双金属锻模在高强铝合金框类锻件成形中的应用研究

滕树满

（广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州 545002）

1 引言

框梁类结构件是大飞机上重要的承力构件,如飞机的大梁、隔框、壁板、翼肋等均属于该类构件[1~2]。在模锻成形该类构件时，由于成形载荷大，模具易产生磨损，塑性变形、断裂等失效，对锻件的连续生产造成阻碍[3~6]。图1 所示为某锻模在生产后型腔塑性变形产生失效。如何提升该类锻模的服役寿命是材料研究者需面临的问题。

图1 锻模桥部发生坍塌

在之前的研究中，夏玉峰等基于仿生学提出了锻模功能梯度设计的思路[7]。同时，电弧增材工艺的发展可以实现模具分区域制造[8~9]。本文基于该思路对铝合金7050 框类锻件用锻模进行了双金属功能梯度设计，并通过有限元模拟软件计算了新旧结构模具的温度场、应力场、变形场分布特点，以期为该类锻模的服役寿命提升提供指导。

2 有限元模拟与分析

2.1 传统均质模具场分布特点分析

本研究所选取的铝合金框成形用锻模三维造型如图2 所示，该锻模的最大外廓尺寸2,080×790×350mm。腹板处的型腔深70mm，高筋处的型腔深度100mm，桥部的长度与厚度分别为35×10mm，模口圆角R9mm。采用内插法计算该锻模的应力，有限元参数设置如表1所示。

图2 铝合金框成形用锻模三维造型

表1 有限元参数设置

图3所示为通过内插法计算得到的模具应力场与温度场。结果表明：铝合金框类锻件锻模在飞边槽下方小部分区域有最大应力（约673MPa），而其余区域的应力均较小。这是因为锻造末期，铝合金充满型腔后流向飞边槽时阻力增大，产生较大的机械应力，形成应力集中并最终导致如图1所示的锻模桥部局部塑性变形。锻模的温度场模拟表明，成形后锻模表面有较高的温升而大部分区域的温度保持恒定，这主要与锻模-坯料的接触、传热时间有关。锻模表面的温度过高将导致材料的软化，在高应力条件下更易使模具发生变形，影响锻造生产的连续性。此外，还计算了模具应力、温度与测量点到型腔表面距离的关系，如图4所示。结果表明：距锻模表面50mm范围内，模具温度应力均显著下降；当距离超过50mm 范围后锻模温度场几乎保持恒定，模具应力下降速率也显著降低。以上获得的锻造过程中锻模温度场、应力场分布将为锻模双金属功能梯度设计提供依据。

图3 铝合金框类锻件锻模应力场与温度场分布云图

图4 均质材料锻模应力、温度与测量点到型腔表面距离的关系

2.2 锻模双金属功能梯度设计

锻模的温度场、应力场模拟结果表明：锻模的高温及高应力区主要集中于距型腔表面50mm 范围内。若采用传统均质材料进行锻模制造，大部分模具区域材料的性能将存在冗余，而高温、高应力区域的性能可能存在不足。采用电弧增材制造工艺实现模具的分区域制造可以突破这一困境。本文基于功能梯度设计的思路对铝合金框类锻件锻模进行了工艺设计：对于高温、高应力区域，可以采用韧性较好、但高温硬度更低的合金（如镍基合金CHN327）制造。由于其硬度较低，在变形时可以抵抗冲击、传递应力，避免了由于应力集中导致的模具产生变形；对于没有温升且应力较低的区域，可以采用成本低、抗压性能高但塑性与韧性更差的材料（如铸钢ZG10）进行制造，降低模具制造成本的同时提高其抗压能力。

为了验证该设计在铝合金框类锻件锻模中的适用性，对新结构模具的应力场、温度场进行了数值模拟。在电弧增材制造中，两金属将产生冶金反应层。该层的产生机理复杂且影响程度较小，为简化模拟计算，本研究忽略了该层对模具性能的影响，而只是对于锻模的不同区域赋予了不同的材料属性，如图5所示。铸钢zg10的基础材料参数较少，本文采用材料热力学软件jmatpro7.0对其性能进行预测补充。

图5 双金属锻模示意图

2.3 双金属锻模场应力场及变形分析

图6所示为采用传统均质材料锻模与采用双金属梯度设计的新型锻模应力场与温度场。对比后发现，采用双金属梯度设计的锻模最大应力由673MPa 降低至约469MPa，降幅约为30%，飞边槽处的应力集中得到了显著改善。这是因为型腔表面采用了硬度较低的金属载荷得以向模具底座传播，中等应力区域所占比例的增加从另一方面证明了这一推论。应力的降低也减少了锻模的变形，根据模拟结果，新旧结构锻模的最大应变分别为0.002与0.0306，锻模变形显著降低，这对锻件尺寸稳定性的保证意义重大。

图6 双金属锻模与均质锻模模具应力对比

3 结论与展望

为提高高强铝合金框类锻件用锻模的服役寿命，本文在掌握了传统均质锻模的温度场、应力场特点后，采用功能梯度材料设计原理对锻模选材及制造工艺进行了重新设计，并应用有限元模拟软件DEFORM-3D 模拟并对比了新旧模具温度场、应力场、应变场的分布特点。结论如下：

（1）传统均质铝合金框类锻件锻模的高应力、高温区主要位于飞边槽处。距锻模表面50mm 范围内，模具温度应力均显著下降；当距离超过50mm 范围后锻模温度场几乎保持恒定，模具应力下降速率也显著降低。

（2）采用镍基合金CHN327与铸钢ZG10材料进行铝合金框类锻件锻模制造，节约制造成本的同时降低模具应力与变形，提高模具寿命，该制造方法具有较高的可推广性。

（3）有限元模拟时，本文忽略了两金属焊接反应生成的冶金结合层对于应力传递的影响。文本所提出的双金属锻模方案还有待于进一步实际生产验证，如何准确建立双金属锻模模具应力与服役寿命预测模型仍值得深入研究。