廖國防，易幼平，王少輝

(中南大學機電工程學院，長沙410083)

航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝

廖國防，易幼平，王少輝

(中南大學機電工程學院，長沙410083)

為了提高航空鍛件的綜合性能，通過等溫鍛壓工藝研究了航空接頭鍛件的成形過程，采用Deform3D有限元軟件對高筋薄壁鋁合金航空接頭鍛件的鍛壓成形工藝進行了仿真研究，在實驗室油壓機上開展了縮比(1∶5)鍛件的成形工藝實驗.研究結(jié)果表明:在坯料與模具溫度均為450℃、成形速度為0.1 mm/s的等溫模鍛工藝下，材料變形抗力比常規(guī)熱模鍛降低70%，材料在模腔中的流動性提高，鍛件充填完好，鍛件變形均勻，應力集中降低;等溫鍛造工藝可使鍛件獲得流線順暢、晶粒細小、力學性能優(yōu)良的纖維組織，避免了熱模鍛易出現(xiàn)的渦流、折疊、穿流、充填不滿等鍛造缺陷;仿真與實驗結(jié)果吻合，為航空接頭鍛件鍛壓成形工藝的制訂提供了依據(jù).

鋁合金;等溫模鍛;接頭鍛件;有限元

航空技術的迅速發(fā)展要求構(gòu)件整體化、薄壁輕量化、形狀復雜化，且需滿足高性能和低成本制造的要求.高性能鋁合金高筋薄壁模鍛件可從材料和結(jié)構(gòu)兩方面實現(xiàn)構(gòu)件輕量化，因此在航空工業(yè)中得到廣泛應用.飛機接頭模鍛件屬復雜高筋薄壁件，采用普通的溫鍛工藝鍛壓成形容易出現(xiàn)充填不滿、流線不暢、折疊、穿流等缺陷，且難以實現(xiàn)鍛件精化.等溫鍛壓工藝由于鍛件與模具溫度相同，消除了熱鍛工藝的冷模效應，大幅度降低了材料變形抗力，成形過程材料流動性增加，非常適合復雜型面模鍛件的精密成形，一直受到國內(nèi)外學者的普遍關注［1-5］.近年來，等溫精密模鍛技術在航空類復雜模鍛件中應用越來越普遍.劉潤廣教授對鋁合金等溫精密鍛造進行了大量研究［6-10］，生產(chǎn)出的零件晶粒度達到1級，金屬填充性好，可以模壓出形狀復雜、流線清晰的特高筋薄腹板精鍛件，其加工余量較小，尺寸精度較高;哈工大的單德彬等［11］對火箭發(fā)動機上某重要的受力零件成形進行了研究，利用等溫鍛造和閉式模鍛相結(jié)合的方法，得到了成形質(zhì)量良好的鍛件; P.Petrov等［12］研究了不規(guī)則鍛件的等溫閉式近精密模鍛成形技術，得出了最佳的工藝參數(shù).

本文以某典型航空高筋薄壁接頭零件為研究對象，通過精化設計，確定了鍛件的幾何結(jié)構(gòu).采用有限元分析軟件Deform-3D對其1∶5比例的縮比鍛件成形工藝進行了數(shù)值仿真，研究了變形工藝參數(shù)對鍛件的變形均勻性、充填特性的影響規(guī)律.在3150 kN油壓機上對縮比鍛件(1∶5)進行了工藝試驗，對比分析了仿真與試驗結(jié)果，提出了接頭鍛件等溫鍛造成形方案與工藝參數(shù).

1 鍛壓成形工藝數(shù)值仿真

1.1 工藝方案與仿真參數(shù)

本文研究的航空接頭材料為新型高強韌7085鋁合金，接頭零件形狀復雜，具有筋高、壁薄等特點，為獲得力學性能優(yōu)良、流線順暢、切削加工量小的精化模鍛件，以接頭縮比鍛件(1∶5)為例，采用等溫鍛造作為該鍛件的成形工藝方案，同時與常規(guī)熱模鍛工藝作對比分析.

利用計算機仿真技術模擬鍛件的成形過程是目前鍛造工藝研究的主要手段，鍛件的材料模型需通過熱模擬實驗獲得.本文研究的鍛件材料為7085鋁合金，其成分見表1，直接引用前期研究工作所建立的本構(gòu)方程［13］.在鍛壓成形模擬中，不考慮模具的變形，模具材料屬性設為剛體.等溫鍛造的工件與模具溫度均為450℃，而熱模鍛的工件溫度取450℃，模具溫度取350℃.

表17085 鋁合金的其他元素化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

1.2 成形載荷分析

通過上述工藝方案與仿真參數(shù)，利用 Deform3D有限元軟件分析了等溫鍛造與常規(guī)溫鍛工藝下接頭縮比(1∶5)鍛件的成形載荷，如圖1所示.由圖1可知:鍛造開始時上模與工件接觸區(qū)域較小，鍛件處于鐓粗階段，載荷較小且增長較為平緩;當行程大于25 mm時，載荷急劇增加，這時上模完全接觸工件，進入閉式模鍛階段，鍛件處于三向壓應力狀態(tài)，且隨著上模的下壓，載荷基本上呈直線上升;鍛造過程結(jié)束時等溫模鍛最大載荷為1550 kN，而熱模鍛的最大載荷達到2670 kN，是等溫模鍛載荷的1.7倍.而從圖2等溫鍛造溫度場可看出，溫度大都在453℃左右，變化較小，分布均勻，材料變形抗力小，因此大大降低了成形載荷.從圖3熱模鍛工藝鍛件的溫度云圖可以看出，鍛件大部分區(qū)域的溫度在400℃左右，最低溫度只有382℃，熱模鍛工藝的冷模效應使材料變形抗力增加，易導致鍛件填充不滿，或者出現(xiàn)裂紋、穿流、渦流等缺陷.

圖1 載荷－行程曲線

圖2 等溫模鍛溫度分布圖

圖3 熱模鍛溫度分布圖

1.3 變形均勻性分析

變形均勻性與鍛件力學性能密切相關，鍛件成形過程的應變與應力場量可反映鍛件變形的均勻性.等溫鍛造工藝下鍛件的有效應變大部分區(qū)域達到了2.30左右，最大值為6.06，鍛件變形充分且較均勻，如圖4所示.圖5為熱模鍛工藝下鍛件的有效應變云圖，大部分區(qū)域應變在0.369～3.67，但最大值達到了10.3，在鍛件的一些邊緣及筋處，有效應變達到了6.96以上.與等溫鍛造工藝相比，鍛件的變形程度與變形均勻性較差.

圖4 等溫模鍛有效應變云圖

圖5 熱模鍛有效應變云圖

從圖6的等溫模鍛有效應力云圖可見，大部分區(qū)域應力為40 MPa左右，變化較為平緩，在一些難成形的拐角、筋等處應力也基本一致或者稍微有所增加，不存在應力過分集中問題.而從圖7的熱模鍛有效應力云圖中可以看出，有效應力極不均勻，平均應力達到了70 MPa左右，最大達到了142 MPa，是最小值的10多倍，在筋板與腹板的連接處都在120 MPa以上，比等溫模鍛的平均應力增加近1倍，存在嚴重的應力集中現(xiàn)象，對鍛件的質(zhì)量將產(chǎn)生影響.

上述分析表明，等溫鍛造工藝下鍛件變形均勻性的較好，鍛件應力集中較小，有利于提高鍛件的綜合力學性能.

圖6 等溫模鍛有效應力云圖

圖7 熱模鍛有效應力云圖

1.4 流場分析

鍛件成形的鐓粗階段，流線一般都會比較順暢.紊流、渦流、折疊等缺陷主要發(fā)生在鍛件成形的最后階段.鍛件成形過程的速度場能較好地反映鍛件流線的形成規(guī)律與最終形態(tài)，等溫模鍛下鍛件截面的速度場如圖8所示.從圖8可以看出，在鍛件成形的最后階段，材料的流動依然沿著鍛件的外圍輪廓，這樣能最大限度地使纖維組織順著受力最大的方向，使鍛件的性能達到最佳狀態(tài).從圖9的熱模鍛速度場可看出，材料在模腔中的流動明顯不及等溫模鍛下材料流動順暢，運動方向不一致，與輪廓線角度較大，速度場紊亂，導致流線不暢、鍛件疲勞強度降低、易出現(xiàn)開裂等缺陷，實際生產(chǎn)中應該設法避免此類流線的出現(xiàn)，使其能夠沿著鍛件形狀方向.

2 等溫鍛造工藝試驗

2.1 實驗方案

為了驗證有限元仿真結(jié)果，確定接頭鍛件的鍛造工藝方案與參數(shù)，在3150 kN油壓機上開展了接頭縮比件(1∶5)的鍛壓工藝實驗，分別采用等溫模鍛和熱模鍛工藝對接頭鍛件進行壓制.根據(jù)相似原理［14］，實際件將與縮比件表現(xiàn)出相似的成形充填規(guī)律，工藝參數(shù)見表2，實驗用上下模具如圖10所示.

圖8 等溫模鍛速度場

圖9 熱模鍛速度場

表2 模鍛工藝實驗參數(shù)

熱模鍛時，坯料在電阻爐中加熱至450℃，保溫2 h，模具通過專門設計的加熱系統(tǒng)加熱至350℃，保溫1 h.等溫模鍛時，坯料和模具均通過加熱系統(tǒng)加熱至450℃，保溫1 h.鍛件與模具的潤滑劑為環(huán)保型水基潤滑劑(二硫化鎢+水+添加劑)，潤滑方式為噴霧潤滑.鍛造完畢后，對鍛件進行固溶、時效處理，并用氫氧化鈉(NaOH)溶液進行堿蝕，用硝酸(HNO3)溶液進行酸洗.

圖10 接頭縮比(1∶5)鍛件工藝實驗模具

2.2 實驗結(jié)果

等溫模鍛與熱模鍛工藝下的縮比(1∶5)鍛件如圖11、12所示.從圖11可以看出，鍛件成形完好，流線清晰，沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面夾角小.等溫模鍛工藝下，低的成形速率、較恒定的變形溫度，不僅大幅度降低了金屬的流變抗力，增強了金屬在型腔中的流動性，同時亦有利于修復坯料本身存在的缺陷，防止應力集中及裂紋的產(chǎn)生，獲得組織與性能優(yōu)良的模鍛件.

圖11 等溫模鍛成形結(jié)果

由圖12可以看出，鍛件右側(cè)板的頂端未充滿，與設計高度還差1～2 mm，鍛件內(nèi)外表面流線與表面輪廓線角度較大，存在穿流的趨勢，這與模擬結(jié)果基本一致.由于模具的激冷作用，使工件的溫度偏低，再加上成形速率較快，金屬變形抗力急劇增大，充填性變差，以致最后不能使鍛件充分充填模腔，流線紊亂.

在腹板與筋交界處，對等溫模鍛與熱模鍛縮比鍛件進行組織觀測.P1、P2點處的鍛造組織分別如圖13、14所示，可以看出，熱模鍛晶粒大小不均，有的呈等軸晶形態(tài)，纖維組織不明顯，降低了產(chǎn)品的使用性能，而等溫鍛造晶粒細小均勻，呈現(xiàn)出明顯的鍛造纖維組織，能大大提高鍛件的強度，獲得理想的力學性能.

圖12 熱模鍛成形結(jié)果

圖13 等溫模鍛組織

圖14 熱模鍛組織

3 結(jié)論

開展了高筋薄壁鋁合金航空接頭縮比鍛件的有限元仿真與實驗研究，研究結(jié)果表明:

1)復雜鋁合金航空接頭鍛件適宜采用等溫鍛造成形工藝，與常規(guī)的熱模鍛相比，等溫鍛造工藝大幅度降低了材料變形抗力，增加了材料在型腔中的流動，鍛件充填完好.

2)等溫鍛造工藝有效提高了鍛件變形的均勻性，減少了應力集中，獲得流線順暢、晶粒細小、力學性能優(yōu)良的纖維組織，避免了熱模鍛易出現(xiàn)的渦流、折疊、穿流、充填不滿、晶粒粗大不均等鍛造缺陷.

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Study on isothermal forging process for aviation joint forging

LIAO Guo-fang，YI You-ping，WANG Shao-hui
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

To improve the comprehensive performance of aviation forging，a simulation of an air joint forging forming process for Al-alloy aviation joint forging with high rib and thin wall by isothermal forging technology was done by using Deform 3D software，and the experiment of the scaled(1∶5)forging was carried out in laboratory’s hydraulic press.The results show that under the condition of isothermal forging process with the billet and die temperatures of 450℃ and the forming speed of 0.1 mm/s，the material deformation resistance decreases by 70%in contrast to the conventional warm forging process，and the material flow ability in the cavity are improved.The deformation of forging is uniform and the stress concentration decreases significantly.The fibrous structure with smooth flow lines，fine grain and excellent mechanical properties can be obtained by isothermal forging process and the warm die forging’s defects，such as vortex，folding，fibre breaking，unfilling and so on，can be avoided.The simulation results agree with the experimental results，which provide an important basis for the aviation joint forging’s forming process.

aluminum alloy;isothermal die forging;joint forging;FEM

TG319 文獻標志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)01-0006-05

2011-01-21.

國家科技重大專項課題(2010ZX04017-013);國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB731701).

廖國防(1983-)，男，碩士研究生;

易幼平(1966-)，男，教授，博士生導師.

易幼平，E-mail:yyp@mail.csu.edu.cn.

(編輯 程利冬)