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。
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。
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