張國進，孟 陽

（西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710021）

1Cr21Ni5Ti 是仿制前蘇聯(lián)эи811 不銹鋼生產(chǎn)的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，它結合了奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼的較高強度和耐蝕性能，良好的工藝和力學性能[1]?？商娲?Cr18Ni9Ti 應用于耐氧化腐蝕并要求較高強度的設備部件，如航空發(fā)動機殼體和火箭發(fā)動機燃燒室外壁、法蘭盤、主導桿等關鍵件[2]。該鋼已有多年的使用歷史，大量采用鍛件進行加工，鍛件具有優(yōu)良的機械性能，可有效改善材料的內(nèi)部組織，使得零件內(nèi)部金屬流線能有均勻的隨零件結構分布，充分發(fā)揮出材料的各項性能。而異形環(huán)件傳統(tǒng)方法通過鍛造擴孔獲得鍛件，再由機械加工手段進行切削成所需形狀，這種方式一方面使得金屬的原始流線被破壞，大大降低了異形環(huán)見的機械性能。另一方面降低了材料的利用率，增加了生產(chǎn)周期。若采用異形環(huán)輾環(huán)工藝成形，最大程度上減少機械加工余量的同時提高了生產(chǎn)效率和材料利用率。同時獲得的異形環(huán)件性能較好。

零件為回轉體結構，內(nèi)外圓均帶有斜度，將鍛件設計為內(nèi)外圓帶斜度的異性面回轉體，使鍛件結構接近零件結構，減少工藝輔料的分布，前期外協(xié)生產(chǎn)時，鍛件表面常有折疊、裂紋等缺陷，廢品率較高，現(xiàn)通過數(shù)值模擬分析尋找缺陷產(chǎn)生原因、機理及危險點，通過逆向仿真優(yōu)化，使材料更易充型，避免折疊、裂紋等缺陷。

1 異形環(huán)鍛件結構及缺陷

生產(chǎn)的異形環(huán)件在對兩側端面進行機加工時，發(fā)現(xiàn)其中4 件零件的一側端面有類似裂紋類線性缺陷存在。該零件材料為：1Cr21Ni5Ti，原材料狀態(tài)為?300mm×695mm 棒材，領料檢查后進行鍛造，工藝流程為：鐓粗→沖孔→擴孔→輾環(huán)。鍛造工藝為：預熱700℃，加熱1100℃，終鍛溫度≥850℃。鍛件最終狀態(tài)如圖1 所示。

異形環(huán)鍛件的結構如圖所示，鍛件上端面內(nèi)外徑分別為?920mm、?1052mm，下端面內(nèi)外徑分別為?970mm、?1102mm。鍛件總高度為190mm。鍛件在機械加工過程中，上、下端面去除約10mm，上端面外徑單邊約11mm，內(nèi)徑上端面約單邊8mm。機械加工時在上端面發(fā)現(xiàn)缺陷位置見圖1，端面表面肉眼可見的裂紋進行超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)裂紋可探深度4mm～7.1mm。宏觀形貌如圖2 所示。

圖1 缺陷的產(chǎn)生位置

圖2 缺陷的宏觀形貌

2 成形過程分析及模型簡化

2.1 成形設備及模具裝配

模具包括芯輥、芯輥套、主輥、連接鍵、壓套、壓套螺母等零件，成形設備及裝配、芯輥套和主輥的模具圖如圖3、圖4 所示。

圖3 1M輾環(huán)機設備

圖4 模具裝配

2.2 成形過程及模型簡化

制環(huán)坯過程為鐓餅—沖孔—擴孔—成形。生產(chǎn)過程中制坯外徑為880mm，高度控制在183mm±2mm。在60kN 自由鍛電液錘鐓餅、沖孔，如圖5 所示，2M雙向輾環(huán)機擴孔成形預制坯，該設備可有效控制環(huán)件高度尺寸。最終輾壓成形在1M輾環(huán)機上進行?，F(xiàn)結合實際情況對成形設備及模具進行模型簡化，芯輥套、主輥、制環(huán)坯鍛件示意圖如圖6 所示。

圖5 模型簡化裝配圖

圖6 制環(huán)坯鍛件圖

采用逆向仿真方法，在滿足實際工況的約束前提下，從鍛件的尺寸和狀態(tài)逆向推出成形路徑。本文對缺陷進行分析，并通過DEFORM-3D 軟件進行數(shù)值模擬并逆向分析找出原因并優(yōu)化成形過程，避免該類問題復現(xiàn)并找出成形的最優(yōu)路徑。

3 分析與討論

3.1 成形中缺陷產(chǎn)生理論分析

通過實際工況可知，鍛件成形過程中，鍛件上端面外沿先與驅動軸接觸，下端面內(nèi)沿先與芯軸接觸，受力情況如圖7 所示。芯軸向內(nèi)側擠壓，同時驅動輥逆時針旋轉，形成順時針力矩，他們的綜合作用使得鍛件在成形過稱中有側向上升趨勢，一方面在與驅動輥上沿接觸后產(chǎn)生刮蹭現(xiàn)象；且成形結束容易使得環(huán)件端面表面形狀蝶形，出現(xiàn)蝶形缺陷，如圖8 所示。

圖7 環(huán)件初始階段受力示意圖

圖8 鍛件圖

由圖8 可知，鍛件的下端面內(nèi)孔邊緣處出現(xiàn)毛刺缺陷，毛刺缺陷在環(huán)件鍛件軋制中較為常見，產(chǎn)生原因較多。該環(huán)軋屬于半封閉性軋制，產(chǎn)生毛刺的原因可分為兩方面：①驅動輥與芯軸間隙過大，導致鍛件成形過程中，環(huán)件軸向流動進行間隙形成毛刺；②驅動軸進給量相對較小，在環(huán)件軋制變形中變形集中于內(nèi)外表面，金屬流動有軸向趨勢，且設備使用時間過長，放置環(huán)件的托料板位置高低不平，如圖9 所示，因各種影響因素相互交錯，致下端面產(chǎn)生較多毛刺缺陷。

圖9 托料板

3.2 優(yōu)化制坯設計

預制坯設計的依據(jù)是環(huán)件鍛件圖和體積不變條件及環(huán)件軋制金屬流動規(guī)律。由于環(huán)形鍛件為等壁厚的異形截面環(huán)件，金屬的徑向流動可近似為等速等量，可將預制坯設計為矩形截面環(huán)件毛坯，預制坯內(nèi)外徑尺寸依據(jù)公式（1）計算獲得：

式中：d0、D0、B0分別為預制坯的內(nèi)徑、外徑和高度；d、D 為成形環(huán)件的最小內(nèi)徑、最大外徑；B 為成形環(huán)件的高度；K 為輾擴比。取K 值為1.2，計算得出預制坯的內(nèi)徑為?660mm，外徑為?880mm，高度為184mm。為防止軋制成形時輾壓輥端蓋刮傷鍛件，及預制坯較易進入輾壓輥，將預制坯高度減小5，最終得到的擴張段I 段外壁后段環(huán)形鍛件預制坯尺寸為?940/?732×179mm。

3.3 數(shù)值分析

對異形環(huán)成形過程進行仿真分析。為深入分析成形過程中鍛件的應力、應變及損傷，在環(huán)件毛坯橫截面選擇5 個點進行追蹤以反映異形環(huán)件在成形過程中各不同部位的應力、應變及材料流動等，具體分布如圖10 所示。

圖10 環(huán)件截面點

圖11 為鍛件成形后與驅動輥和芯軸的接觸狀態(tài)及充型狀態(tài)，圖中沿邊界不同點為環(huán)件與模具接觸節(jié)點，由節(jié)點可知，工件與模具已完全接觸，中間沒有間隙，其中下面有輕微“魚尾”與實際生產(chǎn)相符，上端面外沿出現(xiàn)凸峰與前分析相吻合，下端面內(nèi)側有毛刺也和前文分析相一致。

圖11 環(huán)件成形接觸關系

圖12、圖13 為該環(huán)形鍛件的等效塑性應變變化曲線及截面等效塑性應變分布圖。圖14、圖15 為該環(huán)形鍛件的最大主應力變化曲線及截面最大主應力分布圖。通過對環(huán)形鍛件進行等效應變分析能夠了解環(huán)軋過程中不同部位在軋制中的變形情況，明晰環(huán)軋過程中金屬流動過程。所以在該異形截面環(huán)件軋制過程中，應變接觸部位主要集中在環(huán)件與軋輥接觸的部位。

圖12 環(huán)件的等效應變

圖13 截面等效應變分布

圖14 環(huán)件的最大主應力

圖15 截面最大主應力分布

由圖可知環(huán)件的上端面外測和下端面內(nèi)側的應變值及最大主應力均較大，由于環(huán)件成形過程中，鍛件上端面外沿、下端面內(nèi)先與芯軸接觸，成形過程中相對位置的應變較大，其他位置相對較小且一致。在軋制初始階段為鍛件整形階段，上端面軸向內(nèi)側擠壓和旋轉所形成順時針力矩影響，他們的綜合作用使得鍛件在成形過程中有側向上升趨勢，與驅動輥產(chǎn)生摩擦導致壓應力急劇變化。在整形階段完成后進入軋制階段時進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖16～圖19 為該環(huán)形鍛件的損傷、折疊角變化曲線及分布圖。對環(huán)形鍛件的損傷值及折疊角分析可以了解成形過程中金屬流動的危險點和缺陷易發(fā)處。由鍛件的損傷值和折疊角結合實際工況分析可知，軋制初始階段為鍛件整形階段，軸向跳動較大，再加上鍛造因加工或裝配問題導致驅動軸軸向跳動較大，此時若驅動軸進給量相對較小，在環(huán)件軋制變形中變形集中于內(nèi)外表面，金屬流動有軸向趨勢。環(huán)件產(chǎn)生毛刺，隨著環(huán)軋進行，毛刺積累，下端面損傷值變大，折疊角最大值也存在于該處。實際該異形環(huán)鍛件成形時主輥的上蓋板刮傷鍛件上端面現(xiàn)象，毛刺過多，毛刺嵌入鍛件本體，下端面因毛刺產(chǎn)生加上托料板不平整導致端面毛刺淤積，可能影響到后續(xù)鍛件的加工。異形環(huán)件成形過程金屬流動及環(huán)件與模具之間的接觸關系復雜，在實際生產(chǎn)過程中不能達到最理想成形狀態(tài)，波浪形（魚尾）、橢圓度、蝶形等缺陷均對材料消耗，如圖20 所示。鍛件在實際生產(chǎn)中的缺陷在實際的生產(chǎn)中可通過后續(xù)機械加工予以去除。

圖16 環(huán)件的損傷值

圖17 截面損傷分布

圖18 環(huán)件的折疊角

圖19 截面折疊角分布

圖20 環(huán)件軋制缺陷與材料消耗增加量的關系

經(jīng)過理論及模擬分析可知，在考慮現(xiàn)有的生產(chǎn)實際工況和成形設備條件等的約束下，因無端軋，鍛件上端面處于自由狀態(tài)，所以受到力矩作用，異形環(huán)件上端面外沿與驅動輥刮蹭現(xiàn)象無法避免。但通過仿真分析，在保證形狀尺寸能夠保證的前提下，對鍛件中間過渡尺寸進行優(yōu)化制坯環(huán)件時將外徑調(diào)整為?940mm，高度不變?？捎行p少缺陷產(chǎn)生。對理論分析進行有效性驗證，成形過程如圖21 所示。鍛件冷卻后如圖22 所示。最終經(jīng)過測量尺寸滿足要求，且上端面刮蹭現(xiàn)象變?nèi)?，下毛刺大幅度減少。在余量不變的情況下，機械加工余量充足，性能滿足要求。

圖21 環(huán)件的折疊角

圖22 優(yōu)化后鍛件

4 結論

（1）環(huán)件上表面的線狀缺陷為環(huán)軋過程中因上端面刮蹭驅動輥導致的折疊缺陷。

（2）折疊缺陷產(chǎn)生于終鍛成形階段，由端面“魚尾”和驅動輥刮蹭交互作用逐步轉變?yōu)檎郫B缺陷。下端面由成形過程中芯軸進給與驅動軸旋轉配合、下端面內(nèi)側毛刺與托料板不平整交互作用導致有毛刺粘結形狀環(huán)狀缺陷。

（3）通過對異形環(huán)件輾環(huán)成形進行數(shù)值模擬分析，有效復現(xiàn)和預測了工藝生產(chǎn)過程中的產(chǎn)生缺陷的原因和金屬材料內(nèi)部問題，優(yōu)化了異形環(huán)件輾環(huán)成形的工藝方案。

（4）通過仿真數(shù)值模擬分析，在保證鍛件形狀充滿及性能的前提下優(yōu)化鍛件過渡尺寸，減少芯軸軸向進給量，可有效減少缺陷產(chǎn)生；再結合粗車后進行超聲波在上下端面檢查等手段，可有效避免此類缺陷導致零件報廢。