近年来，随着中国航空航天事业的急剧发展，各类新型紧固件也不休地被研造和利用，其中典型代表就是拥有高强度、低密度蹬着势迪胙合金紧固件[1-4]。TB8钛合金是一种超高强度亚不变β钛合金，因其拥有优良的抗氧化机能、耐侵蚀机能和综合力学机能而宽泛利用于航空航天领域[5-6]。由于TB8钛合金低温变形抗力较大，对于该材质的零件通常都必要热成形，但是目前对于该资料热镦成形的有关钻研较少，因而必要对TB8钛合金高温下的热变形行为进行钻研，分析其分歧变形温度和应变速度下的流变应力曲线，而后对其热镦成形机能进行钻研，以造订合理的热镦工艺，降低产品开发成本[7-8]。

本文以某型机用TB8钛合金十二角螺栓为钻研对象，首先利用Gleeble-1500D热仿照试验机对分歧温度和应变速度下TB8钛合金试样进行了等温压缩尝试，得到其分歧变形前提下的真实应力-应变曲线并分析其热变形行为。而后将尝试得到的数据导入到Deform-3D有限元仿照软件中对TB8钛合金十二角螺栓热镦工艺进行有限元仿照，对热镦成形关键工艺参数成立了正交尝试优化规划，最后凭据优化得到的热镦工艺参数，结合现实出产设备设计相应模具，并进行了热镦工艺试验，试验了局批注，数值仿照了局和现实出产了局根基一致，试验得到的TB8钛合金十二角螺栓经后续机械加工后没有出现缺点，注明本文提出的热镦工艺是可行的，对TB8钛合金十二角螺栓及其他类似零件的现实出产拥有肯定的领导意思。

1、高温压缩尝试及了局分析

1.1高温压缩尝试

选用某厂家提供的TB8钛合金棒材，其化学成分见表1。依照要求利用线切割取样，并加工成Φ8mm×12mm的尺度压缩试样，如图1所示为压缩试样造备简图。

利用Gleeble-1500D热仿照尝试机上压缩对试样进行单路次等温压缩尝试，尝试规划见表2，工艺曲线如图2所示。压缩后立刻将试样搁置水中淬火，以保留其高温变形后的组织[9-10]。

1.2高温压缩尝试了局分析

如图3所示为高温压缩尝试得到的分歧温度及应变速度下TB8钛合金的真实应力-应变曲线。从图中能够看出，曲线分为3个阶段，初始阶段，随着应变的增长，真应力迅速增大到最大值，中央阶段，随着应变的增长，真应力稍微有所降低，最后阶段，随着应变的增长，真应力趋于不变。其重要原因是在初始阶段，随着变形水平的增长，TB8钛合金内部组织的位错密度迅速增长和累积，产生强烈的加工硬化，因而真应力迅速增大。在中央阶段，随着变形水平的进一步增长，TB8钛合金内部组织产活泼态再结晶，动态再结晶的软化作用使得真应力稍微有所降低，在最后阶段，TB8钛合金内部组织动态再结晶的软化作用和加工硬化作用相当，因而，真应力出现不变状态。此表，从图中还能看出TB8钛合金的真实应力-应变曲线出现波浪状的变动特点，且在应变速度为0.1s—1时最显著，这重要是由于变形过程中，TB8钛合金内部组织动态再结晶的软化作用和加工硬化作用相互占据主导职位所致。

2、热镦成形工艺规划造订

首先凭据某型机用TB8钛合金十二角螺栓零件图设计相应的锻件图，为了削减后续机械加工余量及工时，将头部内孔也一并镦造成形，其锻件图如图4所示，为保障锻件的金属流线的齐全及锻件的质量，重要选取如下热镦工艺：（1）首先凭据等体积准则，确定原始坯料的下料规格及尺寸，思考到热损失，将坯料规格设计为φ34mm×225mm；（2）推算变形部门的长度，确定加热区长度，思考到加热温度梯度效应，将加热区长度设计为76mm，并利用感应线圈进行加热；（3）将加热实现后的坯料搁置于热镦模具中进行镦造成形，将十二角头及头部内孔一次成形。最后从热镦模具中取出TB8钛合金锻件并进行尺寸及质量检测，尺寸在设计领域内后观察是否存在裂纹、折叠等铸造缺点。

3、正交尝试规划及有限元仿照仿真

3.1正交尝试规划设计

凭据现实出产经验，通常影响螺栓热镦质量的工艺参数重要有：镦造温度T、镦造速度V、模具与坯料的摩擦系数μ。因而将正交尝试的变量成分设为T、V、μ。凭据高温压缩尝试得到的相应数据，TB8钛合金在温度850℃时的真应力较大，因而为了保障效能，不思考将850℃设置为镦造温度，将坯料的镦造温度设置为900、950、1000℃；将镦造速度设置为150、250、300mm/s；将模具与坯料的摩擦系数设置为0.1、0.3、0.6。此设计按L9正交表进行9次尝试，尝试规划见表3。

3.2有限元仿照仿真模型的成立及仿照参数设定

首先凭据上述造订的TB8钛合金十二角螺栓的热镦工艺，绘造相应的模具三维模型，并在SolidWorks软件中装配[11-12]，如图5所示为TB8钛合金十二角螺栓热镦有限元仿真模型，重要有上模、坯料、凹模和顶杆组成，在装配体中界说相互之间的接触关系，为了仿照了局的正确性，将模型另存为“STL”体式，并在品质选项当选择“精密”。并将“STL”体式的模型别离导入有限元仿真软件Deform-3D中。而后将高温压缩尝试得到的TB8钛合金资料在分歧变形温度和应变速度下的真实应力-应变曲线导入到Deform-3D资料库中，选用该资料数据进行仿照仿真，越发靠近现实出产。

最后将模具设置为刚性，对坯料选取四面体网格划分，网格数量为80000个。镦造温度T、镦造速度V、模具与坯料的摩擦系数μ别离依照正交尝试规划进行设定。

3.3有限元仿照仿真了局分析

3.3.1最大镦造力分析

对于TB8钛合金螺栓热镦成形工艺，其镦造力的大幼直接决定设备吨位的选型，也是判断现有设备前提能否实现该工艺的沉要凭据，决定着工艺开发的成败。表2为正交尝试得到的各工艺参数下的最大镦造力，从表4能够看出，镦造温度对最大镦造力的影响最大，随着温度升高，最大镦造力逐步减幼，重要是由于温度越高，位错活动能力越强，位错产生滑移或攀移，使得位错密度降低，资料的变形抗力也随着降低。其次是镦造速度对最大镦造力的影响，随着镦造速度的增长，最大镦造力逐步减幼，这重要是由于随着镦造速度的增长，资料内部组织动态再结晶的功夫缩短，动态再结晶的软化作用抵消了加工硬化，因而资料的变形抗力有所降低。摩擦系数对最大镦造力的影响不是很大，但是优良的光滑会提高金属资料的流动性，对模具寿命有肯定的影响。但是对于热镦成形过程来说，摩擦系数0.3较容易实现。经过度析，仿照得到优化的工艺参数组合为镦造温度为1000℃、镦造速度为300mm/s，摩擦系数为0.3。如图6所示为尝试序号为7、8、9的前提下TB８钛合金十二角螺栓热镦过程中上冲头的载荷-行程曲线。从图中能够看出，随着变形水平的增长，上冲头载荷先缓慢增长，最后急剧增长到最大值，这重要是由于刚起头变形阶段，金属资料与模具之间的空间较大，金属流动阻力较幼，随着金属逐步填满模具型腔，封关空间内金属流动阻力大大增长，因而载荷急剧增大。

3.3.2等效应力分析

图7为镦造温度1000℃、镦造速度300ｍｍ/ｓ，摩擦系数0.3时TB8钛合金十二角螺栓热镦成形过程中坯料的等效应力场散布。从图中能够看出，分歧成形阶段，等效应力的散布分歧，在初始变形阶段，坯料在上冲头压力的作用下，首先成形端部内孔，并使得坯料产生镦粗变形，如图7ａ所示，此时等效应力最大值呈此刻内孔与上冲头接触的区域。随着上冲头持续活动，内孔成形逐步实现，此时金属与冲头最上端逐步接触，冲头持续活动，坯料重要产生镦粗变形，此时等效应力的最大值呈此刻螺栓上端与模具接触的处所，如图7ｂ所示。随着内孔成实现，冲头再持续活动的重要主张是成形法兰面以及十二角头，在此阶段金属流动法规较复杂且流动阻力较大，最后冲头活动到下端与凹模承压面接触，成形过程实现，此时等效应力最大值呈此刻法兰面边角处，如图7ｃ所示。

3.3.3危险值散布

金属资料在热变形过程中，内部起头出现裂纹萌生时通过现有的检测仪器很难在线检测，因而通过产品设计来躲避容易出现裂纹的部位是此刻常用的步骤之一，通过Deform-3D后处置中危险值的大幼及散布，能够预测裂纹产生的区域，而后再通过成形工艺来降低该区域的危险值，从而提高产品开发的成功率及周期。如图8所示为TB8钛合金十二角螺栓热镦成形过程中危险值的散布图，从图中能够看出，变形过程中随着变形水平的增长，最大危险值逐步增大，通过度析发现，最大危险值出现的地位根基是在头部内孔处，注明该区域是容易产生裂纹的部位，在后续工艺及模具设计时必要沉点思考，从而提高锻件产品表表质量。

3.3.4模具应力散布

由于TB8十二角螺栓热镦成形过程中金属资料的流动会对模具产生剧烈的摩擦和较大的接触压力，当模具应力超过模具资料在该温度下的许用应力时，模具就会产生断裂失效，从而导致工艺开发的失败，因而必要首先对成形过程中与坯料接触缜密的有关模具的应力场进行分析。具体步骤为：以上冲头模具应力分析为例，首先在进入前处置，将其他模具删除，界说上冲头为“elastic”，划分网格为50000个，选用热作模具钢H13为模具资料，而后设置天堑前提，最后插入模具受力，如图9所示。运算实现后在后处置了局中查看上冲头的应力散布，如图10所示，最大应力为1010MPa。用同样的步骤推算凹模的应力散布，如图11所示为成形过程中凹模受力情况，图12所示为凹模应力散布，最大应力为1050MPa。经过度析，上冲头和凹模的最大应力值均幼于H13在该温度下的许用应力，不会对模具产生粉碎作用而导致模具失效，为后续模具设计提供理论凭据。

4、热镦成形工艺试验

凭据有限元仿照得到的TB8钛合金十二角螺栓热镦成形工艺参数，选择400t高速精密压力机进行相应的模具设计及加工，而后进行模具调试，最后实现相应的热镦成形工艺试验，如图13所示为试验用高速精密压力机实物图。工艺试验得到的锻件经过检测，尺寸切合设计要求，经过后续机械加工后未出现裂纹、折叠等铸造缺点，满足使用要求，如图14所示为机械加工后的TB8钛合金十二角螺栓实物图。

5、结语

（1）通过高温压缩尝试，得到分歧变形前提下TB8钛合金的真实应力-应变曲线，为热镦工艺有限元仿照提供了数据，使得仿照越发正确和靠近现实出产。

（2）通过正交尝试优化规划及有限元仿照仿真，得到TB8十二角螺栓热镦成形工艺参数为：镦造温度1000℃、镦造速度300mm/s，摩擦系数0.3。

（3）工艺试验得到的TB8十二角螺栓锻件经过机械加工，没有发现裂纹、折叠等铸造缺点，切合设计要求，注明本文造订的热镦工艺是可行的，可对该类零件的现实热镦出产提供领导。

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第一作者：孙晓军，男，1983年生，钻研员，钻研方向为航天领域高端紧固件研造及工艺技术钻研。

E-mail：15937614721@139.com

通讯作者：张亚龙，男，1990年生，讲师，钻研方向为航空基础件委顿延寿技术。E-mail：

zhangyalong@zua.edu.cn