用胎膜制坯后中間坯軋制異形環件模擬截面圖

4 鍛件試制

根據數值模擬結果，結合無錫派克新材料科技股份有限公司設備實際能力，按方案2 在3150T 快鍛機和Ф1200mm 環軋機生產線進行試制。試制過程順利，軋制成形后鍛件如圖7 所示，鍛件截面填充完整，形狀和尺寸完全滿足設計要求，表面質量較好，試制鍛件滿足設計要求。

圖7 軋制成形后鍛件

5 結語

通過異形截面環制造工藝生產的Ti64 環鍛件形狀、尺寸和表面質量滿足設計要求，可極大提高材料利用率，縮短后續加工周期，降低生產成本，保留鍛件流線的完整性。采用體積分布原理設計中間環坯，通過數值模擬驗證不同中間環坯軋制異形環件方案，從而得到最優方案，并按最優方案進行了鍛件的試制生產，試制生產一次成功。