航天用高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)鍛件的生產(chǎn)工藝探究

文／陳鵬，武絡(luò)，車奇楠，閆利軍，于超·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司

高強(qiáng)度材料鍛件毛坯作為國(guó)家航空航天領(lǐng)域內(nèi)的重要零部件，其性能和過(guò)程質(zhì)量控制要求較為嚴(yán)格，鍛造及熱處理工藝技術(shù)要求更為嚴(yán)格。公司首次生產(chǎn)該類鍛件，為了確保高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)體毛坯的開發(fā)成功，從產(chǎn)品圖樣、工藝、生產(chǎn)過(guò)程、工裝、設(shè)備、檢驗(yàn)等各方面進(jìn)行了全面分析和質(zhì)量控制，使產(chǎn)品研制過(guò)程始終處于受控狀態(tài)。

產(chǎn)品概述

該航空航天高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)毛坯，是航空領(lǐng)域的重要零件之一。產(chǎn)品屬于深孔薄壁型結(jié)構(gòu)(圖1)，其使用性能和工藝性能要求較嚴(yán)，因此合理設(shè)計(jì)產(chǎn)品成形工藝成為該產(chǎn)品能否開發(fā)成功的關(guān)鍵。產(chǎn)品性能要求為：750MPa ≥Rm≥630MPa，520 ≥Rp0.2≥260MPa，65%≥Z ≥46%，30%≥A ≥20%。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

研制過(guò)程

毛坯設(shè)計(jì)

綜合分析根據(jù)該高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及精度要求進(jìn)行計(jì)算后，該鍛件壁厚與直徑比值t/D=0.192 ≤0.2，屬于4 級(jí)較復(fù)雜鍛件，得知該產(chǎn)品最終設(shè)計(jì)毛坯屬于精密級(jí)鍛件，最終設(shè)計(jì)的模鍛斜度不超過(guò)0.8°，內(nèi)腔公差為(-1.5，+0.6)，錯(cuò)移尺寸不超過(guò)1mm，表面無(wú)氧化皮坑，沿分模線殘留毛邊尺寸不超過(guò)2mm，為保證產(chǎn)品精度要求，設(shè)計(jì)采用閉式鍛造成形方法，并選取了能夠保證精度要求的2500t 級(jí)別的壓力機(jī)設(shè)備。

產(chǎn)品研制過(guò)程的主要難點(diǎn)和解決方案

⑴難點(diǎn)一：鍛件形狀復(fù)雜，成形困難、脫模困難。

該鍛件內(nèi)腔深、壁薄，其中孔的深度約為186 mm，壁厚約為14mm，屬于復(fù)雜類鍛件。鍛件生產(chǎn)中，薄壁處的熱能損失較快，溫降明顯，金屬流動(dòng)性逐漸變差，對(duì)產(chǎn)品整體充型較為不利。產(chǎn)品拔模斜度較小，不超過(guò)0.8°，成形過(guò)程中坯料和模具表面的摩擦較大，孔壁處溫降較快，容易使鍛件抱緊沖頭，導(dǎo)致鍛件脫模困難。

解決方案：在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮坯料的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，借助三維設(shè)計(jì)軟件及Deform-3D鍛造仿真技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，最終達(dá)到順利成形的預(yù)期效果。模擬參數(shù)的設(shè)置如表1 所示，終鍛的模擬結(jié)果如圖2 所示。

圖2 仿真模擬結(jié)果圖

表1 模擬參數(shù)設(shè)置

通過(guò)對(duì)最終確定的鍛造工藝方案進(jìn)行仿真模擬，得到鍛造過(guò)程中最大的打擊力為1420 噸，該鍛造力在設(shè)備打擊力范圍之內(nèi)，符合設(shè)備要求；模具與鍛件接觸面有明顯的溫降，產(chǎn)品最終成形完整，未產(chǎn)生相關(guān)折疊等缺陷，理論上認(rèn)為鍛造方案可行。

⑵難點(diǎn)二：一次變形量較大，需要充分的潤(rùn)滑來(lái)滿足產(chǎn)品的批量生產(chǎn)和模具壽命及上模沖頭終鍛后的順利脫模。

解決方案：為解決潤(rùn)滑過(guò)程中的難題，在坯料端頭車制了特殊的小盲孔結(jié)構(gòu)為鍛前潤(rùn)滑劑儲(chǔ)存?zhèn)}坯料結(jié)構(gòu)(圖3)，為一次鍛造成形完全做好充分潤(rùn)滑量準(zhǔn)備。

圖3 車制后的坯料

⑶難點(diǎn)三：鍛件的深孔結(jié)構(gòu)需要上模的沖頭結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，該結(jié)構(gòu)孔型高徑比超過(guò)3，為模具壽命最差的地方，因此需要綜合設(shè)計(jì)產(chǎn)品模具局部與整體的壽命設(shè)計(jì)。

解決方案：為保證該結(jié)構(gòu)壽命及加工制造的經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)該沖頭結(jié)構(gòu)采用了分離體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將沖頭與上模分別獨(dú)立設(shè)計(jì)后進(jìn)行組裝(圖4)，有效解決該產(chǎn)品模具的制造經(jīng)濟(jì)性和快速換產(chǎn)。

圖4 獨(dú)立沖頭結(jié)構(gòu)

⑷難點(diǎn)四：產(chǎn)品原材料較為特殊，加熱規(guī)范比較復(fù)雜，廠家對(duì)產(chǎn)品熱處理后性能要求高，為滿足產(chǎn)品性能要求，需要特別設(shè)計(jì)產(chǎn)品的熱處理工藝。

解決方案：依據(jù)產(chǎn)品性能要求和產(chǎn)品材料的特殊性，針對(duì)產(chǎn)品坯料鍛造加熱工藝，設(shè)計(jì)了經(jīng)低溫裝爐、預(yù)熱、加熱、均熱多階段的等溫正火、球化退火的熱處理工藝(圖5、圖6)，因產(chǎn)品壁薄，無(wú)法對(duì)本體取樣，依據(jù)客戶要求對(duì)該產(chǎn)品選取試樣同鍛件本體同爐熱處理進(jìn)行性能確認(rèn)。

圖5 等溫正火

圖6 球化退火

生產(chǎn)驗(yàn)證

經(jīng)生產(chǎn)安排，公司完成了該產(chǎn)品的首批次試生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)工藝技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤與調(diào)試，產(chǎn)品生產(chǎn)符合預(yù)期，產(chǎn)品樣件充型完全,經(jīng)檢驗(yàn)，產(chǎn)品所有尺寸均在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)范圍內(nèi)，產(chǎn)品精度符合要求；鍛件試樣在隨爐熱處理后依據(jù)GB/T 228-2010 加工技術(shù)要求，經(jīng)第三方檢測(cè)中心進(jìn)行了檢測(cè)，各項(xiàng)機(jī)械性能檢測(cè)指標(biāo)符合并優(yōu)于雙方簽訂技術(shù)協(xié)議要求。鍛件實(shí)物如圖7 所示。

圖7 航天高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)毛坯鍛件實(shí)物

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工藝試制及生產(chǎn)驗(yàn)證，工藝參數(shù)及工藝流程方案合理可行，可指導(dǎo)批量生產(chǎn)；現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備、工裝、檢測(cè)手段能夠滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求；試生產(chǎn)的航天高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)鍛件各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求，經(jīng)用戶試加工能夠滿足用戶要求，具備批量生產(chǎn)條件。