近年來，隨著中國航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，各種新型緊固件也不斷地被研制和應(yīng)用，其中典型代表就是具有高強度、低密度等優(yōu)勢的鈦合金緊固件[1-4]。TB8鈦合金是一種超高強度亞穩(wěn)定β鈦合金，因其具有良好的抗氧化性能、耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[5-6]。由于TB8鈦合金低溫變形抗力較大，對于該材質(zhì)的零件一般都需要熱成形，但是目前對于該材料熱鐓成形的相關(guān)研究較少，因此需要對TB8鈦合金高溫下的熱變形行為進行研究，分析其不同變形溫度和應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力曲線，然后對其熱鐓成形性能進行研究，以制定合理的熱鐓工藝，降低產(chǎn)品開發(fā)成本[7-8]。

本文以某型機用TB8鈦合金十二角螺栓為研究對象，首先利用Gleeble-1500D熱模擬試驗機對不同溫度和應(yīng)變速率下TB8鈦合金試樣進行了等溫壓縮實驗，得到其不同變形條件下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線并分析其熱變形行為。然后將實驗得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Deform-3D有限元模擬軟件中對TB8鈦合金十二角螺栓熱鐓工藝進行有限元模擬，對熱鐓成形關(guān)鍵工藝參數(shù)建立了正交實驗優(yōu)化方案，最后根據(jù)優(yōu)化得到的熱鐓工藝參數(shù)，結(jié)合實際生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計相應(yīng)模具，并進行了熱鐓工藝試驗，試驗結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果和實際生產(chǎn)結(jié)果基本一致，試驗得到的TB8鈦合金十二角螺栓經(jīng)后續(xù)機械加工后沒有出現(xiàn)缺陷，說明本文提出的熱鐓工藝是可行的，對TB8鈦合金十二角螺栓及其他類似零件的實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1、高溫壓縮實驗及結(jié)果分析

1.1高溫壓縮實驗

選用某廠家提供的TB8鈦合金棒材，其化學(xué)成分見表1。按照要求利用線切割取樣，并加工成Φ8mm×12mm的標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣，如圖1所示為壓縮試樣制備簡圖。

利用Gleeble-1500D熱模擬實驗機上壓縮對試樣進行單道次等溫壓縮實驗，實驗方案見表2，工藝曲線如圖2所示。壓縮后立刻將試樣放置水中淬火，以保留其高溫變形后的組織[9-10]。

1.2高溫壓縮實驗結(jié)果分析

如圖3所示為高溫壓縮實驗得到的不同溫度及應(yīng)變速率下TB8鈦合金的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，曲線分為3個階段，初始階段，隨著應(yīng)變的增加，真應(yīng)力迅速增大到最大值，中間階段，隨著應(yīng)變的增加，真應(yīng)力稍微有所降低，最后階段，隨著應(yīng)變的增加，真應(yīng)力趨于穩(wěn)定。其主要原因是在初始階段，隨著變形程度的增加，TB8鈦合金內(nèi)部組織的位錯密度迅速增加和累積，產(chǎn)生強烈的加工硬化，因此真應(yīng)力迅速增大。在中間階段，隨著變形程度的進一步增加，TB8鈦合金內(nèi)部組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用使得真應(yīng)力稍微有所降低，在最后階段，TB8鈦合金內(nèi)部組織動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用和加工硬化作用相當(dāng)，因此，真應(yīng)力呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。此外，從圖中還能看出TB8鈦合金的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)波浪狀的變化特征，且在應(yīng)變速率為0.1s—1時最明顯，這主要是因為變形過程中，TB8鈦合金內(nèi)部組織動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用和加工硬化作用相互占據(jù)主導(dǎo)地位所致。

2、熱鐓成形工藝方案制定

首先根據(jù)某型機用TB8鈦合金十二角螺栓零件圖設(shè)計相應(yīng)的鍛件圖，為了減少后續(xù)機械加工余量及工時，將頭部內(nèi)孔也一并鐓制成形，其鍛件圖如圖4所示，為保證鍛件的金屬流線的完整及鍛件的質(zhì)量，主要采用如下熱鐓工藝：（1）首先根據(jù)等體積原則，確定原始坯料的下料規(guī)格及尺寸，考慮到熱損失，將坯料規(guī)格設(shè)計為φ34mm×225mm；（2）計算變形部分的長度，確定加熱區(qū)長度，考慮到加熱溫度梯度效應(yīng)，將加熱區(qū)長度設(shè)計為76mm，并利用感應(yīng)線圈進行加熱；（3）將加熱完成后的坯料放置于熱鐓模具中進行鐓制成形，將十二角頭及頭部內(nèi)孔一次成形。最后從熱鐓模具中取出TB8鈦合金鍛件并進行尺寸及質(zhì)量檢測，尺寸在設(shè)計范圍內(nèi)后觀察是否存在裂紋、折疊等鍛造缺陷。

3、正交實驗方案及有限元模擬仿真

3.1正交實驗方案設(shè)計

根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，一般影響螺栓熱鐓質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有：鐓制溫度T、鐓制速度V、模具與坯料的摩擦系數(shù)μ。因此將正交實驗的變量因素設(shè)為T、V、μ。根據(jù)高溫壓縮實驗得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)，TB8鈦合金在溫度850℃時的真應(yīng)力較大，因此為了保證效率，不考慮將850℃設(shè)置為鐓制溫度，將坯料的鐓制溫度設(shè)置為900、950、1000℃；將鐓制速度設(shè)置為150、250、300mm/s；將模具與坯料的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1、0.3、0.6。此設(shè)計按L9正交表進行9次實驗，實驗方案見表3。

3.2有限元模擬仿真模型的建立及模擬參數(shù)設(shè)定

首先根據(jù)上述制定的TB8鈦合金十二角螺栓的熱鐓工藝，繪制相應(yīng)的模具三維模型，并在SolidWorks軟件中裝配[11-12]，如圖5所示為TB8鈦合金十二角螺栓熱鐓有限元仿真模型，主要有上模、坯料、凹模和頂桿組成，在裝配體中定義相互之間的接觸關(guān)系，為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模型另存為“STL”格式，并在品質(zhì)選項中選擇“精細”。并將“STL”格式的模型分別導(dǎo)入有限元仿真軟件Deform-3D中。然后將高溫壓縮實驗得到的TB8鈦合金材料在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入到Deform-3D材料庫中，選用該材料數(shù)據(jù)進行模擬仿真，更加接近實際生產(chǎn)。

最后將模具設(shè)置為剛性，對坯料采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為80000個。鐓制溫度T、鐓制速度V、模具與坯料的摩擦系數(shù)μ分別按照正交實驗方案進行設(shè)定。

3.3有限元模擬仿真結(jié)果分析

3.3.1最大鐓制力分析

對于TB8鈦合金螺栓熱鐓成形工藝，其鐓制力的大小直接決定設(shè)備噸位的選型，也是判斷現(xiàn)有設(shè)備條件能否實現(xiàn)該工藝的重要依據(jù)，決定著工藝開發(fā)的成敗。表2為正交實驗得到的各工藝參數(shù)下的最大鐓制力，從表4可以看出，鐓制溫度對最大鐓制力的影響最大，隨著溫度升高，最大鐓制力逐漸減小，主要是因為溫度越高，位錯活動能力越強，位錯發(fā)生滑移或攀移，使得位錯密度降低，材料的變形抗力也隨著降低。其次是鐓制速度對最大鐓制力的影響，隨著鐓制速度的增加，最大鐓制力逐漸減小，這主要是因為隨著鐓制速度的增加，材料內(nèi)部組織動態(tài)再結(jié)晶的時間縮短，動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用抵消了加工硬化，因此材料的變形抗力有所降低。摩擦系數(shù)對最大鐓制力的影響不是很大，但是良好的潤滑會提高金屬材料的流動性，對模具壽命有一定的影響。但是對于熱鐓成形過程來說，摩擦系數(shù)0.3較容易實現(xiàn)。經(jīng)過分析，模擬得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合為鐓制溫度為1000℃、鐓制速度為300mm/s，摩擦系數(shù)為0.3。如圖6所示為實驗序號為7、8、9的條件下TB８鈦合金十二角螺栓熱鐓過程中上沖頭的載荷-行程曲線。從圖中可以看出，隨著變形程度的增加，上沖頭載荷先緩慢增加，最后急劇增加到最大值，這主要是由于剛開始變形階段，金屬材料與模具之間的空間較大，金屬流動阻力較小，隨著金屬逐漸填滿模具型腔，封閉空間內(nèi)金屬流動阻力大大增加，因此載荷急劇增大。

3.3.2等效應(yīng)力分析

圖7為鐓制溫度1000℃、鐓制速度300ｍｍ/ｓ，摩擦系數(shù)0.3時TB8鈦合金十二角螺栓熱鐓成形過程中坯料的等效應(yīng)力場分布。從圖中可以看出，不同成形階段，等效應(yīng)力的分布不同，在初始變形階段，坯料在上沖頭壓力的作用下，首先成形端部內(nèi)孔，并使得坯料發(fā)生鐓粗變形，如圖7ａ所示，此時等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在內(nèi)孔與上沖頭接觸的區(qū)域。隨著上沖頭繼續(xù)運動，內(nèi)孔成形逐漸結(jié)束，此時金屬與沖頭最上端逐漸接觸，沖頭繼續(xù)運動，坯料主要發(fā)生鐓粗變形，此時等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在螺栓上端與模具接觸的地方，如圖7ｂ所示。隨著內(nèi)孔成結(jié)束，沖頭再繼續(xù)運動的主要目的是成形法蘭面以及十二角頭，在此階段金屬流動規(guī)律較復(fù)雜且流動阻力較大，最后沖頭運動到下端與凹模承壓面接觸，成形過程結(jié)束，此時等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在法蘭面邊角處，如圖7ｃ所示。

3.3.3損傷值分布

金屬材料在熱變形過程中，內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋萌生時通過現(xiàn)有的檢測儀器很難在線檢測，因此通過產(chǎn)品設(shè)計來規(guī)避容易出現(xiàn)裂紋的部位是現(xiàn)在常用的方法之一，通過Deform-3D后處理中損傷值的大小及分布，可以預(yù)測裂紋產(chǎn)生的區(qū)域，然后再通過成形工藝來降低該區(qū)域的損傷值，從而提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率及周期。如圖8所示為TB8鈦合金十二角螺栓熱鐓成形過程中損傷值的分布圖，從圖中可以看出，變形過程中隨著變形程度的增加，最大損傷值逐漸增大，通過分析發(fā)現(xiàn)，最大損傷值出現(xiàn)的位置基本是在頭部內(nèi)孔處，說明該區(qū)域是容易產(chǎn)生裂紋的部位，在后續(xù)工藝及模具設(shè)計時需要重點考慮，從而提高鍛件產(chǎn)品表面質(zhì)量。

3.3.4模具應(yīng)力分布

由于TB8十二角螺栓熱鐓成形過程中金屬材料的流動會對模具產(chǎn)生劇烈的摩擦和較大的接觸壓力，當(dāng)模具應(yīng)力超過模具材料在該溫度下的許用應(yīng)力時，模具就會發(fā)生斷裂失效，從而導(dǎo)致工藝開發(fā)的失敗，因此需要首先對成形過程中與坯料接觸緊密的相關(guān)模具的應(yīng)力場進行分析。具體步驟為：以上沖頭模具應(yīng)力分析為例，首先在進入前處理，將其他模具刪除，定義上沖頭為“elastic”，劃分網(wǎng)格為50000個，選用熱作模具鋼H13為模具材料，然后設(shè)置邊界條件，最后插入模具受力，如圖9所示。運算完成后在后處理結(jié)果中查看上沖頭的應(yīng)力分布，如圖10所示，最大應(yīng)力為1010MPa。用同樣的方法計算凹模的應(yīng)力分布，如圖11所示為成形過程中凹模受力情況，圖12所示為凹模應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為1050MPa。經(jīng)過分析，上沖頭和凹模的最大應(yīng)力值均小于H13在該溫度下的許用應(yīng)力，不會對模具產(chǎn)生破壞作用而導(dǎo)致模具失效，為后續(xù)模具設(shè)計提供理論依據(jù)。

4、熱鐓成形工藝試驗

根據(jù)有限元模擬得到的TB8鈦合金十二角螺栓熱鐓成形工藝參數(shù)，選擇400t高速精密壓力機進行相應(yīng)的模具設(shè)計及加工，然后進行模具調(diào)試，最后完成相應(yīng)的熱鐓成形工藝試驗，如圖13所示為試驗用高速精密壓力機實物圖。工藝試驗得到的鍛件經(jīng)過檢測，尺寸符合設(shè)計要求，經(jīng)過后續(xù)機械加工后未出現(xiàn)裂紋、折疊等鍛造缺陷，滿足使用要求，如圖14所示為機械加工后的TB8鈦合金十二角螺栓實物圖。

5、結(jié)語

（1）通過高溫壓縮實驗，得到不同變形條件下TB8鈦合金的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為熱鐓工藝有限元模擬提供了數(shù)據(jù)，使得模擬更加準(zhǔn)確和接近實際生產(chǎn)。

（2）通過正交實驗優(yōu)化方案及有限元模擬仿真，得到TB8十二角螺栓熱鐓成形工藝參數(shù)為：鐓制溫度1000℃、鐓制速度300mm/s，摩擦系數(shù)0.3。

（3）工藝試驗得到的TB8十二角螺栓鍛件經(jīng)過機械加工，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、折疊等鍛造缺陷，符合設(shè)計要求，說明本文制定的熱鐓工藝是可行的，可對該類零件的實際熱鐓生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

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第一作者：孫曉軍，男，1983年生，研究員，研究方向為航天領(lǐng)域高端緊固件研制及工藝技術(shù)研究。

E-mail：15937614721@139.com

通信作者：張亞龍，男，1990年生，講師，研究方向為航空基礎(chǔ)件疲勞延壽技術(shù)。E-mail：

zhangyalong@zua.edu.cn