GH4099合金整體模鍛件工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/馮曉艷，王哲，張帥，郭明輝·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

本文采用曲面分模方式將GH4099合金上下殼體兩個(gè)零件設(shè)計(jì)成整體模鍛件，并采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行成形模擬以及采用5t模鍛錘進(jìn)行鍛件生產(chǎn)，結(jié)果表明：采用本文設(shè)計(jì)的曲面分模整體模具可同時(shí)生產(chǎn)GH4099合金上下殼體兩個(gè)零件的鍛件，該工藝合理可行；模鍛件加工余量較小，廢品率較低，材料利用率高，有效提高經(jīng)濟(jì)效益；整體鍛造避免了由于上、下殼體焊接而產(chǎn)生的焊接缺陷，大大提高了整體使用性能。

GH4099是以Ni、Co為基體合金，采用W、Mo、Cr等合金元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化，Al、Ti元素為時(shí)效強(qiáng)化元素的一種典型的時(shí)效強(qiáng)化型鎳基高溫合金，該合金使用溫度可達(dá)1000℃，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，主要應(yīng)用于使用溫度不超過1000℃的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室零部件、加強(qiáng)筋以及飛行器固定件等零部件上。國內(nèi)外對(duì)GH4099合金進(jìn)行了深入研究，張海南對(duì)GH4099合金元素及固溶溫度對(duì)其組織與性能的影響關(guān)系進(jìn)行了研究；孫心寶研究了Mg元素在GH4099合金中的分布形態(tài)；張延生對(duì)GH4099鎳基合金焊接熱裂紋形態(tài)進(jìn)行了研究。

國內(nèi)外對(duì)GH4099合金的研究僅限于組織與性能的演變，而對(duì)其鍛造成形性能的研究相關(guān)報(bào)道較少。本文采用整體模鍛件對(duì)原兩個(gè)GH4099合金零件進(jìn)行鍛造生產(chǎn)，并采用曲面分模進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，對(duì)該GH4099合金鍛件成形性能進(jìn)行研究，對(duì)該類型整體模鍛件的生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

GH4099合金零件特點(diǎn)及整體模鍛件設(shè)計(jì)思路

GH4099合金零件特點(diǎn)

圖1為GH4099上、下殼體零件數(shù)模，由圖可知，該零件為兩個(gè)三通結(jié)構(gòu)，零件沿豎直軸線呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但下殼體的支管呈175°夾角，上、下殼體零件參數(shù)見表1。該零件原生產(chǎn)工藝采用兩個(gè)自由鍛件進(jìn)行焊接而成，該工藝路線材料利用率低、焊接部位缺陷較多，且焊縫部位力學(xué)性能明顯低于母材性能、生產(chǎn)周期較長。

圖1 零件數(shù)模

表1 上、下殼體零件參數(shù)

GH4099合金零件特點(diǎn)整體模鍛件設(shè)計(jì)思路

基于自由鍛件材料利用率低、后續(xù)機(jī)加工序周期長、焊接缺陷較多的缺點(diǎn)，為優(yōu)化鍛造工藝并避免焊接缺陷，縮短后續(xù)機(jī)加周期，本工藝采用模鍛方式將兩個(gè)零件進(jìn)行整體成形。整體模鍛件分模面設(shè)計(jì)在模鍛件最大截面處，考慮到模具的充填情況以及鍛件的形狀，將幾何形狀復(fù)雜，型槽較深的部位置于上模，采用曲面分模方式設(shè)計(jì)鍛件成形，以利于充填型槽。將上、下殼體進(jìn)行整體鍛造，整體模鍛件僅在上殼體端頭及下殼體底端面單邊增加2mm余量，其余均鍛造至零件圖尺寸。凸圓角選擇R2mm，凹圓角選擇R3mm，出模角5°，非加工尺寸公差按HB 6077-2008E級(jí)，錯(cuò)移、翹曲均小于0.8mm，整體模鍛件如圖2所示。

圖2 整體模鍛件

整體模鍛件設(shè)計(jì)

整體模鍛件成形難度較高，一般自由鍛制坯的荒型難以達(dá)到最終鍛件要求，且GH4099合金熱塑性較差，在模鍛過程中金屬沿模具型腔進(jìn)行流動(dòng)。因此，為了使模鍛過程中更好地使金屬無缺陷流動(dòng)，易于充填型槽，減小終鍛型槽磨損，該整體模鍛件的生產(chǎn)工藝采用預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)步驟進(jìn)行。

預(yù)鍛模鍛件圖設(shè)計(jì)

本工藝采用坯料在預(yù)鍛后再進(jìn)行終鍛生產(chǎn)，坯料在終鍛型槽中以鐓粗方式成形，預(yù)鍛型槽的高度尺寸比終鍛型槽大2～5mm，寬度則比終鍛型槽小1～2mm，橫截面面積應(yīng)比終鍛型槽相應(yīng)處截面積大1%～3%。根據(jù)以上原則，繪制出預(yù)鍛數(shù)模圖，如圖3所示。

圖3 預(yù)鍛模鍛件

鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GH4099合金整體模鍛件在5t模鍛錘上進(jìn)行鍛造，由于在錘鍛過程中，模鍛錘打擊速度較快，模具受力較大，鍛模一般采用整體結(jié)構(gòu)。而整體模鍛件對(duì)于錯(cuò)移要求比較嚴(yán)格，模具的鎖扣設(shè)計(jì)為150mm×100mm×100mm的四角鎖扣，鎖扣垂直面為3°的斜面，鎖扣間隙取自下模為0.5～1.0mm，端頭60mm高度處為0°，即模具設(shè)計(jì)鎖扣時(shí)設(shè)計(jì)一截直壁鎖扣，用以防止上下模在打擊過程中發(fā)生錯(cuò)移，鎖扣形狀如圖4所示。最終鍛件絕大部分為非加工，對(duì)于尺寸要求較為嚴(yán)格，考慮模具在使用過程中會(huì)發(fā)生磨損，在制作模具時(shí)尺寸按負(fù)公差一半計(jì)算并選擇1.3%的熱收縮率，延長模具壽命，模具設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 預(yù)鍛型槽鎖扣

圖5 整體模鍛件模具圖

整體模鍛件成形數(shù)值模擬及鍛件生產(chǎn)

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)——制造技術(shù)，對(duì)鍛件成形過程進(jìn)行模擬，可減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，提高工裝、模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短產(chǎn)品的研究生產(chǎn)周期。從鍛件數(shù)值模擬結(jié)果(圖6)可以得出，采用該模具成形可進(jìn)行GH4099合金整體模鍛件生產(chǎn)。

圖6 GH4099整體模鍛件數(shù)值模擬

采用5t模鍛錘進(jìn)行GH4099合金整體模鍛件生產(chǎn)，主要生產(chǎn)工藝為：下料后經(jīng)天然氣爐加熱，在5t模鍛錘上先進(jìn)行預(yù)成形，再最終成形。主要工藝參數(shù)有：鍛件的最大投影面積為0.235m2，體積為0.006m3，最終整體模鍛件重量G終鍛為47.26kg，預(yù)鍛件重量G預(yù)鍛為50.12kg，毛邊重量G毛約為4.17kg(注：按毛邊槽體積一半計(jì)算)，熱損量G損為1.74kg(注：加熱采用火焰加熱爐，按兩火計(jì)算燒損率，取1.50%×2)，下料重量G坯約為56.03kg，材料規(guī)格：φ180mm×260mm，材料利用率約為84.3%。

圖7為GH4099合金整體模鍛件實(shí)物，可以看出，采用本模具生產(chǎn)的GH4099合金鍛件表面無明顯裂紋、折疊等現(xiàn)象，且成形性能良好，滿足交付尺寸要求。

圖7 GH4099合金整體模鍛件實(shí)物

結(jié)束語

本文采用曲面分模方式將GH4099合金上下殼體兩個(gè)零件設(shè)計(jì)成整體模鍛件，并采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行成形模擬以及采用5t模鍛錘進(jìn)行鍛件生產(chǎn)，結(jié)果表明：采用曲面分模整體模具可同時(shí)生產(chǎn)GH4099合金上下殼體兩個(gè)零件，該工藝合理可行；采用本文設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行鍛件生產(chǎn)，模鍛件加工余量較小，材料利用率高，有效提高經(jīng)濟(jì)效益；整體鍛造避免了由于上、下殼體焊接而產(chǎn)生的焊接缺陷，大大提高了整體使用性能。