文/ 薛慶增·海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)某軍事代表室

邱磊，裴玢，馬栓柱·中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

針對(duì)接頭鍛件在模鍛過(guò)程中易出現(xiàn)折疊缺陷、模具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，優(yōu)化了成形工藝過(guò)程。通過(guò)合理設(shè)計(jì)預(yù)制坯，解決了鍛件缺陷。同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，降低了打磨工作量，為類似接頭類鍛件的成形提供了參考。

航空航天用設(shè)備的液壓管路中廣泛使用接頭零件，在承受高壓和耐腐的工況下，要求接頭零件毛料為鍛件，且多為不銹鋼材質(zhì)。圖1為某大型復(fù)雜接頭鍛件圖，材料牌號(hào)為1Cr18Ni9Ti，形狀為典型的枝杈類三通接頭，在φ61mm枝杈接頭處凸出一直徑為φ16mm、長(zhǎng)約77.5mm的圓柱支管，該支管與分模面法向成39°。采用鍛錘模鍛+校正的工藝路線，由于無(wú)法合理分配坯料，鍛件A處易出現(xiàn)折疊。另外，為保證支管部位充滿，需要的下料體積較大。鍛模的毛邊是開(kāi)式的毛邊橋和毛邊倉(cāng)設(shè)計(jì)，在鍛錘高速?zèng)_擊力的作用下，模具B處和C處因受到熱應(yīng)力而過(guò)早塌陷失效，D處易形成裂紋。

圖1 某接頭零件的鍛件圖和模具

基于以上問(wèn)題，急需設(shè)計(jì)預(yù)制坯，合理分配坯料，避免多余料堆積在鍛件表面造成折疊，同時(shí)解決金屬無(wú)法順利向外排出而對(duì)模具造成損傷，從而提高鍛件表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率及模具使用壽命。

預(yù)制坯設(shè)計(jì)及成形仿真

設(shè)計(jì)預(yù)制坯，保證經(jīng)重新分配的坯料能穩(wěn)定落入模膛，并有效填充型腔，同時(shí)盡可能降低制坯難度。在合理分配坯料的同時(shí)，盡可能減小下料尺寸，既提高材料利用率，又避免鍛件表面形成折疊。

設(shè)計(jì)三種形狀的預(yù)制坯，詳見(jiàn)以下內(nèi)容。方案1，主體和枝杈均為橢圓橫截面，且橢圓的長(zhǎng)軸均垂直于分模面。方案2，橫截面為橢圓的兩個(gè)柱體連接，柱體橢圓截面的長(zhǎng)軸互相垂直。方案3，主體為橢圓橫截面，枝杈橫截面為半圓和凸起的連接，凸起圓滑轉(zhuǎn)接。預(yù)制坯示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)制坯的形狀示意圖

采用DEFORM有限元仿真軟件對(duì)不同預(yù)制坯的成形過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)方案1放料時(shí)枝杈前傾，上模具啃傷金屬。方案2和方案3均能滿足成形需求。方案2的模擬成形過(guò)程見(jiàn)圖3，毛邊分布均勻，支管部位充滿，未出現(xiàn)壓傷和失穩(wěn)情況?？紤]到方案3的荒坯制備難度較大，最終采用方案2。

圖3 方案2模擬成形過(guò)程

荒坯形狀確定后，需要確定尺寸大小?；呐饔纱蠖酥w和小端柱體連接而成，且橫截面均為橢圓。小端柱體的橫截面面積需要滿足鍛件支管部位的充滿要求，柱體長(zhǎng)度尺寸要避免模鍛時(shí)的啃傷。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，確定大端柱體長(zhǎng)度為39mm，小端柱體長(zhǎng)度為42.5mm。然后根據(jù)體積相等原則，確定截面尺寸。同時(shí)，為了制備方便，要保證小端柱體的截面長(zhǎng)軸尺寸小于大端柱體的截面短軸尺寸?；呐鞒尚尾捎锰ツｅ懺欤O(shè)計(jì)工裝見(jiàn)圖4。

圖4 胎模鍛造用胎具

現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)試制

現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)2件試驗(yàn)件，來(lái)料規(guī)格均為φ70mm×154mm。具體試壓路線為：下料(φ70mm×154mm)→加熱(1180±10 )℃→制坯→加熱(1180±10)℃→模鍛(2t模鍛錘)→切邊(2500kN沖床)。

制坯時(shí)先采用圓角與胎模轉(zhuǎn)接圓角匹配的摔子上下扣住棒料一端，經(jīng)一錘制出荒坯小端的雛形。再將荒坯豎直放置于胎模中，上部鐓粗成形，下部擠壓成形。工裝實(shí)物如圖5所示。

圖5 工裝實(shí)物(胎具、摔子和斜鐵)

模鍛過(guò)程主要參數(shù)：2t模鍛錘錘擊程度分為輕擊、中擊、重?fù)簦驌裟芰糠謩e設(shè)置為5%、17%、25%。荒坯完全且穩(wěn)定地放入型腔內(nèi)，依次經(jīng)中擊6錘、重?fù)?錘后，鍛件充滿。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

鍛件表面質(zhì)量對(duì)比分析

接頭鍛件按原工藝路線生產(chǎn)36件產(chǎn)品，每個(gè)鍛件在一次模鍛后均存在折疊缺陷。而采用胎模鍛制坯+一次模鍛成形工藝路線生產(chǎn)的鍛件已無(wú)缺陷，經(jīng)檢驗(yàn)鍛件尺寸均滿足工藝要求。鍛件實(shí)物見(jiàn)圖6。

圖6 鍛件實(shí)物(工藝優(yōu)化后鍛件的正反面)

原工藝為料段直接模鍛成形，料段水平搭接在模腔上，覆蓋支管深腔部位，如圖7所示。一端在型腔內(nèi)，一端在型腔外。當(dāng)金屬受到豎直沖擊作用力時(shí)，金屬流向型槽深處。投影處于鍛模毛邊部位的金屬被模具啃傷。枝杈部位金屬流動(dòng)復(fù)雜，部分充滿支管深腔，部分在枝杈圓柱部位回流。流動(dòng)方向和速度不同的兩股金屬形成折疊缺陷。采用預(yù)制坯進(jìn)行模鍛時(shí)，金屬由擠壓充填模膛轉(zhuǎn)變?yōu)殓叴殖錆M。并且金屬體積被合理分配，縮短了金屬的流動(dòng)距離。通過(guò)試驗(yàn)，鍛件表面已無(wú)折疊缺陷，表面質(zhì)量滿足工藝要求。

圖7 優(yōu)化前放料方式

下料金屬對(duì)比分析

原工藝下料規(guī)格為φ82mm×120mm，優(yōu)化后下料規(guī)格為φ70mm×154mm，節(jié)省原材料消耗約6.5%。原工藝路線需經(jīng)一次模鍛、一次切邊、二次模鍛、二次切邊和校正才能成形。鍛造過(guò)程中毛邊分布不均勻，終鍛后毛邊最小部位寬度約10mm。這是為了保證支管部位的深腔充滿，不得不增加坯料的直徑尺寸。工藝優(yōu)化后設(shè)計(jì)了方案2的預(yù)制坯，合理分配了各部位的金屬體積。預(yù)制坯小端柱體的長(zhǎng)軸尺寸保證了支管部位的深腔充滿，大端柱體滿足接頭鍛件主體部位的成形需求，故終鍛后毛邊分布均勻，一次模鍛后即可充滿。優(yōu)化后的毛邊實(shí)物如圖8所示。

圖8 毛邊分布實(shí)物圖

工藝路線優(yōu)化對(duì)比分析

雖然均為模鍛成形，但工藝優(yōu)化前后的工藝路線有很大不同，見(jiàn)表1。原工藝路線采用料段直接模鍛成形，需要兩次模鍛、兩次切邊，最后還要進(jìn)行校正。模鍛過(guò)程產(chǎn)生的鍛造缺陷需要及時(shí)排除，確認(rèn)缺陷清除干凈才能進(jìn)行后續(xù)的鍛造。生產(chǎn)效率低，打磨工作量大。工藝路線優(yōu)化后，增加荒坯制備，一火次模鍛即可充滿模膛，并且消除了折疊缺陷，鍛后無(wú)需打磨缺陷，提高了生產(chǎn)效率。

表1 優(yōu)化前后工藝路線對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

采用優(yōu)化后的自由鍛制坯+模鍛成形的工藝路線可生產(chǎn)出尺寸合格、表面質(zhì)量滿足工藝要求的鍛件。鍛后表面無(wú)折疊缺陷，提高了生產(chǎn)效率。方案2的預(yù)制坯設(shè)計(jì)為類似接頭類模鍛件的成形提供了參考。