提高2A14鋁合金筒形鍛件力學(xué)性能的優(yōu)化方案

岳戰(zhàn)國(guó)，王宏儒，楊瑞瑞，崔啟玉

(1.西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 西安 713100；2.北京創(chuàng)聯(lián)智軟科技有限公司，北京 100020)

1 產(chǎn)品情況簡(jiǎn)介

機(jī)輪緣是飛機(jī)上機(jī)輪剎車系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，該零件為2A14鋁合金筒形鍛件，飛機(jī)在起飛和著陸過(guò)程中機(jī)輪承受較大的載荷和沖擊，因此設(shè)計(jì)部門對(duì)該零件的綜合力學(xué)性能要求比較高。該零件在生產(chǎn)過(guò)程中力學(xué)性能檢查取樣位置及性能要求見(jiàn)圖1和表1。該零件的鍛件圖及尺寸如圖2所示，鍛件在生產(chǎn)過(guò)程中，其2#取樣位置的力學(xué)性能常出現(xiàn)不合格而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，給生產(chǎn)帶來(lái)很大影響。

圖1 取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling location

表1 鍛件的力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical performance requirements of forging specimens

圖2 鍛件圖及尺寸(單位：mm)Fig.2 Forging drawing and dimensions(mm)

2 鍛件力學(xué)性能不合格原因分析

鍛件結(jié)構(gòu)和鍛造工藝方法是影響鍛件組織流線和力學(xué)性能的主要因素，因此，在這里主要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝方法方面進(jìn)行分析。

對(duì)于圖2所示的鍛件，現(xiàn)有的鍛造工藝是采用有連皮反擠成形。生產(chǎn)該鍛件可以采用兩種坯料進(jìn)行反擠成形，即餅形坯和環(huán)形坯。餅形坯料自身在自由鍛造過(guò)程中變形就不夠充分，而且在模鍛成形后鍛件的流線不順暢。因此，生產(chǎn)時(shí)采用環(huán)形坯料進(jìn)行模鍛。環(huán)形坯料由于在自由鍛時(shí)經(jīng)過(guò)“鐓粗-沖孔-擴(kuò)孔”等工序，金屬變形充分，流線順暢。采用Q-form軟件對(duì)該鍛件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助分析，如圖3所示。

從圖3a可以看出，鍛件流線順暢沒(méi)有明顯的渦流或穿流現(xiàn)象。從圖3b塑性應(yīng)變分布可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)形坯料在鍛造過(guò)程中變形很不均勻，與上模接觸的筒內(nèi)壁塑性變形大，外側(cè)與下模接觸的位置材料變形小，基本上保持自由鍛環(huán)坯的狀態(tài)。主要原因是采用環(huán)形坯料鍛造成形這種有連皮的鍛件時(shí)，鍛造成形過(guò)程中上模逐漸下壓，上模先與環(huán)形坯料的內(nèi)側(cè)材料接觸，坯料內(nèi)側(cè)的材料隨著上模下行而參與成形，金屬材料主要以內(nèi)側(cè)向中心連皮處流動(dòng)，隨著連皮處金屬充型其阻力逐漸增大，然后金屬逐漸向下、向外上沿流動(dòng)，最終充滿模腔。從圖3c等效應(yīng)變分布可以看出產(chǎn)品受壓應(yīng)力，小端應(yīng)力較小是由于金屬材料在變形過(guò)程中流至此處后形成“死區(qū)”，金屬不再進(jìn)行變形或很少變形所致；多余的毛邊流出，所以上端模具間隙處材料表現(xiàn)最劇烈。從圖3可以明顯看出，采用該環(huán)形坯料鍛造成形的鍛件，其2#試樣位置存在明顯變形不均勻現(xiàn)象，鍛件內(nèi)腔與模具接觸的部位有較大變形，其余部位基本保持環(huán)形坯自由鍛的狀態(tài)，再加上模鍛過(guò)程中材料空燒。因此這種鍛造工藝方案不夠合理，其鍛造成形的鍛件的力學(xué)性能容易發(fā)生不合格現(xiàn)象。也就是說(shuō)，模鍛時(shí)金屬材料變形不充分、不均勻是造成產(chǎn)品力學(xué)性能不合格的主要原因。

圖3 鍛件的有限元分析結(jié)構(gòu)Fig.3 Finite element analysis structure of the forging

3 結(jié)構(gòu)及工藝方法優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)及工藝方案確定及分析

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品也可以采用旋壓、異性輾環(huán)等方式進(jìn)行鍛件生產(chǎn)。但是從提高產(chǎn)品綜合力學(xué)性能方面考慮，結(jié)合我們公司設(shè)備的情況，在這里只討論采用油壓機(jī)設(shè)備擠壓模鍛成形對(duì)鍛件力學(xué)性能的影響。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)該產(chǎn)品的鍛件可進(jìn)行三種不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖4a、b、c分別表示有連皮正擠成形、無(wú)連皮正擠成形和無(wú)連皮“正擠+翻邊”成形。下面就這三種鍛件結(jié)構(gòu)及成形方案進(jìn)行分析。

圖4 三種優(yōu)化方案示意圖Fig.4 Diagram of three optimization schemes

方案一：如圖4a，采用有連皮正擠成形。生產(chǎn)該鍛件可采用兩種坯料進(jìn)行模鍛，即餅形坯和環(huán)形坯。采用餅形坯，需要的設(shè)備噸位大、材料利用率低，而且大量的金屬需要向筒壁底流動(dòng)，這樣金屬的流線不順暢。采用環(huán)形坯，一部分金屬向筒壁底流動(dòng)，另外一部分金屬向中心連皮處流動(dòng)，金屬流動(dòng)順暢，鍛造壓力小，材料利用率高。因此，在討論該方案模鍛時(shí)決定采用環(huán)坯進(jìn)行模鍛。采用Q-form鍛造成形仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)的工藝方法進(jìn)行輔助分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 采用有連皮正擠成形Fig.5 Forward extrusion with wad

從圖5a可以看出，鍛件筒壁位置(2#取樣位置)金屬材料的變形比較充分，輪緣位置變形一般，金屬材料在整個(gè)變形過(guò)程中由于摩擦因素、模具過(guò)渡R角結(jié)構(gòu)因素等[1]，產(chǎn)品筒壁位置變形量表現(xiàn)為表面變形大、內(nèi)部零件本體上變形量一般。從圖5b應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)成形過(guò)程中金屬主要向筒壁下方流動(dòng)，金屬材料受壓應(yīng)力，其中筒壁和輪緣處承受的壓力大，中心連皮處金屬可以向中心流動(dòng)，承受的壓力小。

方案二：如圖4b，采用無(wú)連皮正擠成形。生產(chǎn)該鍛件只能采用環(huán)形坯料進(jìn)行正擠。采用仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)的工藝方法進(jìn)行輔助分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6a可以看出，鍛件筒壁位置(2#取樣位置)金屬材料的變形比較充分，輪緣位置變形也比較充分，輪緣位置的變形較圖5a要大很多。鍛件整個(gè)變形較充分的正好是在零件本體上。從圖6b應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)成形過(guò)程中金屬主要向筒壁下方流動(dòng)，金屬材料受壓應(yīng)力，整個(gè)鍛件受力比較均勻。

圖6 采用無(wú)連皮正擠成形Fig.6 Forward extrusion without wad

方案三：如圖4c，采用無(wú)連皮“正擠+翻邊”成形。生產(chǎn)該鍛件只能采用環(huán)形坯料進(jìn)行正擠。該結(jié)構(gòu)及工藝方法的分析如圖7所示。

圖7 采用無(wú)連皮“正擠+翻邊”成形Fig.7 Forward extrusion and flanging forming without wad

采用無(wú)連皮“正擠+翻邊”成形方法生產(chǎn)時(shí)，環(huán)形坯料高度尺寸比較大，成形時(shí)鍛件筒壁位置的金屬直接放入，上部輪緣位置材料主要是由環(huán)形坯上端的坯料通過(guò)“鐓粗+翻邊”來(lái)進(jìn)行填充的。由于環(huán)形坯的截面積小、高度大，上模在下壓過(guò)程中材料失穩(wěn)產(chǎn)生折疊，折疊分布在輪緣外側(cè)過(guò)渡R處，缺陷深度約3 mm。整個(gè)鍛件輪緣位置(1#取樣位置)變形比較充分，筒壁變形一般，主要保留環(huán)形坯自由鍛時(shí)的變形量。

3.2 塑性變形有限元分析

從圖8容易觀察，方案一和方案二兩種結(jié)構(gòu)鍛件在成形過(guò)程中筒壁位置(2#取樣位置)金屬流動(dòng)充分，相比較而言方案二的變形更充分、更均勻，輪緣位置(1#取樣位置)變形一般，方案二的鍛件的零件本體部分變形效果較方案一的好。方案三生產(chǎn)時(shí)鍛件外R過(guò)渡處存在嚴(yán)重折疊，筒壁位置金屬在模鍛過(guò)程中基本不變形。因此，方案二更優(yōu)。

圖8 三種鍛件成形方案的塑性變形圖Fig.8 Plastic deformation diagrams of three forging forming schemes

將取樣位置塑性應(yīng)變和所受應(yīng)力情況進(jìn)行梳理，見(jiàn)表2。從表2模擬結(jié)果分析的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，與方案一、方案三相比較，方案二的塑性應(yīng)變范圍相對(duì)均勻，且1#、2#取樣位置的塑性應(yīng)變均較大，應(yīng)力范圍相對(duì)較窄，分布相對(duì)均勻[2]。

表2 模擬結(jié)果分析表Table 2 Analytical table of simulation result

4 試制與討論

根據(jù)模擬仿真分析結(jié)果可知道方案二的鍛件結(jié)果最合理。采用成形方案二“無(wú)連皮正擠成形”，鍛件的2#取樣位置變形更充分，更均勻。

采用該方案進(jìn)行鍛件試制，主要工藝流程為：下料-鐓粗、沖孔-擴(kuò)孔-模鍛-熱處理-檢驗(yàn)，見(jiàn)圖9。

圖9 試制主工藝流程Fig.9 Main process flow of trial production

試制鍛件的力學(xué)性能如表3所示。

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of mechanical performance test results

從試制結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、工藝后鍛件的力學(xué)性能得到了明顯提高，完全達(dá)到目標(biāo)值的要求。以前鍛件筒壁上2#取樣位置的力學(xué)性能不合格問(wèn)題現(xiàn)在得到了解決。

5 結(jié) 論

采用無(wú)連皮正擠模鍛成形的方法能夠提高2A14鋁合金筒形鍛件筒壁位置的力學(xué)性能。增加金屬材料局部的變形量，能夠有效改善鍛件取樣位置的力學(xué)性能，使筒形鍛件局部位置取樣力學(xué)性能不合格的問(wèn)題得到了解決。