浅谈超倍尺宽钛合金板坯成形工艺

以钛合金板坯锻件为研究对象，改变传统的镦粗拔长展宽工艺，采用直接拔长进行展宽，解决传统镦粗工序中经常出现坯料腰部折叠缺陷的质量问题，提高锻造生产效率约22%，提高材料利用率约2%。通过有限元模拟分析成形展宽过程，为实际生产提供理论指导，并通过实际生产验证整个工艺过程，为研制更高质量、生产效率、材料利用率的成形工艺提供指导。

本文针对某公司钛合金板坯锻件，材料为TA2，要求成形尺寸2050+15(宽）×260(高 ）±10×L(随 长 ）(单 位：mm），原材料钛锭经过表面加工去除表面缺陷及取样后，尺寸为φ990mm×2600mm。成形宽度尺寸/原材料截面尺寸≈2.07，超过一倍尺寸。根据传统经验公式计算，要保证最终展宽成形尺寸原始坯料截面直径需≥φ1450mm。

常规成形工艺为钛锭先镦粗，保证镦粗后截面尺寸≥φ1450mm后再进行平砧间拔长展宽。锻造过程由于TA2的材料特性，容易造成镦粗过程中表面折叠缺陷，为防止折叠过深，需分多道次进行镦粗，出现折叠现象后立即进行轻滚圆拔长再进行镦粗，严重影响锻造效率及锻造质量。本文采取直接拔长的方式进行展宽，在试验前通过有限元数值模拟分析软件对试制方案进行分析，最终通过实际生产验证工艺方案的可行性。

工艺方案

锻造工艺路线：芯棒展宽—换专用芯棒继续展宽—上下平砧成形修整，选用50MN快锻压机进行整个锻造工序。具体过程为：将钛合金锭平放在大平板上，上端采用φ630mm芯棒分两次进行压扁，总压下量控制在300mm左右，左右移动芯棒进行展宽至坯料高度约为550mm。

为防止芯棒展宽过程中出现板坯料中间尺寸偏大，两端偏小的情况，特制专用芯棒进行进一步展宽，展宽至宽度约为2000mm，高度约为440mm。

最后采用特制上平砧（700mm砧宽，2300mm砧长）、下平板进行拔长及整形。

工艺的数值模拟

模型建立及参数设定

采用SolidWorks软件对钛合金锭、芯棒、特制芯棒、下平板、上下平砧进行三维建模，并导入有限元模拟软件中。TA2材料属性由数据库中已有的模型导入，本文采用的快锻压机设定正常开启5台泵的上砧平均压下速度下限约为50mm/s。采用六面体网格对钛锭模型进行网格划分，为保证模拟的准确性，设定网格数量32000个。数值模拟的其他参数见表1。

表1 有限元模拟的其他参数

模拟过程分析

图1为上下工装及钛锭初始摆放位置，上砧与芯棒接触均匀压下，压下300mm后，左右横移芯棒继续压下至图2状态，此时坯料高度约为550mm。

图1 钛锭初始压下状态

图2 芯棒展宽结束

由于钛锭总长为2600mm，采用芯棒展宽过程中由于两端偏载的问题，坯料变形不均匀，在实际生产过程中必然会造成两端展宽小，中间展宽大的问题，需采用特制芯棒重点对两端进行展宽，如图3、图4所示。此时坯料高度高点为455mm，低点约为380mm。

图5表示采用上平砧及下平板，开始整形拔长，压下量设定为100mm。图6为整形结束，此时测定宽度最大点为2165mm，最小点为2065mm，高度尺寸为265mm。

图3 特制芯棒展宽两端

图4 特制芯棒展宽结束

图5 平砧整形拔长

图6 最终成形

生产实际验证

利用数值模拟形成的工艺参数，在生产实际中进行试验，图7为最终锻造成形的TA2板坯，试验过程中在厚度约为265mm时，展宽最宽点达到2150mm，与优化后的仿真结果非常接近。且两端头舌头长度仅约50mm，低于常规钛板成形的舌头长度150～250mm。最终通过加工后材料利用率达到91.6%，高于常规的钛板成形利用率约2%，符合最终成形的质量要求。

图7 实际生产的合格钛板

结论

⑴通过对超倍尺宽钛板展宽成形工艺的优化，改变传统镦粗后展宽方式，避免了镦粗过程由于坯料高径比过大易造成的折叠缺陷，且降低生产火次1～2火，提高生产效率约22%。

⑵利用有限元数值模拟对优化后的成形工艺进行模拟，并采用专用展宽工装成形，通过试验验证，生产出表面质量良好的合格钛板，通过最终加工验证，材料利用率达到91.6%，高于常规成形钛板2%。

作者简介

杨武，兰州兰石铸锻有限责任公司技术研发部部长，主要从事新材料开发、锻造工艺研究及技术管理工作。曾主持完成大型台阶孔缸体锻件工艺研发、大型顶驱提环工艺技术研究与应用、9000米钻机吊环产品研制、钛合金锻件工艺研发并分别获兰石集团科技进步二等奖、三等奖。

——本文节选自《锻造与冲压》2018年第21期。