TC4 厚壁盤類異形環鍛件的工藝研究

2024-04-20 04:27:32胡寶牟旭祥楊家典羅鴻飛鄭騰騰常開富貴州航宇科技發展股份有限公司

鍛造與沖壓 2024年7期

文／胡寶，牟旭祥，楊家典，羅鴻飛，鄭騰騰，常開富·貴州航宇科技發展股份有限公司

TC4 鈦合金(名義成分Ti-6Al-4V)屬于α+β型的兩相鈦合金，含有6%α 穩定元素Al 和4%β 穩定元素V。該合金具有優異的綜合性能。在航空航天、船舶、汽車、石油化工等領域，該材料是應用最為廣泛的材料之一，占工業用鈦的60%。

火箭發動機固定殼體，其所選材料一般為超高強度鋼，該類材料主要有強度高，價格低等優點，但由于其密度較大，使得發動機整體重量較大。近年來，隨著飛行器對高性能、高可靠以及輕量化的不懈追求，越來越多的鈦合金應用于機體和發動機上，鈦合金的應用水平在一定程度上代表了航空器的先進性。TC4合金，作為鈦合金中應用最廣泛的材料之一，正成為固定殼體的首選材料。固定殼體結構主要為盤類異形環鍛件，傳統生產方法為矩形環坯＋掰斜＋胎模成形，生產出的鍛件局部位置帶有折疊、尺寸超差等缺陷，還破壞了鍛件流線完整性，阻礙了火箭發動機的整體發展。為擺脫上述不利情況，此次生產的固定殼體鍛件采用矩形環軋＋胎模聚料＋胎模成形，不僅節約大量原材料，降低加工工時，還提高了鍛件的均勻性及整體性能水平，為火箭發動機提供更優的鍛件坯料。

鍛件情況

固定殼體鍛件材料為TC4 合金，該合金鍛造變形速率控制不當容易造成組織過燒。變形速度過快易造成組織、性能不合格，變形速度過低，變形抗力較大，容易出現無法鍛透的情況。

粗加工鍛件外形尺寸見圖1，如按矩形件投產，鍛件重量為355kg。如按異形件投產，鍛件重143 kg，鍛件減重率達60%，大大節約了原材料投料重量，同時節約機加工時。

圖1 粗加工尺寸

成形工藝分析

技術難點

⑴矩形坯制坯：鍛件異形程度較高，對矩形坯料的要求也相對較高，由于原材料用料較少，沖孔時采用沖小孔，通過脹孔、馬架、環軋制成筒形坯料。

⑵鍛件外形為盤類異形環件，存在不同直徑的大小頭情況，斜段斜度較大，大頭與豎直方向夾角為90°，成形時需將鍛件由豎直方向掰形至水平方向，難度極大。

⑶鍛件大頭下端面存在凸臺，此處堆料較多，如采用單純掰斜+胎模成形將會存在大頭尺寸超差的風險，如以大頭尺寸設計坯料，則會產生小頭嚴重多肉，無法達到精化減料的目的。

⑷高筒件坯料提前進行聚料制坯，但在聚料過程中，由于鐓粗高度與鍛件厚度比值高達3.5，導致聚料后內徑產生折疊或內徑處發生彎曲現象，后續工序掰斜后折疊繼續產生或加深，最終導致鍛件報廢。

成形方法分析

該鍛件為盤類異形環件，大頭端面與豎直方向夾角90°，同時，大頭下端存在凸臺，為保證鍛件尺寸合格，性能滿足要求，選擇采用矩形環坯+胎模聚料+胎模成形。采用異形毛坯生產鍛件，不僅降低鍛件投料重量，減少熱處理厚度，降低鍛件各部位之間性能差異，同時還能有效降低鍛件機加工時間，節約機加工成本。為了更準確的把握鍛件在成形過程中溫度、應力、應變及成形噸位情況，采用計算機數值模擬軟件DEFORM 對鍛件成形過程進行數值模擬，降低實際試錯成本。

TC4 合金鍛件加熱溫度較低，盤類件生產過程中，由于模具接觸面積較大，溫度降低迅速，低溫狀態下材料變形抗力較大，對成形設備噸位要求較大，通過DEFORM 仿真模擬軟件模擬得出制坯聚料所需最大變形抗力約2000t，鍛件成形所需最大變形抗力約為4980t。根據模擬結果并結合實際生產情況，選擇使用2500t 液壓機進行制坯，使用6300t 液壓機進行胎模成形。

根據鍛件成形尺寸、異形程度，并結合生產經驗，鍛件成形需采用矩形制坯、異形制坯、胎模成形。為保證鍛件最終尺寸、表面狀態滿足要求，較為關鍵的工序是異形制坯，即胎模聚料形狀尺寸設計是否合理。先根據材料鍛造特性結合鍛件尺寸計算出胎模制坯尺寸和形狀，再使用DEFORM 軟件驗證設計的胎模制坯尺寸是否滿足成形需求，并根據模擬結果及成形難易程度對坯料尺寸進行優化。

在制備胎模聚料毛坯時，坯料制成圓筒形矩形坯料，再使用沖頭掰出一定斜度，最后使用壓環聚料，生產出大頭帶法蘭的毛坯，由于矩形坯料為高筒件，軋制時易產生橢圓、喇叭口、壁厚差等缺陷，生產操作過程中需要加強過程控制。

鍛件仿真模擬

采用了DEFORM 軟件對鍛件胎模聚料、胎模成形工序進行仿真模擬，通過仿真模擬可以看出鍛件成形最大噸位、填充效果、鍛件溫度場、應力場、應變場等變化。

胎模聚料鍛件的數值模擬

對胎模聚料工序進行數值模擬，模具裝配情況見圖2，聚料外形尺寸見圖3，應力場分布見圖4，應變場分布見圖5，溫度場分布見圖6，網格畸變結果見圖7。

圖2 胎模聚料模具裝配情況

圖3 鍛件胎模聚料外形尺寸

圖4 胎模聚料應力場分布情況

圖5 胎模聚料應變場分布情況

圖6 胎模聚料溫度場分布情況

圖7 胎模聚料網格畸變結果

⑴從胎模聚料仿真外形尺寸可以看出，鍛件大頭位置填充模具良好，尺寸滿足設計要求，說明胎模模具設計及坯料尺寸設計合理；

(2)從鍛件網格畸變結果可以看出，鍛件截面網格與鍛件截面輪廓一致，不存在嚴重畸變區域，變形均勻。

(3)胎模聚料應力場、應變場及溫度場分布均勻，能夠獲得組織、性能均勻的鍛件，說明工藝設計合理。

胎模成形鍛件的數值模擬

對胎模成形工序進行數值模擬，模具裝配情況見圖8，胎模成形外形尺寸見圖9，應力場分布見圖10，應變場分布見圖11，溫度場分布見圖12，網格畸變結果見圖13。

圖8 胎模成形模具裝配情況

圖9 鍛件胎模成形外形尺寸

圖10 胎模成形應力場分布情況

圖11 胎模成形應變場分布情況

圖12 胎模成形溫度場分布情況

圖13 胎模成形網格畸變結果

⑴從胎模成形仿真外形尺寸可以看出，鍛件大頭位置填充模具良好，尺寸滿足鍛件圖要求，僅在大頭外徑處存在少量毛邊，說明胎模模具設計及工藝設計合理。

⑵從鍛件網格畸變結果可以看出，鍛件截面網格與鍛件截面輪廓一致，不存在嚴重畸變區域，變形均勻。

⑶胎模成形應力場、應變場及溫度場分布均勻，能夠獲得組織、性能均勻的鍛件，說明工藝設計合理。

鍛件工藝方案設計

根據鍛件數值模擬過程，對鍛件成形工藝路線進行設計，鍛造過程工藝路線為：鐓粗、沖孔＋矩形制坯＋胎模聚料制坯＋胎模成形。

第一步：鐓粗、沖孔。鍛件鐓粗時，需控制鐓粗的變形速度，避免變形過快造成過熱或過燒。鍛件沖孔時，需注意對中，沖孔后需進行滾圓，防止上下端面料不均造成矩形制坯時出現大小頭現象。

第二步：軋制。軋制時，要注意控制軋制速度，軸向軋制量，避免出現軋制速度不當帶來橢圓、喇叭口等問題，軸向軋制量過大會導致端面發白，最終組織不合格，軋制量過小會導致端面圓角填充不滿，造成鍛件尺寸超差。

第三步：胎模聚料。軋制后的坯料為高筒薄壁環件，取料機夾取時，要防止夾橢、夾傷，坯料放入胎模后，迅速在坯料端面覆蓋一層保溫石棉，再放入壓環進行聚料，避免溫度過低帶來局部變形死區，最終產生折疊，同時溫度降低還會增加材料變形抗力，最終導致鍛件填充不滿。

第四步：胎模成形。胎模成形時，需要在坯料端面覆蓋一層保溫石棉，再放入壓環下壓，同時需控制單火次高度方向變形量以及變形速度，避免因溫度降低帶來局部變形死區，最終產生折疊。

鍛件試制

試制主要設備

根據數值模擬計算結果，選擇2500t 液壓機進行制坯，選擇φ1600mm 環軋機進行軋制，選擇6300t液壓機進行成形。

試制工藝參數

鍛造加熱參數見表1，鍛件熱處理參數見表2。試制鍛件照片分別見圖14、圖15。

表1 鍛造加熱參數

表2 鍛件熱處理參數

圖14 胎模聚料實物

圖15 胎模成形實物

試制結果分析

按上述工藝方案試制出的鍛件，其外形良好，成形尺寸、實際成形噸位及表面溫度情況與模擬結果基本一致。為檢查鍛件的均勻性，按圖16 所示位置進行顯微組織和力學性能檢查，力學性能檢查結果見表3，顯微組織檢查結果分別見圖17 ～圖20。檢查結果顯示，鍛件室溫抗拉強度在940 ～980 MPa 之間，沖擊在38 ～45J 之間，顯微組織初生α 相含量在35%～50%之間。