超倍尺宽钛合金板坯成形工艺研制

■ 杨武，王炳正，张佳丽，闫沛堂，秦卓

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）（m m），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后再进行镦粗，严重影响锻造效率及锻造质量。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。

1.工艺方案

锻造工艺路线：芯棒展宽→换专用芯棒继续展宽→上下平砧成形修整，选用50MN快锻压力机进行整个锻造工序。具体过程为：将钛合金锭平放在大平板上，上端采用φ630mm芯棒分两次进行压扁，总压下量控制在300mm左右，左右移动芯棒进行展宽至坯料高度约为550mm。

为防止芯棒展宽过程中出现板坯料中间尺寸偏大，两端偏小的情况，特制专用芯棒进行进一步展宽，展宽至宽度约为2000mm，高度约为440mm。

最后采用特制上平砧（7 0 0 m m砧宽，砧长2300mm）、下平板进行拔长及整形。

2.工艺的数值模拟

（1）模型建立及参数设定

采用SolidWorks软件上对钛合金锭、芯棒、特制芯棒、下平板、上下平砧进行三维建模，并导入有限元模拟软件中。TA2材料属性由数据库中已有的模型导入，由于采用快锻压力机，设定正常开启5台泵的上砧平均压下速度下限约为50mm/s。采用六面体网格对钛锭模型进行网格划分，为保证模拟的准确性，设定网格数量32000个。数值模拟的其他参数如附表所示。

有限元模拟的其他参数

（2）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，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3 特制芯棒展宽两端

图4 特制芯棒展宽结束

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2065mm，高度尺寸为265mm。

图5 平砧整形拔长

图6 最终成形

3.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