罗恒军曾德涛张海成孟斌谢小川张富淇二重集团德阳万航模锻有限责任公司
钛合金因具有密度低，比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、屈强比高、无毒无磁性、耐热性好、抗低温脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可装饰性强等特性而应用于多个工业领域。由于其良好的综合性能，其应用领域已涉足航空、航天、船舶、化工、汽车、电力、海洋、医疗、建筑、体育用品、能源等多个行业，其中航空航天目前乃至今后仍然是钛合金研究和应用占主导地位的领域。
近年来，我国不断加强对航空航天事业的建设与发展，在增强空中军事力量与加快探索太空领域步伐的同时，钛合金的用量也不断攀升，由于钛合金价格高昂，因此提高钛合金的材料利用率和成品率尤为重要。由于钛合金分子结构特点导致钛合金在热加工变形时抗力大，金属流动性差，锻件成形困难，特别是锻件筋条最后充填的地方，充填尤为困难。因此在设计钛合金锻件时通常需要加大锻件余量，防止因锻件圆角充填不满导致锻件报废。
本文以Ti-6Al-4V为研究对象，从提高钛合金材料利用率，降低生产成本的角度出发，采用数值模拟的方法研究锻件圆角充填时金属流动规律，提出一种钛合金锻件局部圆角微成形技术及工程化应用方案。
问题描述及研究方法
问题描述
图1为某型号民航飞机吊挂部段上的主要结构件，材质为Ti-6Al-4V，在两相区进行热加工锻造，在生产过程中出现锻件局部圆角充填不饱满的情况，锻件筋条角落塌角5～10mm。锻件余量不满足加工要求，当锻件还有欠压时，可采用返修方式补救；当锻件无欠压时，锻件直接报废。因此急需寻找一种能解决此问题的方法。
数值模拟研究方法
为研究金属圆角充填规律，寻找圆角充填不满的原因，设计了一种“十”字形锻件。综合考虑民航飞机结构件特征及适用范围，设计锻件腹板厚度50mm，筋条宽度40mm，深度mm。取筋条顶部圆角半径分别为5mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm；模具桥部高度分别为12mm、14mm、16mm、18mm、20mm；模口圆角分别为R12mm、R16mm、R20mm、R25mm、R30mm。利用DEFORM数值模拟软件，采用控制变量法的方式逐一完成数值模拟，模拟完成后以锻件筋条充满时对应的欠压值大小来衡量充填效果。
模拟结果与分析
图1锻件局部圆角充填不饱满
图2“十”字形锻件金属充填分布
图2为“十”字形锻件成形终了时的金属流动分布及充填情况。从图中可以看出由于筋条的阻隔，锻件明显的分为ABCD四个区域，四个区域内金属流动相对独立，互不干扰。从成形过程可以看出，在各区域中心点(即金属不动点)，金属总是最先沿着阻力最小的方向(或流动距离最短方向)流动，锻件外侧棱边的飞边长度明显比角落处的飞边长度长，金属流动遵循最小阻力定律。因此锻件的棱边为金属最先充填的区域，锻件的4个角落为最后充填的区域。另一方面，锻件筋条也存在一个动态的金属流动区域，在此区域内金属同样遵循最小阻力定律，表现为筋条纵向面中间充填最快，两边最慢。横向和纵向金属流动情况的叠加使得筋条的顶部角落成为整个锻件最难充填的区域，这也是实际锻件塌角总存在于筋条尾部的原因。
图3是锻件成形过程的筋条随模具欠压充填速率的变化情况，结合锻件充填，我们可以看出，在成形过程的很长一段时间内筋条都未进行明显充填，直到欠压达到20mm时，筋条才开始快速充填。这是因为刚开始时，模具间隙大而筋条间隙小，金属向水平流动的阻力远远小于向筋条方向流动的阻力，金属主要向水平方向流动。随着模具间隙的减小，水平阻力逐渐大于竖直阻力，金属开始快速填充筋条。因此可以看出，成形时金属水平和竖直方向的阻力处于动态，仅当水平流动阻力大于竖直阻力时，竖直区域(即筋条)才能快速充填。
图4为筋条棱边圆角半径、桥部高度及模口圆角和欠压之间的关系，从图中可以看出，随着半径的增加，筋条充满的时刻越早，这是因为筋条的横截面也是按金属最小流动定律进行充填。从图5可以看出，筋条宽度方向的中间金属流动最快，两边最慢，截面呈弧状，因此棱边圆角越大，和金属前段形状越像，筋条也就越容易充满。同时随着模具桥部高度及模口圆角的减小，锻件充填时刻越早，这是因为模具桥部及模口圆角越小，就越早的增大了水平方向的阻力，筋条也就越早填充。
锻件优化设计
通过以上分析，发现锻件的充填始终遵循最小阻力定律，因此保证锻件筋条的充填可以从两个方面着手：一是增加锻件成形阻力；二是减小锻件成形难度。增加锻件成形阻力的主要方式是改变模具结构，如减小模具桥部高度、增加桥部宽度、桥部设置阻力沟、减小模口圆角等。但这些方式在增加成形阻力的同时将进一步增加成形的载荷，加剧模具的磨损、降低模具的寿命，增加生产风险。减小锻件成形难度主要是改变锻件结构，如增加锻件圆角半径、增加锻件余量等方式。但这种方式会急剧增加锻件的重量，造成锻件设计肥大、材料利用率降低、后续加工量大，特别是对于钛合金这种原材料价格昂贵的材料，生产成本增加幅度较大。
图3筋条充填速率
图4圆角半径、桥部高度及模口圆角和欠压之间的关系
图5筋条金属充填情况
为解决以上问题，我们提出以下3种锻件局部微成形控制方案，基本原理就是保持锻件基本余量不变，仅改变锻件局部特征，使锻件局部形状与金属流动最前端截面形状相似，既能保证锻件良好的成形，又保证锻件的余量均匀且几乎不会增加太多敷料。锻件设计时一般进行均匀放量，锻件的圆角大小和锻件余量保持一致，生产时一般能保证锻件平面充填，对于锻件圆角处，如前所述锻件圆角特别是拐角处是最难充填的区域，充填不满即会使锻件加工产生风险，因此必须增加锻件局部余量。方式一：沿棱边两侧增加圆角余量，如图6所示，保证锻件余量不变，仅在原有圆角位置上采用较大的圆角半径。
图6沿棱边两侧增加圆角余量
方式二：沿棱边单侧增加圆角余量，如图7所示，保证锻件余量不变，采用较大的圆角半径使一侧圆弧切点和原圆弧切点保持一致，余量增量体现在棱边一侧。
图7沿棱边单侧增加圆角余量
方式三：沿棱边单侧增加锻件局部余量，如图8所示，保证锻件余量不变，仅在棱边一侧的圆角处局部区域增加锻件余量。
图8沿棱边单侧增加锻件局部余量
为验证圆角增量方式的效果，在典型锻件不同圆角处采用以上三种方式(说明哪个位置用了何种方式)，如图9所示。
图9采用局部圆角增量设计的锻件
生产验证
锻件实物如图10所示，锻件成形良好，三种增量方式圆角处充填饱满，经过多批次的生产验证，锻件质量稳定，锻件圆角得到了明显地改善，降低了后续加工风险，保证了最终产品的交付质量。
图10锻件实物
结束语
通过数值模拟揭示了锻件圆角处金属充填的规律，锻件各处充填均遵循金属最小阻力定律，锻件圆角特别是拐角处是锻件最后充填的区域，通过增大该区域圆角半径的微成形控制，可以提高圆角的充填质量，保证锻件生产的稳定性，经过工程化的批量生产验证，此种方式可广泛应用于其他有类似圆角充填困难的锻件上。
END年首届钛材料及技术装备国防军工行业
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