工业纯钛强力热旋压数值模拟及工艺参数研究

苏 楠，赵敬涛，胡景春

（扬州旋压技术研究所，江苏 扬州 225127）

工业纯钛强力热旋压数值模拟及工艺参数研究

苏 楠，赵敬涛，胡景春

（扬州旋压技术研究所，江苏 扬州 225127）

强力热旋压是工业纯钛管筒件成形的良好方法。通过Deform-3D仿真软件对其成形进行模拟，获取温度和变形的关键问题进行分析，并进行工艺试验，将现场试验效果与仿真模拟结合优化工艺参数设计。

强力旋压；工业纯钛；仿真模拟；管筒件；热旋压

旋压是一种先进的少无切削成形技术，广泛应用于金属回转体工件的生产制造中，是航空航天、海洋运输、汽车工业等行业加工制造技术的重要补充，可作为精整成形生产最终的金属零件产品[1-2]。钛的塑性加工手段众多，为了保证精度和控制生产成本，旋压是钛及钛合金回转体零件重要的生产制造技术。

工业纯钛是海洋管道运输的重要原材料，而具备一定尺寸精度是保证运输效率的重要条件。工业纯钛管筒件产品常规使用热挤压或热拉拔完成，尺寸精度无法达到规定要求，内壁效果不佳，对模具的要求和工艺参数的控制极为苛刻，生产成本代价高的同时废品率也居高不下。而强力旋压可解决以上难题，不但能够满足尺寸精度要求，而且通过旋压还能使材料性能得到提升。

工业纯钛的强力热旋压属于逐点塑性成形方式，温度、控制参数都是旋压成品件精度的重要影响要素。本文通过Deform-3D有限元软件对工业纯钛TA2成形工艺进行模拟与现场试验，其研究对钛材强力热旋压具有重要的参考意义。

1 工业纯钛强力热旋压的模拟

首先，材料是成形模拟的重要元素，根据已有研究[3]，工业纯钛TA2的热变形流变应力本构方程为：

依据此方程修正Deform-3D材料库中的“TiTanium-Type-2”（热变形工业纯钛TA2）的材料模型属性，使模拟接近或符合商业工业纯钛的材料特性，如图1所示。

图1 工业纯钛TA2的材料模型修正

根据模拟需求对工装模具、毛坯件建模，依据旋压资料和探究经验得出的参数设计模型[4-7]，用Solid－Works三维造型并装配，导出各部件的STL文件，将此类文件分别导入Deform-3D软件中，使用软件中工件位置调整界面对工装模具与工件之间的空间关系进行微调，如图2所示。材料修正后，根据变形条件与环境，逐一对部件进行温度、材料以及初始位置的定义，具体工艺参数如表1所示。

图2 工业纯钛强力旋压有限元模型

表1 数值模拟中工业纯钛强力旋压工艺参数

根据旋压成形为点变形的特点，采用自定义四方体网格划分方式，最小单元为3mm，最大最小单元边长比为1.5，可划分出4521个单元，节点1884个。设置体积补偿确保变形为体积不变的塑性变形，采用FEM+meshing的体积控制方式，保持变形体积不变。毛坯定义为塑性体，模具皆为刚性体。

2 模拟结果与分析

2.1 温度变化规律

模拟结果显示，工业纯钛在强旋过程中有热量的产生和传递，且出现阶跃峰值，之后温度平稳波动，详细温度变化如图3所示。分析得知，钛的变形抗力特别大且导热性能一般，钛筒形件旋压塑性变形时是属于晶粒滑移变形，变形克服摩擦力产生热量，从无到有变形的变形初期产生巨大热量，即图中峰值，之后产生的热量和工件与外界热交换需要的热量都趋于平稳，即变形趋于稳定。在试验时需要特别注意成形初期的温度控制，不能进行大量的补热，发生过热会导致成形无法顺利进行。

图3 钛筒形件变形时温度变化曲线

2.2 变形程度分析

模拟变形曲线如图4所示，初始变形破坏程度剧烈，之后变形破坏已然稳定，表明强力旋压变形是稳定的，仅在初始变形阶段具有不稳定的倾向。Damage作为一种变形破坏的程度的考量，其值不能超过材料的抗拉强度，否则将发生材料内部破裂。对于工业纯钛而言，取其抗拉强度的最小值35kg/mm2。图中曲线峰值并没有超过该最小值，故没有使工件内部破化失效，但在试验过程中必须通过进给量及进给速度控制峰值。

图4 钛筒形件变形破坏随变形进度的变化曲线

3 工业纯钛强力热旋压实验研究及分析

3.1 实验参数

工业纯钛的强力热旋压实验使用研究所研发的W87K-600立式旋压机作为试验设备，以加热炉、火焰枪、行车等作为辅助设备，以工业纯钛TA2筒形件为坯料，以模拟参数为基础，具体加工参数如表2所示。

表2 现场实验工业纯钛强力热旋压工艺参数

3.2 实验结果及分析

在初次实验过程中产生两个关键问题：一是熔覆，二是旋压起皮，如图5所示。

图5 成形过程中出现熔覆与旋压起皮的试验件

熔覆系因温度控制不当引起。在上节的仿真模拟过程中，可以看出温度骤升是在旋轮与毛坯刚刚接触的初旋阶段，所以温度控制主要集中在初旋阶段。在旋压中期和后期，由于工业纯钛塑性成形会产生大量热量，维持变形所需热量并没有初期那么大，控制难度也明显低于初期。初期温度控制应遵循适时控制的原则，使用红外测温仪对加热部位进行全程监控，当测温点低于500℃用火焰枪进行补温，高于700℃则无需补热。加热处是毛坯上距离旋压点10mm的未成形部位，而测温点则设定在加热点的对面。

其次是旋压起皮，从纹路看设备不存在波动和刚度不稳问题，经过探讨分析，主要原因是主轴转速与旋轮进给量不匹配、温度控制不稳定。处理方式是在同等进给量的情况下调整转速，寻找适合的主轴转速；同时将初始旋压阶段温度控制区间进一步缩小至500～600℃。

最终采用修正后的工艺参数进行工业纯钛热旋压，转速调整至60r/min，温度控制区间为500～600℃，维持温度点为550℃，旋压制出符合要求的零件，如图6所示。

图6 旋压最终成形零件

4 结论

工业纯钛热旋压处在试验研究阶段，其生产过程受影响因素较多，不同设备的工艺参数也不尽相同，但参数的变化趋势和研究方法是类似的。本文通过Deform-3D有限元仿真软件对工业纯钛的热旋压进行模拟仿真，可得出具有一定参考价值的工艺参数，将该工艺参数结合经验应用于生产过程，根据生产过程进行调整，得出符合要求的旋压产品。本文得出工业纯钛热旋压试验的参数基本符合生产需要，但仍存在如下问题：生产效率偏低；控制温度应往自动适应调节方向改进；在试验中遇到了热加工强化，需要在模拟中深入研究。

[1]王成和，刘克璋.旋压技术[M].北京：机械工业出版社，1986：23-30.

[2] 牟少正，韩 冬.有色金属旋压技术研究现状[J].航天制造技术，2008，（4）：38-42.

[3] 陈 林，徐 春.工业纯钛TA2热变形流变应力研究[A].第十届中国科协年会论文集（四）[C].中国科学技术协会，2008.

[4] 吴立波，张治民.旋压设备工艺研究[J].锻压装备与制造技术，2006，41（2）：31-33.

[5]牟少正，韩 冬，杨英丽，等.铸造钛合金管坯的旋压成形及性能研究[J].锻压装备与制造技术，2009，44（2）：98-100.

[6] 黄金昌.钛及其合金的热旋压和热深冲[J].稀有金属与硬质合金，1993，（3）：45-50.

[7]杨国平.纯钛和BT20钛合金筒形件旋压织构及在热处理中的演化[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

Numerical simulation and the technical parametersstudyof hot power spinning process for commercial pure titanium

SU Nan,ZHAO Jingtao,HU Jingchun
（Yangzhou Spinning Technology Research Institute,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

Hot power spinning process is a good way to the forming of commercial pure titanium tubes.The simulation has been carried to the forming process by use of DEFORM-3D simulation software.The key problems of temperature and deformation have been analyzed.The technical process testing has been conducted.The design of technical parameters has been optimized by combining of the testing result and simulation.

Commercial pure titanium；Power spinning；Pipe barrel；Simulation；Hot spinning

TG335.19

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.028

1672-0121（2016）02-0104-03

2015-08-26；

2015-10-12

苏 楠（1989-），男，硕士，从事旋压技术研究及装备设计。E-mail：sunan19891225@163.com