航空用ZK61M 镁合金锻件成形工艺模拟及试验验证

2022-11-22王智勇王小刚王海斌赵盛荣李伟莉

锻压装备与制造技术 2022年5期

王智勇，王小刚，刘涛，王海斌，赵盛荣，李伟莉

（山西银光华盛镁业股份有限公司，山西闻喜 043800）

镁合金是一种优异的轻质结构材料，具有较高的比强度、比刚度以及良好的减震性和阻尼性，在航空航天、3C 等行业具有广阔的应用前景[1，2，3]。ZK61M镁合金作为一种商用高强度合金应用广泛，但因其塑性变形能力差，可锻造性差，且对成形速度和温度比较敏感，导致其成形温度区间窄[5]。因此在锻造成形过程中容易产生裂纹等缺陷，致使材料发生脆性断裂。另外，ZK61M镁合金比热容较低，在变形过程中降温速度快，锻造过程中变形抗力增加，充型能力下降，从而导致产品力学性能不合格等问题[4，5]。基于此，通过Deform-3D 有限元模拟分析，优化预锻毛坯形状、锻造工艺参数等来提高ZK61M镁合金航空复杂锻件成形性，从而降低工艺开发周期，提升生产效率与产品质量。

1 模拟试验方案

1.1 试验材料及产品要求

以某航空器X 部件为研究对象，选用商用ZK61M 镁合金,对其进行Deform 锻造成形模拟及锻造试验，锻造前对ZK61M合金进行均质化处理消除铸造缺陷。锻造设备采用6000t 锻机，其产品尺寸及形状如图1 所示，力学性能要求抗拉强度（UTS）≥295MPa，屈服强度（YS）≥215 MPa，伸长率（EL）≥8%。

1.2 Deform 模拟分析

根据产品结构特点，为了保证锻件充型饱满，避免锻造缺陷，考虑产品的批量不大，在预锻产品的形状设计上，尽量使其外形与锻件轮廓一致。采用以下两种预锻方案，如图2、图3 所示。

图2 第一种预锻模拟方案

图3 第二种预锻模拟方案

三维几何实体建模采用UG12.0 软件，然后将数模转成STL 格式导入Deform-3D 软件中，针对两种方案分别进行热模拟锻造过程仿真分析[7]。在两次模拟条件的设定中，毛坯材料设置为ZK61M，设置温度380℃，网格划分为80000。上模具材料设置为H13，模具温度300℃，网格划分为50000，速度13mm/s；下模具材料设置为H13，模具温度300℃，网格划分为32000，摩擦系数0.4，传热11N/Sec/mm/C，步长1，运行步数136。林剑[5]等人进行了MB15 镁合金模锻件成形模拟及实验研究。研究发现MB15 是一种高强度变形镁合金，具有韧性低、塑性变形能力差、易脆断的特点，最佳变形温度为410℃。ZK61M镁合金主要以Mg-Zn 相作为强化相提升性能，而Mg-Zn 相相变温度低于400℃，Mg-Zn 系合金本身变形温度范围为360℃～420℃，变形温度范围相对较小，若锻造温度过高将使得材料软化，大幅度降低锻件的力学性能。当锻造温度过低时，变形抗力增大，不易变形，且容易产生裂纹等缺陷，严重影响产品质量。因此，锻造温度选用380℃。具体锻造参数如表1 所示。

表1 模拟锻造参数

图4 为预锻毛坯在模具型腔内的摆放位置，其中图5a 为第一种方案，图5b 为第二种方案。由图可见，两种方案中材料均可充满型腔，因此采用该预锻形状能够保证锻件的成形。

图4 预锻毛坯在模具型腔内的摆放位置

锻造成形过程中载荷分布如图5 所示。由图可见，在模拟锻造过程中，模具型腔与毛坯接触完好，且说明在第65 步时，产品已经充形饱满，结合载荷图可以看出，此时的载荷为236t，因此选用630t 压力即可完成锻造。

图5 模拟锻造过程成形载荷图

图6 为方案一锻造过程模拟示意图，通过图6可以看出在进行到40 步时，材料开始向中心聚集。随着压制的进行汇集区域被向外推移，将可能产生的折叠推离锻件，最后在飞边处形成折叠，虽然在锻压过程中锻件本身不会产生折叠，但可能存在微观裂纹，在随后的热处理过程中，裂纹将会延伸到基体里面，造成一定量的废品。另外，从图6b、图6d 中可以看出当模拟20 步时，A 部位开始出现折料，由于B区和C 区受到挤压，两股料同时向A 部位流动，并在40 步形成了折叠。因此此方案不适合实际生产。