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關注創建者:c_henl_ei 創建時間:2017-08-29

環形鍛造的實例教程
本文介紹TC25不同Al含量原材料對環形鍛件β鍛造的力學性能影響研究,采用同一原材料廠商不同Al含量原材料通過相同的鍛造和熱處理工藝,解剖實驗鍛件研究不同Al含量原材料對β鍛造環形鍛件力學性能的關系。從而掌握此材料特性,積累數據,提出對原材料的管理和控制,完善標準,提高鍛件的力學性能。
TC25鈦合金屬于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系的變形馬氏體型α+β兩相鈦合金。合金中含有鉬、鎢等高熔點的元素,熱強性、耐熱性很好。TC25是我國自主研制的材料,由于這種材料的室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩定性、疲勞性能和斷裂韌性等匹配較好,各項性能優良,因此主要用于航空發動機上高壓壓氣機盤件、機匣類等重要零件。
TC25較其他鈦合金的突出優點是工作使用溫度達500~550℃,在500℃以下工作時間達6000h,在550℃以下工作時間達3000h,也是發動機的首選的材料之一。因此此材料鍛件對性能的要求比航空發動機上其他α+β兩相鈦合金材料高。
TC25鍛件一般要求β鍛造并按β鍛造指標驗收的鍛件為模鍛件,因為采用模具整體悶模成形便于控制溫度的變化。目前也有要求環形鍛件按β鍛造工藝進行環軋并按β鍛造指標驗收的產品,但之前研究較少,在實驗生產過程中,由于化學成分的波動導致相同鍛造和熱處理工藝生產的實驗鍛件出現力學性能沒有富余并不滿足要求的情況。本文主要闡述通過不同Al含量原材料對環形鍛件β鍛造的力學性能影響的研究,優化化學成分方案并控制,提高鍛件力學性能。
β鍛環形鍛件的化學成分及力學性能指標
TC25的化學成分及力學性能指標如表1、表2所示。
表1 化學成分(單位:%)
表2 力學性能
試驗方案
試驗原材料為同一廠商提供,其Al元素含量分別為6.4%、6.8%、7.2%,其他元素差異較小。
展開 鍛造過程使用與二維網格劃格的二維軸對稱模型進行模擬四節點結構實體單元 (PLANE182)。模型表示彈塑性圓柱形塊(工件)位于剛性表面(靜態模具)。
該塊被另一個剛性表面(移動模具)變形,該表面以無限小的速度移動,使工件的最終形狀成為齒圈具有完整的模具填充。
當 96% 的網格失真時,初始分析會因網格失真過大而發散達到總載荷 (TIME = 0.96)。
使用非線性自適應區域技術應用初始重新分區,并重新劃分整個工件。分析繼續使用新的網格并收斂完成,但網格嚴重扭曲。
有效塑性應變和總應變的結果可以與類似問題的結果進行比較

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鍛造過程使用與二維網格劃格的二維軸對稱模型進行模擬四節點結構實體單元 (PLANE182)。模型表示彈塑性圓柱形塊(工件)位于剛性表面(靜態模具)。
該塊被另一個剛性表面(移動模具)變形,該表面以無限小的速度移動,使工件的最終形狀成為齒圈具有完整的模具填充。
當 96% 的網格失真時,初始分析會因網格失真過大而發散達到總載荷 (TIME = 0.96)。
</p><p><strong>環芯法:</strong>即在應變花周圍提取環形槽。用機械法開一個環形槽,局部分割、釋放殘余應力,在測試位置粘貼電阻應變片,測量轉子鍛件在軸向和周向釋放的應變值,根據力學原理推算工件的殘余應力。
受壓元件中,圓柱形筒體、球罐 (或球形封頭)、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭、錐形封頭和膨脹節所對應的殼分別是圓柱殼、球殼、橢球殼、球冠+環殼、球冠、錐殼和環形板+環殼。
而平蓋 (或平封頭)、環形板、法蘭、管板等受壓元件分別對應于圓平板、環形板 (外半徑與內半徑之差大于10倍的板厚)、環 (外半徑與內半徑之差小于10倍的板厚)以及彈性基礎圓平板。
解決的途徑之一是參考羅-羅公司的Trent 900,Trent 1000及Trent XWB發動機,采用帶有環形加強筋的鈦合金整體機匣,如圖8(a),具有質量輕、結構緊湊的特點。但要加工出直徑大于2m的鍛造薄壁鈦合金機匣工藝難度極高,目前只有美國公司掌握此項技術。
途徑之二是參考GEnx發動機,采用碳纖維增強全復合材料機匣,如圖8(b),具有質量很輕的特點。
大鍛件是相對概念,分大型模鍛件、大型自由鍛件、大型環形件和大口徑厚壁無縫管件。使用8MN以上自由鍛液壓機或30kN以上自由鍛錘生產的自由鍛件稱為大型自由鍛件。使用60MN以上模鍛壓力機、80MN以上模鍛液壓機或100kN以上模鍛錘生產的模鍛件為大型模鍛件。大型鍛件主要用于電力、冶金、石化、船舶、機車車輛、模具、航空航天、兵器、重型機械、交通運輸設備、礦山機械、通用機械等行業。
2.4 新增壓機彈性變形功能
壓機在鍛造過程中因鍛件結構或擺放位置不對稱引起受力不均從而引起壓機彈性變形,并反向影響鍛造成形過程。壓機彈性變形功能可預測鍛造過程模具傾斜及其對工件尺寸和幾何形狀的影響,能夠獲得壓機各向載荷、扭矩,壓機速度變化、轉動角度,壓機彈性變形。
Simufact.forming的主要功能和特點:
1.鉚接工藝模擬
Simufact.forming具有機械連接、鍛造、沖壓、軋制、旋壓、擠壓、環扎、熱處理、壓力焊接等工藝過程的模擬功能,可以準確地模擬各種普通鉚接工藝過程,例如:實心鉚接、抽芯鉚接、環槽鉚釘鉚接、無鉚釘鉚接、自穿孔鉚接、快速鉚釘鉚接。
溫鍛和冷鍛是模鍛的未來發展方向,也代表了鍛造技術水平的高低。
碾環:指通過專用設備碾環機生產不同直徑的環形零件,也用來生產汽車輪轂、火車車輪等輪形零件。
特種鍛造:包括輥鍛、楔橫軋、徑向鍛造、液態模鍛等鍛造方式,這些方式都比較適用于生產某些特殊形狀的零件。
圖8 輾環前三工位制坯得到的環形件毛坯
圖9 輾環擴孔后得到的毛坯
圖10 終鍛成形后得到的成品鍛件
圖11 機加工后產品
總結
本文針對環類件,詳細的講述了武漢新威奇科技為客戶設計開發環類鍛件自動化鍛造過程的工藝開發流程,即設計階段從產品圖紙開始逆向工藝設計及設備選型,實際生產通過了對此方案的驗證,總結出了一種鍛造環類件的自動化鍛造工藝設計方法
圖1 大型支座鍛件三維造型及截面形狀圖
模鍛成形工藝分析
此鍛件為超大型挖掘機大臂上使用的零件,最大外徑尺寸為660mm,總高度為250mm,中間最大盤部外緣最薄處僅為25mm,上模環形較窄凸環高度尺寸為85mm,寬度尺寸僅為26mm,鍛件重量達到190kg,由于其形狀結構復雜,鍛造成形工藝性較差,存在盤部打不靠及環形凸環較難充滿的質量隱患;根據《鍛工手冊》模鍛錘鍛打壓力經驗公式進行計算