航空用ZK61M 鎂合金鍛件成形工藝模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

王智勇，王小剛，劉 濤，王海斌，趙盛榮，李偉莉

（山西銀光華盛鎂業(yè)股份有限公司，山西 聞喜 043800）

鎂合金是一種優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的減震性和阻尼性，在航空航天、3C 等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1，2，3]。ZK61M鎂合金作為一種商用高強(qiáng)度合金應(yīng)用廣泛，但因其塑性變形能力差，可鍛造性差，且對(duì)成形速度和溫度比較敏感，導(dǎo)致其成形溫度區(qū)間窄[5]。因此在鍛造成形過程中容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，致使材料發(fā)生脆性斷裂。另外，ZK61M鎂合金比熱容較低，在變形過程中降溫速度快，鍛造過程中變形抗力增加，充型能力下降，從而導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能不合格等問題[4，5]。基于此，通過Deform-3D 有限元模擬分析，優(yōu)化預(yù)鍛毛坯形狀、鍛造工藝參數(shù)等來提高ZK61M鎂合金航空復(fù)雜鍛件成形性，從而降低工藝開發(fā)周期，提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

1 模擬試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及產(chǎn)品要求

以某航空器X 部件為研究對(duì)象，選用商用ZK61M 鎂合金,對(duì)其進(jìn)行Deform 鍛造成形模擬及鍛造試驗(yàn)，鍛造前對(duì)ZK61M合金進(jìn)行均質(zhì)化處理消除鑄造缺陷。鍛造設(shè)備采用6000t 鍛機(jī)，其產(chǎn)品尺寸及形狀如圖1 所示，力學(xué)性能要求抗拉強(qiáng)度（UTS）≥295MPa，屈服強(qiáng)度（YS）≥215 MPa，伸長(zhǎng)率（EL）≥8%。

1.2 Deform 模擬分析

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證鍛件充型飽滿，避免鍛造缺陷，考慮產(chǎn)品的批量不大，在預(yù)鍛產(chǎn)品的形狀設(shè)計(jì)上，盡量使其外形與鍛件輪廓一致。采用以下兩種預(yù)鍛方案，如圖2、圖3 所示。

圖2 第一種預(yù)鍛模擬方案

圖3 第二種預(yù)鍛模擬方案

三維幾何實(shí)體建模采用UG12.0 軟件，然后將數(shù)模轉(zhuǎn)成STL 格式導(dǎo)入Deform-3D 軟件中，針對(duì)兩種方案分別進(jìn)行熱模擬鍛造過程仿真分析[7]。在兩次模擬條件的設(shè)定中，毛坯材料設(shè)置為ZK61M，設(shè)置溫度380℃，網(wǎng)格劃分為80000。上模具材料設(shè)置為H13，模具溫度300℃，網(wǎng)格劃分為50000，速度13mm/s；下模具材料設(shè)置為H13，模具溫度300℃，網(wǎng)格劃分為32000，摩擦系數(shù)0.4，傳熱11N/Sec/mm/C，步長(zhǎng)1，運(yùn)行步數(shù)136。林劍[5]等人進(jìn)行了MB15 鎂合金模鍛件成形模擬及實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)MB15 是一種高強(qiáng)度變形鎂合金，具有韌性低、塑性變形能力差、易脆斷的特點(diǎn)，最佳變形溫度為410℃。ZK61M鎂合金主要以Mg-Zn 相作為強(qiáng)化相提升性能，而Mg-Zn 相相變溫度低于400℃，Mg-Zn 系合金本身變形溫度范圍為360℃～420℃，變形溫度范圍相對(duì)較小，若鍛造溫度過高將使得材料軟化，大幅度降低鍛件的力學(xué)性能。當(dāng)鍛造溫度過低時(shí)，變形抗力增大，不易變形，且容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，鍛造溫度選用380℃。具體鍛造參數(shù)如表1 所示。

表1 模擬鍛造參數(shù)

圖4 為預(yù)鍛毛坯在模具型腔內(nèi)的擺放位置，其中圖5a 為第一種方案，圖5b 為第二種方案。由圖可見，兩種方案中材料均可充滿型腔，因此采用該預(yù)鍛形狀能夠保證鍛件的成形。

圖4 預(yù)鍛毛坯在模具型腔內(nèi)的擺放位置

鍛造成形過程中載荷分布如圖5 所示。由圖可見，在模擬鍛造過程中，模具型腔與毛坯接觸完好，且說明在第65 步時(shí)，產(chǎn)品已經(jīng)充形飽滿，結(jié)合載荷圖可以看出，此時(shí)的載荷為236t，因此選用630t 壓力即可完成鍛造。

圖5 模擬鍛造過程成形載荷圖

圖6 為方案一鍛造過程模擬示意圖，通過圖6可以看出在進(jìn)行到40 步時(shí)，材料開始向中心聚集。隨著壓制的進(jìn)行匯集區(qū)域被向外推移，將可能產(chǎn)生的折疊推離鍛件，最后在飛邊處形成折疊，雖然在鍛壓過程中鍛件本身不會(huì)產(chǎn)生折疊，但可能存在微觀裂紋，在隨后的熱處理過程中，裂紋將會(huì)延伸到基體里面，造成一定量的廢品。另外，從圖6b、圖6d 中可以看出當(dāng)模擬20 步時(shí)，A 部位開始出現(xiàn)折料，由于B區(qū)和C 區(qū)受到擠壓，兩股料同時(shí)向A 部位流動(dòng)，并在40 步形成了折疊。因此此方案不適合實(shí)際生產(chǎn)。

圖6 第一種方案中鍛造過程模擬示意圖

方案二鍛造過程示意圖如圖7 所示，可以看出整個(gè)鍛壓過程中沒有發(fā)現(xiàn)折疊等缺陷，方案一中產(chǎn)生折疊之處，在方案二并沒有出現(xiàn)，如圖7c～7e 所示。說明此方案優(yōu)于方案一。

圖7 第二種方案中鍛造過程模擬示意圖

另外，為探究鍛造過程中材料的損傷，圖8 模擬了鍛造過程中容易出現(xiàn)損傷的位置。由圖8 可以看出，成形過程中，材料損傷最大的地方在飛邊[6]，因此，在鍛造過程中產(chǎn)生裂紋風(fēng)險(xiǎn)最大的位置在飛邊處，其他部位風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖8 鍛造過程中損傷分析

2 試模驗(yàn)證

圖9a 為方案一試鍛結(jié)果，D 部位有折疊現(xiàn)象，雖然已經(jīng)偏離零件，但熱處理時(shí)有擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)。圖9b為方案二試鍛結(jié)果，A 部位和D 部位的折疊現(xiàn)象消失，滿足使用要求。表2 為模鍛生產(chǎn)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，可以看出，經(jīng)模鍛生產(chǎn)的此產(chǎn)品各項(xiàng)力學(xué)性能均符合技術(shù)要求。

圖9 試模驗(yàn)證成品示意圖

表2 模鍛產(chǎn)品力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）利用Deform 3D 軟件進(jìn)行鍛造模擬，研究了不同預(yù)鍛毛坯對(duì)最終鍛件產(chǎn)品的影響，分析折疊的形成原因以及產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)最大的部位。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的預(yù)鍛毛坯容易產(chǎn)生折疊缺陷。依據(jù)模擬情況確定預(yù)鍛毛坯的形狀，經(jīng)過實(shí)踐有效避免了缺陷的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了模鍛生產(chǎn)，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求。