盆狀鍛件成形工藝

文/蘇春民，魏志堅(jiān)，葛金鋒，楊晉·貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司

盆狀鍛件成形工藝

文/蘇春民，魏志堅(jiān)，葛金鋒，楊晉·貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司

GH4169是具有沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能，能夠制造各種形狀復(fù)雜的環(huán)形零部件。GH4169盆形環(huán)件運(yùn)用環(huán)軋工藝制坯，采用胎膜成形，可以用來加工成具有復(fù)雜界面形狀的環(huán)形零件，特別適用于零件截面與中軸線成一定角度的零部件。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，起到精化鍛件設(shè)計(jì)，節(jié)約原材料的作用。

本文以貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司重點(diǎn)項(xiàng)目盆形異型鍛件為研究對(duì)象。該鍛件使用GH4169高溫合金材料，運(yùn)用胎模成形的工藝控制和模具設(shè)計(jì)。通過對(duì)鍛件設(shè)計(jì)、成形工藝、模具設(shè)計(jì)等方面的論述，闡述了采用胎模成形技術(shù)生產(chǎn)盆形異型鍛件的可行性，并成功交付零件。盆形異型鍛件的形狀和尺寸如圖1所示。

在設(shè)計(jì)該鍛件時(shí)，采用軋制的方法，難點(diǎn)主要是在盆狀的斜壁部分。從圖1可以看出，該產(chǎn)品斜壁的角度達(dá)到了50°，且壁厚較薄。如果采用軋制的方式成形，只能通過追加余料的方式逐漸減小斜壁部分的角度，這樣的方案會(huì)導(dǎo)致投料非常多，造成不必要的材料浪費(fèi)。在鍛造技術(shù)中，胎模成形屬于半開式模鍛。采用胎模成形的鍛件具有所有鍛造產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，另外具有比自由鍛鍛件更高的精度，而且還能夠得到更為復(fù)雜的形狀。所以，我們考慮使用大型胎模成形的方法，使產(chǎn)品通過完全貼模來成形。不過在產(chǎn)品成形的過程中，要克服較大的變形抗力，通過較大的設(shè)備能力和使用多個(gè)胎模沖頭讓鍛件貼模。

圖1 盆形異型鍛件的形狀和尺寸

研制結(jié)果與分析

有限元分析

DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過程，幫助工程師和設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本。提高模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。通過DEFORM軟件分析，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品成形過程中存在以下問題，我們根據(jù)存在問題的不同，采取不同的措施。

圖2 模擬結(jié)果

⑴小頭外徑加工余量小。造成小頭外徑加工余量小的因素包括：在第二預(yù)成形沖頭沖入時(shí)，坯料上半部分彎曲角度增大，使得鍛件下半部分以小頭外徑的筋高處為支點(diǎn)進(jìn)行翹曲，如圖2所示。為了保證鍛件小頭外徑尺寸，通過模擬分析將陰模小頭尺寸在原鍛件小頭外徑尺寸基礎(chǔ)上加大6mm。

⑵小頭內(nèi)徑筋高、大頭外徑、大頭外徑的筋高三處余量緊張。①小頭內(nèi)徑筋高。為了控制小頭內(nèi)徑筋高，在保證鍛件小頭外徑尺寸的前提下，縮小陽模尺寸，在原鍛件小頭內(nèi)徑尺寸基礎(chǔ)上縮小6mm；②大頭外徑、大頭外徑筋高。為了保證大頭外徑、大頭外徑筋高，采用增大坯料高度及在陰模上設(shè)計(jì)一處臺(tái)階，阻止大頭外徑向外延伸，而保證向高度方向增長(zhǎng)的方式來達(dá)到鍛件要求的尺寸如圖2所示。

圖3 坯料變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)圖

⑶陽模壓不到位。擴(kuò)孔時(shí)坯料變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)如圖3a所示，變形開始處D4點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為αρ=-αs＜0，αθ=0，根據(jù)屈服軌跡如圖3b所示，可知該加載軌跡位于第四象限。隨著變形的發(fā)展由橢圓上C4出發(fā)沿橢圓軌跡向A4（αρ=0，αθ=αs）前進(jìn)，變形終了A4在橢圓上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位置取決于αθ值的大小。若變形量大，潤(rùn)滑差，αθ較大，A4點(diǎn)可落在B4、A4之間。圖3b中B4點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)順序?yàn)棣?=αθ，α2=αt=0，α3=αρ=-αθ，則此處的中間主應(yīng)力α2=（α1+α3）/2=0，即B4點(diǎn)處的厚度方向的應(yīng)變?cè)隽縟εt=0。所以在變形開始階段即C4、B4，dεt≥0，dερ＜0，dεθ＞0，在此階段壁厚變化是先增大，然后減小至原來的壁厚，高度減小，外徑增大。隨著變形的持續(xù)進(jìn)行，變形進(jìn)入B4、A4之間，在A4點(diǎn)變形結(jié)束。此時(shí)dεt＜0、dερ＜0、dεθ＞0，即最終鍛件的壁厚和高度減小，直徑增大。

圖4 工藝流程圖

環(huán)坯制備因加入燒損率，修傷所需的余量通常通過控制內(nèi)、外徑，控制內(nèi)徑及高度，控制外徑及高度，三種方法中之一來控制環(huán)坯。

根據(jù)擴(kuò)孔成形的原理及模具設(shè)計(jì)，陽模的小頭外徑、陰模的小頭內(nèi)徑尺寸已經(jīng)固定，也就意味著環(huán)坯的內(nèi)外徑尺寸被確定。當(dāng)采用方法控制內(nèi)徑及高度或者控制外徑及高度必然造成壁厚加厚，使得陽模無法壓到位。因此，工藝制坯對(duì)坯料采用內(nèi)外徑控制，可以避免陽模壓不到位的問題。

工藝流程的確定

根據(jù)前期的準(zhǔn)備和研究工作，最終確定該項(xiàng)鍛件采用φ250mm的棒料在1250t水壓機(jī)上制坯，在φ1800mm軋機(jī)上軋成環(huán)坯，再經(jīng)多火次、逐步采用各角度沖頭掰環(huán)坯角度。由于涉及的產(chǎn)品變形抗力大，所以使用水壓機(jī)成形時(shí)，采用機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)胎模和鍛件的同時(shí)，采用局部下壓的方式進(jìn)行成形。工藝流程過程如圖4所示。

圖5 盆形異型鍛件的實(shí)物

盆形異型鍛件投產(chǎn)

通過大量的技術(shù)準(zhǔn)備，該圖號(hào)的鍛件投產(chǎn)，其外形尺寸及各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，該產(chǎn)品已正式交付需方。該特大盆形異型鍛件的實(shí)際鍛件和機(jī)加后的形狀如圖5所示。

結(jié)束語

本文通過理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合成功生產(chǎn)出該盆形異型鍛件，得出兩條結(jié)論。

⑴該盆形異型鍛件的成功研制，充分證明了采用胎模生產(chǎn)盆形鍛件的熱加工技術(shù)在生產(chǎn)上的可行性，同時(shí)該技術(shù)能彌補(bǔ)環(huán)軋技術(shù)不能生產(chǎn)大斜度環(huán)件的缺陷。類似的盆形胎模成形件可以參照?qǐng)?zhí)行。

⑵盆形胎模成形的鍛件需要較強(qiáng)的設(shè)備能力支撐。生產(chǎn)該件異型鍛件時(shí)采用水壓機(jī)進(jìn)行成形，設(shè)備由于老化的情況比較嚴(yán)重，生產(chǎn)時(shí)壓力不足，若設(shè)備的情況良好，鍛件貼模的程度和成形情況會(huì)更好。