高合金葉片出坯與成形關(guān)系的研究

文／翟宏，黃貴林，詹輝·中車資陽機(jī)車有限公司

高合金系列葉片產(chǎn)品屬于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，其性能要求高，鍛造溫度區(qū)間狹窄，流動(dòng)性差，對(duì)設(shè)備、工藝、工裝都有很大的考驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)葉片廠家較少，主要受設(shè)備、技術(shù)的約束。本文以我廠開發(fā)系列葉片為基礎(chǔ)，重在研究葉片鍛造工序中葉片出坯與最終鍛造成形之間的關(guān)系，通過對(duì)不同種葉片型號(hào)進(jìn)行研究，分析鍛造成形及缺陷效果，將出坯進(jìn)行歸納和優(yōu)化，確定不同型號(hào)葉片對(duì)應(yīng)的出坯、簡(jiǎn)化，保證質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

我廠開發(fā)葉片已有二十余年，開發(fā)的葉片種類繁多，技術(shù)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，葉片鍛造工藝路線一般為：下料→出坯→鍛造→拋丸→打磨→熱處理→拋丸。

現(xiàn)狀調(diào)查

我廠開發(fā)葉片已具備豐厚經(jīng)驗(yàn)，但由于產(chǎn)品種類繁多，加之設(shè)計(jì)人員差異，致使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在出坯方面差異較大。分析發(fā)現(xiàn)，方形坯料在制作時(shí)需要考慮葉身厚度變化和偏心，出坯難度大，班組生產(chǎn)效率低。在出坯過程中，方形坯出坯時(shí)鍛造分料過程普遍存在折疊、尖角毛刺等缺陷，后工序打磨量大，打磨不徹底時(shí)模鍛易產(chǎn)生折疊。且葉片材質(zhì)多為合金鋼，對(duì)溫度要求較高，缺陷如不能在熱處理前消除，熱處理后極易造成缺陷擴(kuò)展形成裂紋，從而導(dǎo)致鍛件報(bào)廢。

分析研究

UG三維建模

由于葉片種類繁多，本次研究選取各系列葉片的代表型號(hào)進(jìn)行研究，通過UG8.0建立模型，分析比對(duì)各個(gè)葉片的異同，如圖1、圖2、圖3所示。

分析截面

圖1 A型

圖2 B型

圖3 C型

圖4 截面位置選取圖

圖5 截面分析圖

葉片的截面可以直觀反映葉片該位置實(shí)際生產(chǎn)所用坯料重量以及出坯時(shí)的尺寸大小，以圖1A型代表葉片為例，我們?nèi)∪~片五個(gè)不同位置分析截面變化，選取截面位置如圖4所示，通過對(duì)比分析，得到各個(gè)位置截面面積如表1所示。

取葉片葉身最大截面/葉片桿身最大截面，得到截面比KA=S葉max/S桿max=20842/6362=3.3。

分析葉片截面面積，選取最大截面位置按分模面法線方向進(jìn)行縱向切割，如圖5所示：我們可得到，相對(duì)于葉片軸線方向，左邊面積S1=9278mm2，右邊面積S2=11558mm2，SA=S1/S2≈1，我們假設(shè)得出一個(gè)結(jié)論，葉片左側(cè)厚但是較短，右側(cè)雖然薄但是整體較長(zhǎng)，整個(gè)葉片在鍛造中左右兩區(qū)相對(duì)應(yīng)軸線左右對(duì)稱。通過數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)一采用圓形坯料出坯進(jìn)行出坯設(shè)計(jì)方案是可行的。

出坯設(shè)計(jì)

將上面所取5個(gè)截面對(duì)應(yīng)圓棒料進(jìn)行截面轉(zhuǎn)化，得到如表2所示數(shù)據(jù)。

為保證驗(yàn)證更接近于真實(shí)值，避免測(cè)量誤差帶來的額外干擾，我們進(jìn)行精確細(xì)化測(cè)量。以葉身70mm為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量葉身不同位置準(zhǔn)確截面，繪制坐標(biāo)系，得到圖6所示數(shù)據(jù)。

根據(jù)對(duì)應(yīng)截面圓直徑，推算出坯尺寸，加上燒損(3%)和飛邊連皮(橋部+1/2倉部)，得到最終出坯圖。當(dāng)鍛件過大時(shí)，為保證出坯件在型腔內(nèi)易于擺放，可將鍛件出坯完成后在型砧上進(jìn)行輕擊拍扁，方便擺料。最終成形出坯圖如圖7所示。

表1 葉片截面分析表

圖6 葉片位置-截面直徑對(duì)比圖

生產(chǎn)驗(yàn)證

奧氏體和鐵素體不銹鋼，在加熱和冷卻過程中無相的重結(jié)晶轉(zhuǎn)變，鍛件晶粒度的控制主要取決于始鍛和終鍛溫度，以及終鍛溫度下的變形量的控制，熱處理無法使晶粒細(xì)化。奧氏體和馬氏體不銹鋼的鍛造加熱溫度主要受高溫鐵素體(δ鐵素體)形成溫度的限制，當(dāng)鋼的加熱溫度超過此溫度時(shí)，鋼中原有的游離鐵素體（α鋼)的含量就會(huì)顯著增多，將由（γ+δ)兩相組成，在α相和γ相的界面上產(chǎn)生鍛造裂紋。

此次選取A型材質(zhì)為2Cr13，始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃，鍛造保溫溫度750℃，具體如表3所示。

實(shí)物如圖9、圖10所示，經(jīng)驗(yàn)證，鍛件充滿情況良好，飛邊勻稱，鍛件所有棱角充滿，無折疊等缺陷產(chǎn)生，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖7 出坯示意圖

圖8 鍛造溫度-時(shí)間曲線

表2 葉片位置截面直徑表

表3 鍛造溫度-時(shí)間表

圖9 A型出坯圖

圖10 A型鍛件

采用同種分析方式，對(duì)B型和C型葉片進(jìn)行分析，得到B型所對(duì)應(yīng)K2=3898/1565=2.5，C型對(duì)應(yīng)K3=5184/642=8.1。

沿分模面法線方向和葉片中心軸線成面進(jìn)行切割，可得到B型和C型葉片切割后對(duì)應(yīng)所有位置截面之比完全一致，SB=S3/S4=1，SC=S5/S6=1。因此，這兩種葉片均可以采用圓棒坯料進(jìn)行分料鍛造。

B型和C型葉片的出坯實(shí)物如圖11～14所示。

結(jié)論

產(chǎn)品經(jīng)后工序拋丸、打磨、探傷處理，無缺陷產(chǎn)生，相比于方形坯料，圓形坯料出坯效率和鍛件質(zhì)量均有了明顯提升，效率提升1.8～2倍，解決了方坯易產(chǎn)生夾層、折疊和生產(chǎn)效率低的問題。因此我們可得結(jié)論，對(duì)于葉身扭度不大的葉片，在鍛造時(shí)均可采用圓形出坯方式進(jìn)行。

圖11 B型出坯

圖12 B型模鍛件

圖13 C型出坯

圖14 C型模鍛件

⑴當(dāng)葉身和葉頭/榫頭位置截面變化≤1.5時(shí)，可采用B型葉片出坯方式進(jìn)行鍛造。

⑵當(dāng)葉身和葉頭/榫頭位置截面變化1.5＜S＜3時(shí)可采用A型葉片出坯方式進(jìn)行局部拔長(zhǎng)/鐓粗拔長(zhǎng)鍛造。

⑶當(dāng)葉身和葉頭/榫頭位置截面變化S≥3時(shí)，可采用C型出坯方式進(jìn)行鍛造。