航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝

航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝廖國防;易幼平;王少輝【摘要】Toimprovethecomprehensiveperformanceofaviationforging,asimulationofanairjointforgingformingprocessforAl-alloyaviationjointforgingwithhighribandthinwallbyisothermalforgingtechnologywasdonebyusingDeform3Dsoftware,andtheexperimentofthescaled（1：5）forgingwascarriedoutinlaboratory1shydraulicpress.Theresultsshowthatundertheconditionofisothermalforgingprocesswiththebilletanddietemperaturesof450°Candtheformingspeedof0.1mm/s,thematerialdeformationresistancedecreasesby70%incontrasttotheconventionalwarmforgingprocess,andthematerialflowabilityinthecavityareimproved.Thedeformationofforgingisuniformandthestressconcentrationdecreasessignificantly.Thefibrousstructurewithsmoothflowlines,finegrainandexcellentmechanicalpropertiescanbeobtainedbyisothermalforgingprocessandthewarmdieforging1sdefects,suchasvortex,folding,fibrebreaking,unfillingandsoon,canbeavoided.Thesimulationresultsagreewiththeexperimentalresults,whichprovideanimportantbasisfortheaviationjointforging1sformingprocess.%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(duì)高筋薄壁鋁合金航空接頭鍛件的鍛壓成形工藝進(jìn)行了仿真研究，在實(shí)驗(yàn)室油壓機(jī)上開展了縮比（1:5）鍛件的成形工藝實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果表明:在坯料與模具溫度均為450C、成形速度為0.1mm/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(dòng)性提高，鍛件充填完好,鍛件變形均勻應(yīng)力集中降低;等溫鍛造工藝可使鍛件獲得流線順暢、晶粒細(xì)小、力學(xué)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(shí)驗(yàn)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).【期刊名稱】《材料科學(xué)與工藝》【年(卷)，期】2012(020)001【總頁數(shù)】5頁(P6-10)【關(guān)鍵詞】鋁合金;等溫模鍛;接頭鍛件;有限元【作者】廖國防;易幼平;王少輝【作者單位】中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083【正文語種】中文【中圖分類】TG319航空技術(shù)的迅速發(fā)展要求構(gòu)件整體化、薄壁輕量化、形狀復(fù)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(shí)現(xiàn)構(gòu)件輕量化，因此在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用.飛機(jī)接頭模鍛件屬復(fù)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(shí)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(yīng)，大幅度降低了材料變形抗力，成形過程材料流動(dòng)性增加，非常適合復(fù)雜型面模鍛件的精密成形，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[1-5].近年來，等溫精密模鍛技術(shù)在航空類復(fù)雜模鍛件中應(yīng)用越來越普遍.劉潤廣教授對(duì)鋁合金等溫精密鍛造進(jìn)行了大量研究[6-10],生產(chǎn)出的零件晶粒度達(dá)到1級(jí)，金屬填充性好，可以模壓出形狀復(fù)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(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上某重要的受力零件成形進(jìn)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(shù)，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(duì)象，通過精化設(shè)計(jì)，確定了鍛件的幾何結(jié)構(gòu).采用有限元分析軟件Deform-3D對(duì)其1:5比例的縮比鍛件成形工藝進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了變形工藝參數(shù)對(duì)鍛件的變形均勻性、充填特性的影響規(guī)律.在3150kN油壓機(jī)上對(duì)縮比鍛件(1:5)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，對(duì)比分析了仿真與試驗(yàn)結(jié)果，提出了接頭鍛件等溫鍛造成形方案與工藝參數(shù).本文研究的航空接頭材料為新型高強(qiáng)韌7085鋁合金，接頭零件形狀復(fù)雜，具有筋高、壁薄等特點(diǎn)，為獲得力學(xué)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(shí)與常規(guī)熱模鍛工藝作對(duì)比分析.利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)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(shí)驗(yàn)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(shè)為剛體.等溫鍛造的工件與模具溫度均為4501,而熱模鍛的工件溫度取450°C，模具溫度取350°C.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(shí)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(dāng)行程大于25mm時(shí)，載荷急劇增加，這時(shí)上模完全接觸工件，進(jìn)入閉式模鍛階段，鍛件處于三向壓應(yīng)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(shí)等溫模鍛最大載荷為1550kN，而熱模鍛的最大載荷達(dá)到2670kN，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°C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400C左右，最低溫度只有382C，熱模鍛工藝的冷模效應(yīng)使材料變形抗力增加，易導(dǎo)致鍛件填充不滿，或者出現(xiàn)裂紋、穿流、渦流等缺陷.變形均勻性與鍛件力學(xué)性能密切相關(guān)，鍛件成形過程的應(yīng)變與應(yīng)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(yīng)變大部分區(qū)域達(dá)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(yīng)變云圖，大部分區(qū)域應(yīng)變在0.369~3.67，但最大值達(dá)到了10.3，在鍛件的一些邊緣及筋處，有效應(yīng)變達(dá)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.從圖6的等溫模鍛有效應(yīng)力云圖可見，大部分區(qū)域應(yīng)力為40MPa左右，變化較為平緩，在一些難成形的拐角、筋等處應(yīng)力也基本一致或者稍微有所增加，不存在應(yīng)力過分集中問題.而從圖7的熱模鍛有效應(yīng)力云圖中可以看出，有效應(yīng)力極不均勻，平均應(yīng)力達(dá)到了70MPa左右，最大達(dá)到了142MPa，是最小值的10多倍，在筋板與腹板的連接處都在120MPa以上，比等溫模鍛的平均應(yīng)力增加近1倍，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)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(yīng)力集中較小，有利于提高鍛件的綜合力學(xué)性能.鍛件成形的鐓粗階段，流線一般都會(huì)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(dòng)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(dá)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(dòng)明顯不及等溫模鍛下材料流動(dòng)順暢，運(yùn)動(dòng)方向不一致，與輪廓線角度較大，速度場紊亂，導(dǎo)致流線不暢、鍛件疲勞強(qiáng)度降低、易出現(xiàn)開裂等缺陷，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該設(shè)法避免此類流線的出現(xiàn)，使其能夠沿著鍛件形狀方向.為了驗(yàn)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3150kN油壓機(jī)上開展了接頭縮比件(1:5)的鍛壓工藝實(shí)驗(yàn)，分別采用等溫模鍛和熱模鍛工藝對(duì)接頭鍛件進(jìn)行壓制.根據(jù)相似原理［14］，實(shí)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(shí)驗(yàn)用上下模具如圖10所示.熱模鍛時(shí)，坯料在電阻爐中加熱至450OC，保溫2h，模具通過專門設(shè)計(jì)的加熱系統(tǒng)加熱至350C，保溫1h.等溫模鍛時(shí)，坯料和模具均通過加熱系統(tǒng)加熱至450C，保溫1h.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(duì)鍛件進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，并用氫氧化鈉(NaOH)溶液進(jìn)行堿蝕，用硝酸(HNO3)溶液進(jìn)行酸洗.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(qiáng)了金屬在型腔中的流動(dòng)性，同時(shí)亦有利于修復(fù)坯料本身存在的缺陷，防止應(yīng)力集中及裂紋的產(chǎn)生，獲得組織與性能優(yōu)良的模鍛件.由圖12可以看出，鍛件右側(cè)板的頂端未充滿，與設(shè)計(jì)高度還差1~2mm,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(duì)等溫模鍛與熱模鍛縮比鍛件進(jìn)行組織觀測.P1、P2點(diǎn)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(xì)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(qiáng)度，獲得理想的力學(xué)性能.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(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明:復(fù)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(dòng)，鍛件充填完好.等溫鍛造工藝有效提高了鍛件變形的均勻性，減少了應(yīng)力集中，獲得流線順暢、晶粒細(xì)小、力學(xué)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.【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]LEECH,KOBAYASHIS.Newsolutiontorigid-plasticdeformationproblemsusingamatrixmethod[J].JournalofEngineeringforIndustry,1973,95:865-873.[2]KOBAYASS,OHS,ALTANT.Metalformingandthefiniteelementmethod[M].London:OxfordUniversityPress,1989.[3]OHSI.Finiteelementanalysisofmetalformingprocesseswitharbitrarilyshapeddies[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,1982,24(8):479-488.[4]王忠金.模鍛過程的三維模擬及連桿終鍛成形規(guī)律的研究[D].長春:吉林工業(yè)大學(xué)，1995.[5]曹飛，蔣鵬，崔紅娟，等.曲軸鍛造成形工藝的有限元模擬[J].鍛壓技術(shù)，2005(增):68-71.[6]劉潤廣，劉海華，呂炎，等.2618A鋁合金作動(dòng)筒鉸鏈接頭超塑等溫精鍛技術(shù)[J].材料工程,1993(6):26-29.[7]劉曉晶，劉潤廣，李哲，等.2214鋁合金上防扭臂等溫模鍛工藝的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(10):13-16.[8]王少純，劉潤廣，劉芳，等.2618鋁合金搖臂等溫體積成形工藝的研究[J].中國機(jī)械工程,2000(7):735-738.[9]劉潤廣，劉芳，張新平，等.2618鋁合金縱向搖臂等溫模鍛工藝的研究[J].熱加工工藝，1999(4):3l-33.[10]劉潤廣，劉芳，道淳志.70