TC4钛合金锻件锻造过程数值模拟和工艺优化

某ＴＣ４钛合金锻件是应用于航空发动机上的重 要部件，质量和性能要求较高。在生产过程中发现，使 用按照传统经验和规范设计的模具进行生产．锻件的 质量很难达到要求，如果下模型腔尺寸太大，零件的头 部不能达到预期的变形效果（图１），且局部有裂纹产 生；如果下模型腔尺寸太小，局部有折叠现象发生。采 用试错法对模具尺寸进行修正，不仅费时费力，而且如 果模具尺寸调整不当很容易损坏模具，造成更大的损 失。针对以上情况，本课题建立了锻件成形过程的三维 刚（粘）塑性有限元模型，对锻件在变形过程中的充型 情况以及应力场和损伤值的分布情况进行了数值分 析，并在此基础上提出优化工艺方案，为生产工艺的制 定提供参考。
图７ 压下量为ｌＯｍｍ时的轴向截面网格变形图 Ｆ培．７ Ａｘｉａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｅｓｈ ｄｅｆｏ瑚ａｔｉｏｎ
ｗｈｅｎ ｐｒｅｓｓ ａｍｏｕｎｔ ｉｓ １０ｍｍ
加入垫片的方法来调整型腔尺寸。本文以下模型腔深 度为３２ｍｍ的模具为基准。对加入不同厚度垫片后锻 件的变形过程分别进行数值模拟计算，以选择合适的 模具尺寸。 ２．３修改型腔尺寸的模拟计算结果
（ａ）轴向应力场分布
（ｂ）轴向截面网格变形
图３成形结束后的应力场分布及 变形情况的模拟计算结果（模型１）
Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ
ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｂｒｍａｔｉｏｎ
ａｆｔｅｒ ６ｎｉｓｈｉｎｇ ｆｏｎｎｉｎｇ（ｍｏｄｅｌ １）
１计算模型
图２为坯料和模具的示意图。变形过程中，坯料的 头部发生较大的塑性变形，变形结束后，其型面要与模 具型面完全吻合；而处在下模型腔中的圆柱部分，变形 相对较小，只发生少许的镦粗。在图２中，Ｇ为模具高 点，锻件与其对应的部位在变形过程中易产生裂纹缺 陷；Ｄ为模具低点，锻件与其对应的部位在变形过程中 易产生折叠缺陷。本课题主要对锻件与模具高点、低点 对应的部位在变形过程中的受力情况进行分析，并据 此选择最佳的工艺尺寸。
。。《黎鬃蘩蘑墓蘩麟鬻辩裂豢蒸Ｐ饕ｒｅ羹ｃ羹ｉｓ萋ｅ璧ｓ薅ｈｅ辩ｅ爨ｔ 鞠ｍｅ霞ｔ慧ａｌ霪雾ｆｏ鬻ｒｍ蘩ｉ｜ｎ鬻ｇ黼ｔ穗ｅ爨ｃｈ鬻ｎ襄ｏ鬻ｌ黎ｏ巍ｇｙ辎精燃鳃密鼗醣钣鳇金赣鹱成鞘鞫形凝技籀鞠术喇
２模拟计算结果与分析
２．１模型１的模拟计算结果 如图３所示，模型１的上模达到最大压下量时（成
形结束后），沿轴向剖开对锻件进行观测，可以清楚地 看到锻件的头部有一个凹坑，没有达到预期的变形效 果，与实际情况相符。从应力分布上可以看出，锻件的 头部受到压应力作用，但压应力的数值不够大，不能保 证锻件头部充分变形。
力的作用，在持续受到较大的拉应力的作用下很容易 使锻件产生裂纹；从图３（ｂ）锻件轴向截面的网格变形 图上也可以看出，与模具高点对应的区域网格变形最 大。损伤值代表了锻件产生裂纹缺陷的倾向，损伤值达 到临界值时，锻件内部将产生裂纹旧。从图４中可以看 出，损伤主要集中在锻件与模具高点对应的受拉应力 区，最大值可达０．７０２，极有可能产生裂纹缺陷。
２００７年增刊．航空制造技术５３９
精密钣金成形技术Ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ ｆＯｒｍ｛ｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
鞲—曩瞳暇骚麟鳃颤霸圈嚣豳嘲骚疆黼黼鳃鞲鳗耀鼹鹾躐躐骥糕骥鳢鹦鞠鳙黧簸瓣麟赣鬻鬻鬻霾骥鼗熬鬻鬻葵羹襄羹鬻赣辫然鬻鬻鎏蠹襄鬻黎蒸赛赣鬻魏翳鬃臻鬻麓＃鬻麓鬣ｇ黪鬻猫ｉ
≈
，：，
厶
精密钣金成形技术Ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａＩ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎ。ｌｏｇｙ
■■■■强褥鼹髓礴强鼹髓髓鼹强鼹鹳鞲强爨爨鼹鼹鞣爨爨瞩疆赣鳇罄鼹疆鹱骥獭禚爨蘸睡爨鼹赣璧醺黻糕辍鬟冀羹篓鬻释魏§ｌ甓豢｜黎§霉？臻”｜臻鼍蠹嚣ｉ；萎誊罄≯
。。ｉ“＿？ｉ｜。｜
ＴＣ４钛合金锻件锻造过程数值模拟和工艺优化
综合以上分析可以看出，在ＴＣ４钛合金锻件的锻 造生产过程中，下模型腔尺寸的微小差别会对锻件变 形过程中的受力情况产生很大的影响。如果下模型腔
从模型ｌ和模型２的模拟结果可以看出，模拟计 算结果与实际情况相符，说明所建立的模型是合理的。 通过对模拟计算结果的分析，可以看出下模型腔尺寸 太大，锻件在变形过程中因不能充分受压，锻件头部的 形状没有达到设计要求，并且局部有裂纹产生。减小下 模型腔尺寸可以增大锻件在变形过程中所受的压应 力，改善锻件头部的变形效果，防止裂纹缺陷的产生。 但如果下模型腔尺寸太小，锻件所受压应力过大，会造 成局部失稳，产生折叠。因此，把下模型腔尺寸调整到 适当的大小，可以保证锻件的形状符合设计要求，并防 止锻造缺陷的产生。在实际生产中通过在下模型腔中
大连理工大学材料科学与工程学院
牟正君 张立文 吕 成
［摘要】利用刚（粘）塑性有限元法对某ＴＣ４钛合金锻件的锻造过程进行了数值模拟。分析了变形 过程中锻件的变形情况以及应力场和损伤值的分布，进而对变形过程中出现的裂纹、折叠等锻造缺陷 的成因进行了数值分析。对修改下模型腔尺寸后锻件的变形过程进行了模拟，得出了最佳工艺尺寸。
菩、
Ｒ
翻
·苣 ｏ乞０ 暴４
ｏ毛∞ ∞ｏ∞ ∞ ∞
时间／ｓ
图６模型ｌ与模型２易产生裂纹部位轴向应力比较 Ｆ唔．６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａＸｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ａｒｅａ ｗｈｅｒｅ ｃｍｃｋｓ ｅａｓｉｌｙ印ｐｅａｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｄｅｌ １ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ ２
在实际生产过程中发现，用下模型腔深度为 ２８ｍｍ的模具进行生产时，锻件与模具低点对应的区 域在变形过程中有折叠现象。图７表示压下量为 １０ｍｍ时锻件轴向截面的网格变形。可以清晰地看出， 锻件与模具低点对应的区域网格发生畸变，有折叠发 生。这是由于下模尺寸太小，锻件所受压应力过大，造 成局部失稳。
对锻件易产生裂纹区的受力情况进行分析，从图 ６中模型２高点对应的只点在变形过程中的轴向应力 变化曲线可以看出，该点在变形过程中先受到拉应力 的作用．然后持续受到压应力的作用．在这种受力情况 下，即使在变形初期由于局部变形过大产生了裂纹，在 随后的持续压应力作用下也可以使裂纹焊合，保证锻 件的质量。同时，在成形结束后，对锻件与模具高点对 应区域的损伤值进行分析后发现，损伤值的最大值为 ０．２５４，与模型１相比有了很大的减小，可以大大降低 产生裂纹的倾向。
５４０航空 万制方造数技据术．２∞７年增刊
（ａ）轴向应力场分布
（ｂ）轴向截面网格变形
图８成形结束后的应力场分布及 变形情况的模拟计算结果
Ｆｉｇ．８ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｏｎｎａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｆｂｒｍｉｎｇ
腔中加入３唧垫片可以使锻件在变形过程中充分受
压。从锻件轴向截面的网格变形图可以看出，与模具高 点和模具低点对应的区域都没有发生较大的网格畸 变。对锻件与模具高点对应的区域进行分析后发现，该 区域在变形初期受到拉应力作用，在变形后期持续受 到压应力作用，最大损伤值为０．３３，可以防止裂纹的产 生。图９为模型１和模型２易产生折叠部位轴向应力 随时间变化的曲线比较，可以看出在变形后期，模型ｌ 的该部位受到了较大的压应力作用，而模型２的该部 位所受压应力有了很大的减小，可以防止锻件在变形 过程中产生折叠。
。；｛！｜强誊。氆ｊ－｛。。。 ·曩ｌ稳誊鼍ｔ鏊｜｜ｇ臻尊ｌ；ｌ襄：豢嚣｜§甏毽赣ｌ毳鬻糕蒜萋霉毳囊饕毳蕊黎黎黎豢鏊罄Ｐ饕ｒ饕ｅ蓬ｃ鬟ｉ蓬ｓ霪ｅ罄ｓ稻ｈ翳ｅ穗ｅ蘸ｔ蘸囊ｍ魏ｅ毽ｔ藕ａ露Ｉ赣ｆ鏊ｏ疆ｒ羲ｍ鳃ｉ穗ｎ翳ｇ鹱ｔ毯赣ｅ话ｃ鬣ｈ强ｎ强疆ｏ赣Ｉ锤ｏ壤ｇ镊ｙ鼹懿精鼹赣密藕器钣鼹繇话金强强成翳强秘形强鼹技祷强术鼹强＿
上模
坯料
下模
图２坯料和模具的示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｂｌａｎｋ ａｎｄ ｄｉｅ
图１ 锻件实物图（原始工艺方案） Ｆｉｇ．１ Ａｃｔｕａｌ ｆｏｒｇｅｄ ｐｉｅｃｅ （ｏｒｉｇｉｎａｌ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｃｈｅｍｅ）
５３８航空制造技术·２００７年增刊
万方数据
首先，根据实际情况分别建立了２个有限元模型， 模型１的下模型腔深度为３２ｍｍ，模型２的下模型腔 深度为２８ｍｍ（在模型ｌ的下模型腔中加入４ｍｍ垫 片），其他尺寸一致，对实际生产中由于模具尺寸设计 不当造成的锻件质量达不到设计要求的情况分别进行 分析。利用刚（粘）塑性有限元法对锻件的变形过程进 行模拟，零件材料为ＴＣ４（Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ），模具温度为 ２０℃，坯料的始锻温度为８５０℃，设备为２０ＭＮ精压机。 在变形过程中，由于坯料头部的塑性变形较大，为提高 计算精度，在划分网格时对头部网格进行了细划。
从模型１和模型２的模拟计算结果可以看出，垫 片的厚度应在Ｏ～４ｍｍ间进行选择。分析加入不同厚度 垫片后锻件变形过程的模拟结果发现，修改下模型腔 的尺寸，可以不同程度地改善锻件头部的变形效果以 及锻件的受力状态。
图８表示垫片厚度为３ｍｍ，成形结束后的模拟计 算结果。从锻件的轴向应力分布图（图８ａ）可以看出， 成形结束后，锻件整体基本上都受到压应力作用，与图 ５相比，压应力数值有了很大的减小。从充型情况上 看，锻件的头部达到了预期的变形效果，说明在下模型
Ｆｉｇ．５ Ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ五ｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ
６ｎｉｓｈｉｎｇ ｆｏ珊ｉｎｇ（ｍｏｄｅｌ ２）
图４成形结束后损伤值分布图（模型１） Ｆｉｇ．４ Ｄａｍａｇｅ ｖａｌｕｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｆｏｒｍｉｎｇ（ｍｏｄｅｌ １）
万方数据
由以上的分析可以看出，由于下模型腔尺寸太大， 锻件在变形过程中不能充分受压，头部没有达到预期 的变形效果；由于局部持续受到拉应力作用，产生了裂 纹，模拟结果与实际情况相符。 ２．２模型２的模拟计算结果
模型２减小了下模型腔的尺寸。图５为模型２成 形结束后，锻件的变形情况和轴向应力分布图。沿轴向 剖开进行观测可以看出．锻件头部的形状达到了预期 的变形效果，从轴向应力分布上可以看出锻件整体基 本上都受到压应力作用，与图３（ａ）比较可以看出压应 力的数值有了很大的增加。由此可见，下模型腔尺寸减 小后，可以使锻件在变形过程中充分受压，保证变形后 锻件头部的形状满足设计要求。