本发明属于难变形合金锻造加工领域，涉及一种增大难变形合金模锻件表层变形的波浪形坯料设计方法。

背景技术：

难变形合金锻件在模锻成形过程中，由于坯料表层与模具接触面积较大，会导致坯料表层降温严重、摩擦阻力大，因此坯料表层金属流动困难，会形成未变形或变形非常小的变形死区，变形死区动态再结晶难以发生、晶粒不易细化、性能经常不合格。目前难变形合金模锻生产前，一般会在坯料表层均匀涂上润滑剂来减少温降、降低摩擦系数，以提高合金模锻过程中的流动性。虽然现有采用润滑剂降低摩擦系数的技术可减少变形死区，但却不能完全消除，一些难变形合金坯料模锻成形后，在模锻件表层仍然存在有较厚的变形死区。由于模锻件表层变形死区与中心大变形区变形程度差别较大，而很多难变形合金材料的组织与性能对变形工艺参数非常敏感，不同程度的变形会导致表层变形死区与中心大变形区组织与性能上的差异。当锻件表层与中心部位组织与性能差异太大时，会严重影响不同部位的均匀性、达不到使用要求。因此，需要严格控制难变形合金锻件表层部位的变形才能保证最终构件的整体均匀性能。

4、发明的目的

解决传统模锻件表层变形死区与中心部位性能不一致的问题，是实际生产中面临的难题。通过增加难变形合金模锻件表层部位的变形可以改变内部组织、提高性能，但如何从实际生产可行性方面来减小坯料与模具之间的摩擦力以提高表层部位的变形，却是难变形合金模锻过程中极为关键重要的一环。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种增大难变形合金模锻件表层变形的波浪形坯料设计方法，提高难变形合金模锻件表层部位的性能，有效增大表层部位的变形量，从而改变表层部位的变形来获得与中心部位的一致性能，满足难变形合金模锻件不同部位性能一致性的需求。

技术方案

一种增大难变形合金模锻件表层变形的波浪形坯料设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、变形量确定：对模锻件用的合金材料，在压力机或空气锤锻造设备上对合金进行与实际锻造温度范围一致的物理仿真模锻试验，测试合金经15～70％变形量锻造后的拉伸和蠕变性能，依据变形量与性能的对应关系来确定模锻件达到性能标准所需求的变形量范围；

步骤2、波浪形坯料设计：设计模锻前坯料上下端面为波浪形，上端面波浪形波峰到波谷的高度尺寸h1和下端面波浪形波峰到波谷的高度尺寸h2不小于坯料总高度的5％，上端面波浪形夹角a和下端面波浪形夹角b取60～150°范围，上下波浪形呈连续、断续、对称分布；

步骤3、变形量计算：将步骤2设计的波浪形坯料形状和尺寸转化为deform、abaqus等有限元模拟软件的坯体输入，然后设置锻造参数进行步骤2坯料的模锻成形模拟计算，从软件模拟计算结果读取步骤2设计坯料模锻成形后表层和中心不同部位的变形量；

步骤4、波浪形坯料尺寸修改及确定：将步骤3模拟计算结果读取的变形量与步骤1确定的变形量范围进行对比，若步骤3计算变形量在步骤1确定变形量范围内，则步骤2设计的坯料形状和尺寸可以用于实际模锻成形，否则重复步骤2～步骤4直至确定出合理的波浪形坯料。

有益效果

本发明提出的一种增大难变形合金模锻件表层变形的波浪形坯料设计方法，是以难变形合金模锻件的性能需求来确定合金模锻条件下需求的变形量，采用模锻原理根据模锻件形状设计波浪形坯料，然后进行波浪形坯料的模锻成形模拟，计算不同部位的变形量，对比变形量计算结果修正波浪形坯料尺寸，最后确定出合理的波浪形坯料。

本发明根据模锻件设计原理，在原有坯料设计基础上，在坯料与模具接触部分上增加了波浪形形状的设计，可有效增大模锻件表层部位的变形量，解决传统模锻件表层变形死区与中心部位性能不一致的难题。相比普通模锻件设计原理，该设计方法步骤1首先确定出难变形合金达到性能所需要的变形量，通过合金模锻试验和测试可摸索出模锻变形需要达到的变形量，确定合金模锻过程中性能控制的主要因素。步骤2通过在坯料上下表面设计波浪形状，目的是减少坯料与模具的大面积接触，提高坯料在模锻过程中的流动性，有效增大表层部位的变形量，波浪形尺寸和分布可根据锻件形状变化，以适应锻件不同的外形。步骤3通过有限元模拟来计算表层部位的变形量，可以分析设计的波浪形坯料模锻成形效果，以提高生产效率、保证产品质量。步骤4是修改和确定波浪形坯料的形状和尺寸，直到可以进行模锻生产为止。

该设计方法可以改变难变形合金模锻件表层部位的变形，获得表层部位与中心部位一致的性能，在锻造生产上具有推广应用价值。

附图说明

图1～图2：本发明步骤示意图

图3：普通坯料(左)与波浪形坯料(右)模锻结果对比1

图4：普通坯料(左)与波浪形坯料(右)模锻结果对比2

图5：普通坯料(左)与波浪形坯料(右)模锻结果对比3

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种增大难变形合金模锻件表层变形的波浪形坯料设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)变形量确定：开展合金模锻的物理仿真试验(图1(a))，在15～70％的变形量范围内进行锻造变形(图1(b))，测试不同变形参数下的性能数据，从而确定模锻变形达到性能需求的变形量(图1(c))；

(2)波浪形坯料设计：根据模锻原理，将坯料上下端面设计为波浪形形状，上端面波浪形波峰到波谷的高度尺寸h1和下端面波浪形波峰到波谷的高度尺寸h2不小于坯料总高度的5％，上端面波浪形夹角a和下端面波浪形夹角b取60～150°范围，上下波浪形可以呈连续、断续、对称分布，具体根据模锻件形状和尺寸确定(图2(a))；

(3)变形量计算：采用有限元模拟软件，在合金的模锻参数范围内对步骤2设计的波浪形坯料进行模锻成形数值模拟计算(图2(b))，从模拟结果读取步骤2设计坯料模锻成形后表层和中心不同部位的变形量，观察表层部位和中心部位的不同(图2(c))；

(4)波浪形坯料尺寸修改及确定：将步骤3模拟计算结果读取的变形量(图2(c))与步骤1确定的变形量(图1(c))进行对比分析，若满足要求则步骤2设计的波浪形坯料形状和尺寸可以用于实际模锻成形，否则重复步骤2～步骤4直至确定出合理的波浪形坯料。

采用该波浪形坯料设计方法解决了难变形合金材料模锻过程中表层部位变形死区的难题，使表层部位的变形增大、晶粒细化、性能提升。

例1：采用本方法步骤1确定gh4169合金的变形量，通过15～70％变形量范围的模锻物理试验，获得了合金性能随变形参数的变化关系，确定出模锻变形达到需求性能的变形量需≥0.35；步骤2波浪形坯料设计，在模锻原理设计的基础上，将坯料上下端面设计为波浪形形状，波浪形高度尺寸h1和h2为坯料总高度的10％，角度a和角度b取90°，波浪形呈连续形式分布；步骤3变形量计算，对设计波浪形坯料的模锻过程进行有限元模拟，从模拟后处理过程可以获取坯料不同部位的变形量，发现表层部位和中心部位的等效变形量都超过1；步骤4坯料尺寸修改及确定，将步骤3模拟计算的变形量与步骤1要求的变形量对比，发现表层部位的等效变形量已经远远超过步骤1确定的最小变形量0.35，满足要求，设计的波浪形坯料可以进行模锻成形。图3为普通坯料(左)与波浪形坯料(右)模锻结果对比，可以看出普通坯料模锻后锻件表层部位的变形量非常小，而波浪形坯料模锻后表层部位的变形量较大，晶粒可以被显著明显、提高性能。

例2：采用本方法步骤1确定gh4169合金的变形量，通过15～70％变形量范围的模锻物理试验，获得了合金性能随变形参数的变化关系，确定出模锻变形达到需求性能的变形量需≥0.35；步骤2波浪形坯料设计，在模锻原理设计的基础上，将坯料上下端面设计为波浪形形状，波浪形高度尺寸h1和h2为坯料总高度的15％，角度a和角度b取60°，波浪形呈连续形式分布；步骤3变形量计算，对设计波浪形坯料的模锻过程进行有限元模拟，从模拟后处理过程可以获取坯料不同部位的变形量，发现表层部位和中心部位的等效变形量都超过0.6；步骤4坯料尺寸修改及确定，将步骤3模拟计算的变形量与步骤1要求的变形量对比，发现表层部位的等效变形量已经远远超过最小变形量0.35，满足要求，设计的波浪形坯料可以进行模锻成形。图4为普通坯料(左)与波浪形坯料(右)模锻结果对比，可以看出普通坯料模锻后锻件表层部位的变形量非常小，而波浪形坯料模锻后表层部位的变形量较大，晶粒可以被显著明显、提高性能。

例3：采用本方法步骤1确定gh4169合金的变形量，通过15～70％变形量范围的模锻物理试验，获得了合金性能随变形参数的变化关系，确定出模锻变形达到需求性能的变形量需≥0.35；步骤2波浪形坯料设计，在模锻原理设计的基础上，将坯料上下端面设计为波浪形形状，波浪形高度尺寸h1和h2为坯料总高度的15％，角度a和角度b取120°，波浪形呈连续形式分布；步骤3变形量计算，对设计波浪形坯料的模锻过程进行有限元模拟，从模拟后处理过程可以获取坯料不同部位的变形量，发现表层部位和中心部位的等效变形量都超过1；步骤4坯料尺寸修改及确定，将步骤3模拟计算的变形量与步骤1要求的变形量对比，发现表层部位的等效变形量已经远远超过最小变形量0.35，满足要求，设计的波浪形坯料可以进行模锻成形。图5为普通坯料(左)与波浪形坯料(右)模锻结果对比，可以看出普通坯料模锻后锻件表层部位的变形量非常小，而波浪形坯料模锻后表层部位的变形量较大，晶粒可以被显著明显、提高性能。