飛機用1Cr17Ni2不銹鋼螺栓鍛件的成形方案優(yōu)化

文/曹鎮(zhèn)君·空軍裝備部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室

韓志飛，施文鵬·江西景航航空鍛鑄有限公司

為解決飛機用1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件表面質(zhì)量差、鍛造工序多、模具壽命低的問題，基于DEFROM 數(shù)值模擬軟件對飛機用1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件鍛造過程進行研究。結(jié)果表明：通過增加預鍛，減少鍛件對終鍛型腔的磨損，提高了模具的使用壽命。通過使用抱切模進行切邊，保證了切邊質(zhì)量，實現(xiàn)了一火次鍛造。采用優(yōu)化工藝的試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，模具壽命得到了顯著提高，產(chǎn)品的各項指標均滿足要求。

1Cr17Ni2 不銹鋼屬于馬氏體不銹鋼，一般經(jīng)淬回火后在400℃下使用，具有較優(yōu)的力學性能、耐腐蝕性能以及機械加工性能。國內(nèi)外學者對1Cr17Ni2 不銹鋼成分的控制、耐腐蝕性能以及鍛件工藝做了大量研究，結(jié)果表明：1Cr17Ni2 不銹鋼在900℃以上有良好的塑性，其塑性是由動態(tài)再結(jié)晶完成程度及體積分數(shù)決定的，動態(tài)再結(jié)晶越充分，1Cr17Ni2 不銹鋼塑性就越好。

1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓傳統(tǒng)鍛造工藝

由圖1、圖2 可以看出，1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件屬于長軸類鍛件，廣泛應用于各類軍、民用飛機上，并且每架飛機上的應用數(shù)量巨大。鍛件形狀為兩個圓柱交叉，其中，φ6.8mm 圓柱面為非加工面，鍛件外形尺寸公差要求較高。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工序見圖3，可以看出，鍛造環(huán)節(jié)工序較多，存在過程控制不穩(wěn)定現(xiàn)象；另一方面，生產(chǎn)工序較多且產(chǎn)品的數(shù)量巨大，導致鍛件生產(chǎn)成本急劇上升。

圖1 螺栓鍛件圖

圖2 螺栓三維造型

圖3 傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工序

采用傳統(tǒng)鍛造工藝生產(chǎn)的1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件存在報廢率高，生產(chǎn)周期長，模具壽命短等情況，通過對前期公司內(nèi)生產(chǎn)螺栓鍛件的合格率、生產(chǎn)周期以及模具壽命等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可知，用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件會造成大量的成本浪費。

優(yōu)化后的鍛造工藝方案

通過對1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件傳統(tǒng)鍛造工藝方案分析可知，造成生產(chǎn)工序繁多的因素主要有以下幾點：鍛造一火后鍛件欠壓量較大，鍛件不符合圖樣要求；鍛后切邊存在大量拉毛刺的現(xiàn)象，需要人工打磨去除毛刺，影響了生產(chǎn)效率，提高了人工生產(chǎn)成本；鍛造過程中模具極易失效，鍛件形狀尺寸不符合要求；切邊過程使鍛件產(chǎn)生翹曲，需要增加校正工序來消除鍛件翹曲；校正工序中的加熱過程易產(chǎn)生氧化皮且不易去除，影響鍛件表面質(zhì)量。

由此可知，最根本的問題主要集中在：第一，鍛造模具的使用壽命以及一火后的鍛件尺寸情況；第二，鍛件切邊時，長桿類鍛件極易產(chǎn)生鍛件翹曲，不得不增加校正工序?，F(xiàn)對鍛造模具以及切邊模具進行優(yōu)化，并基于DEFORM軟件對優(yōu)化后的工藝進行仿真模擬，通過模擬結(jié)果進一步對模具尺寸進行優(yōu)化。

模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設計出預鍛型腔，預鍛型腔的主要結(jié)構(gòu)與終鍛類似，主要對預鍛型腔的毛邊結(jié)構(gòu)以及鍛件凹圓角處進行優(yōu)化，增大凹圓角，避免金屬的劇烈流動造成模具壽命的降低。預鍛型腔的主要作用為：使主要變形在預鍛型腔上，減少終鍛型腔的磨損，保證鍛件的使用壽命；將多余的金屬通過預鍛排出，最后在終鍛型腔上進行打靠，保證鍛件欠壓量在可控制范圍內(nèi)。

抱切模的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件的結(jié)構(gòu)特點，進行抱切模設計，根據(jù)沖壓手冊上的落料沖孔復合模以及鍛件的實際情況，1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件抱切模具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 首次設計的抱切模裝配圖

工作原理：終鍛之后的鍛件(帶毛邊）放到下頂芯上(頂芯根據(jù)鍛件形狀進行制造，保證鍛件平穩(wěn)），啟動切邊壓力機；最先由陽模和鍛件接觸，接觸后陽模繼續(xù)向下移動，陽模與陰模對鍛件毛邊部分進行剪切，切除鍛件毛邊；當設備到達下死點，陽模與陰模完成切邊，設備帶著陽模上行，鍛件在下彈簧的回復力作用下頂出陰模，最后用鉗子夾取鍛件以及毛邊。抱切模的主要作用是控制1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件的翹曲，避免增加校正工序。

數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)上述問題分析，增加預鍛型腔來減少終鍛型腔的磨損，保證產(chǎn)品質(zhì)量。基于DEFORM 有限元數(shù)值模擬軟件，模擬終鍛型腔的磨損情況，對比直接成形模具與預鍛、終鍛模具磨損深度。

表1 通用鍛造工藝參數(shù)

圖5 為直接終鍛的上下模具型腔的磨損深度分布圖，由圖可以看出上模磨損深度最大數(shù)值為0.00614mm，下模磨損深度最大數(shù)值為0.00622mm，下模磨損深度數(shù)值高于上模，因為下模首先接觸坯料，導致下模型腔溫度高于上模，在成形過程中，下模更易磨損。

圖5 直接終鍛模具磨損深度分布

圖6 為預鍛終鍛的上下模具型腔的磨損深度分布圖，由圖可以看出上模磨損深度最大數(shù)值為0.00373mm，下模磨損深度最大數(shù)值為0.00370mm，磨損深度小于直接成形的模具。

圖6 預鍛終鍛模具磨損深度分布

由上述分析可知，預鍛、終鍛成形模具的合理選擇對模具壽命有顯著的提升，為后續(xù)批量生產(chǎn)1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件提供了穩(wěn)定的保障。

最終優(yōu)化后的鍛造工藝流程

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝改進優(yōu)化，優(yōu)化后的螺栓鍛造工藝流程見圖7，通過增加預鍛以及增加抱切模的設計可以減少大量的鍛后打磨工作以及校正工序增加的成本浪費，有效地減少了產(chǎn)能浪費，提高了生產(chǎn)效率。

圖7 優(yōu)化后工藝生產(chǎn)工序

優(yōu)化后批量生產(chǎn)驗證

對優(yōu)化后的工藝方案進行樣件試制，試制產(chǎn)品見圖8。經(jīng)過優(yōu)化后的工藝生產(chǎn)出的鍛件毛邊、表面質(zhì)量以及鍛件質(zhì)量符合要求，同時，模具壽命也得到了顯著地提高。

圖8 工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的鍛件

結(jié)論

⑴基于DEFORM數(shù)值模擬軟件對模具磨損進行分析，后經(jīng)生產(chǎn)試制，試制結(jié)果與模擬結(jié)果吻合，實際生產(chǎn)驗證了模擬結(jié)果的準確性。

⑵利用優(yōu)化后的工藝方案生產(chǎn)多批次鍛件，根據(jù)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的鍛造工藝生產(chǎn)的鍛件表面質(zhì)量良好，減少了大量的打磨工作。其余的各項指標也符合標準要求。優(yōu)化工藝方案合理、可行，可為同類型鍛件的鍛造工藝提供設計思路。