A286高溫合金十二角法蘭面螺栓多工位冷鐓成形工藝*

鄭鵬輝 關(guān)悅 許吉星 付建建 趙文龍 高程 劉樂(lè)

（①河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 信陽(yáng) 464000；②河南航天精工制造有限公司，河南 信陽(yáng) 464000）

隨著市場(chǎng)對(duì)緊固件安裝使用環(huán)境需求及質(zhì)量可靠性的不斷提高，若在可鍛溫度下利用專(zhuān)用模具使坯料發(fā)生塑性變形并充填模具型腔來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓的頭部精密成形，除了提高成形效率外，還可以使金屬材料的晶粒流線(xiàn)不被破壞，提高螺栓的強(qiáng)度。因此，對(duì)于鐓鍛成形工序的研究顯得尤為重要，掌握近凈成形技術(shù)也尤為關(guān)鍵[1?2]。A286高溫合金十二角頭法蘭面螺栓擠壓成形作為緊固件近凈成形典型產(chǎn)品，由于A286材料擁有良好的機(jī)械性能，該材料緊固件廣泛應(yīng)用于航天、航空和汽車(chē)制造等領(lǐng)域，在高端緊固件市場(chǎng)占有相當(dāng)大的份額[3?4]。A286高溫合金材料在700 ℃環(huán)境下，擁有良好的強(qiáng)度、耐蝕性、抗氧化性能和優(yōu)于奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度，但該材料冷作硬化嚴(yán)重，變形強(qiáng)度高、韌性大和成形難度大，目前國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的近凈成形研究及生產(chǎn)較少。

本文針對(duì)某航天用A286高溫合金十二角法蘭面螺栓，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種多工位冷鐓成形工藝，采用數(shù)值模擬軟件Deform-3D對(duì)該成形工藝過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，最后在多工位冷鐓機(jī)上進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)冷鐓工藝次數(shù)，可以在模具許用應(yīng)力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)A286高溫合金十二角法蘭面螺栓的冷鐓成形，工藝試驗(yàn)得到的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓鍛件充填飽滿(mǎn)，和模擬結(jié)果一致性較好，對(duì)該類(lèi)零件及其他相似零件的多工位冷鐓成形具有指導(dǎo)意義。

1 A286高溫合金室溫力學(xué)性能

1.1 A286合金化學(xué)成分

A286是一種鐵-鉻-鎳基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼等進(jìn)行強(qiáng)化。該合金在700 ℃以下具有較高屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，并且具有良好的加工塑性和焊接性能。適合制造在700 ℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力部件，如渦輪盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等[5?6]，如表1所示為A286高溫合金化學(xué)成分。

表1 A286高溫合金化學(xué)成分(%)

1.2 A286室溫下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

本文擬采用Deform-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)A286高溫合金十二角螺栓多工位冷鐓成形工藝進(jìn)行模擬，由于材料庫(kù)中沒(méi)有該材料在室溫下的流變曲線(xiàn)，因此需要通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)得到其室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到Deform-3D材料庫(kù)中，基于Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，變形溫度為室溫，應(yīng)變速率分別為0.1 s?1、1 s?1和10 s?1，得到A286高溫合金在室溫下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 不同應(yīng)變速率下A286高溫合金的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2 冷鐓成形工藝方案制定

2.1 零件工藝分析

如圖2所示為A286高溫合金十二角法蘭面螺栓鍛件圖，該零件為軸對(duì)稱(chēng)零件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可分為上下2個(gè)部分，上部由十二角頭及法蘭面組成，下部分為螺栓桿部。螺栓頭部形狀復(fù)雜，上部分為十二角頭形狀，下部分為法蘭面，法蘭面與螺栓桿部的截面差比較大，在成形過(guò)程中容易產(chǎn)生折疊缺陷，十二角的角由于比較尖銳，成形過(guò)程容易造成充填不滿(mǎn)缺陷。

圖2 A286高溫合金十二角螺栓鍛件圖

2.2 多工位冷鐓工藝制定

首先根據(jù)A286高溫合金十二角法蘭面螺栓鍛件圖，計(jì)算出其體積，根據(jù)等截面原則和國(guó)標(biāo)GB/T 18685—2002表查出毛坯直徑6.75 mm；最后根據(jù)等體積法計(jì)算得出原始坯料的長(zhǎng)度38.2 mm[7?8]。冷鐓成形工藝一般都需要2次以上的鐓鍛才能成形最終的產(chǎn)品，每道次的坯料形狀、變形程度等都是影響冷鐓工藝的重要因素，因此需要合理設(shè)計(jì)和分配每道次的變形量[9?10]，利用現(xiàn)有冷鐓機(jī)特點(diǎn),可增加變形工位,以減小鐓鍛力,降低成形的難度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終制定如下冷鐓工藝：第一工位是螺栓頭部鐓粗聚料；第二工位是十二角頭預(yù)成形，第三工位切圓成形十二角頭，是本成形工藝的難點(diǎn)，第四工位為十二角整型及法蘭面的成形。如圖3所示為A286十二角螺栓多工位冷墩工藝簡(jiǎn)圖。

圖3 A286高溫合金十二角螺栓多工位冷鐓工藝簡(jiǎn)圖

3 冷鐓成形工藝過(guò)程的數(shù)值模擬及結(jié)果分析

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程技術(shù)人員開(kāi)始利用數(shù)值模擬軟件來(lái)進(jìn)行多工位冷鐓成形工藝的動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)有限元模擬，可以揭示冷鐓變形機(jī)理、可以很直觀地觀察金屬流動(dòng)規(guī)律、等效應(yīng)力場(chǎng)分布和載荷-時(shí)間曲線(xiàn)等，通過(guò)不斷優(yōu)化工藝，最終得出合理的工藝參數(shù)，為設(shè)備選型和工藝試驗(yàn)及生產(chǎn)提供指導(dǎo)，從而有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[11?14]。

3.1 有限元模型的建立

首先利用SolidWorks對(duì)坯料及各個(gè)工位的模具進(jìn)行建模、裝配，保存為STL格式，然后將其導(dǎo)入到Deform-3D數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算。材料選用導(dǎo)入的A286高溫合金，在多工位成形過(guò)程中不考慮模具的變形，設(shè)為剛性體。由于A286高溫合金十二角法蘭面螺栓多工位冷鐓成形屬于金屬冷塑性變形，選用剪切摩擦類(lèi)型，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.08。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為80 000個(gè)，沖頭速度設(shè)置為70 mm/s。如圖4所示為第一工位冷鐓有限元模型，主要有上沖頭、上凹模、坯料、下凹模和頂桿組成。具體工藝流程為：上凹模下行到設(shè)定位置后停止，上沖頭以設(shè)定速度下行到設(shè)定位置后停止，上凹模和上沖頭退回到初始位置，頂桿向上運(yùn)動(dòng)將第一工位坯料頂出，進(jìn)入下一工位。

圖4 第一工位冷鐓有限元模型

3.2 載荷-行程曲線(xiàn)

圖5為A286高溫合金十二角法蘭面螺栓多工位冷鐓成形過(guò)程中各工位上沖頭的載荷-時(shí)間曲線(xiàn)。從圖中可以看出，上沖頭載荷和變形程度關(guān)系密切，變形程度越大，上沖頭載荷越大。各個(gè)工位曲線(xiàn)基本都是先緩慢增加，然后急劇上升，主要是因?yàn)楦鞴の粍傞_(kāi)始階段，模具與各工位坯料接觸之后，坯料大部分材料尚處于彈性變形階段，局部產(chǎn)生塑性變形，金屬與型腔內(nèi)壁并未完全接觸，因此載荷較小。而隨著變形程度的增加，金屬逐漸充滿(mǎn)型腔，金屬與模具型腔的接觸面積越來(lái)越大，摩擦力也越來(lái)越大，金屬流動(dòng)越來(lái)越困難，因此載荷增大，材料進(jìn)入全塑性變形階段，完成該工位毛坯的成形。此外，從圖中可以看出，第一工位和第四工位上沖頭載荷較大，主要是因?yàn)檫@兩個(gè)工位的變形量較大。成形最后階段，第一工位到第四工位上沖頭載荷分布為1.51×105N、5.88×104N、2.32×104N和9.48×104N。通過(guò)載荷分析，可以提前預(yù)測(cè)實(shí)際需要的成形力，根據(jù)成形力的大小選擇合適噸位的多工位冷鐓機(jī)。

圖5 各工位上沖頭的載荷-行程曲線(xiàn)

3.3 等效應(yīng)力場(chǎng)分布

等效應(yīng)力是坯料受到外力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，坯料在各個(gè)部分相互作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，圖6為各工位坯料的等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出，各個(gè)工位成形時(shí)應(yīng)力變化是不均勻的。在第一工位，應(yīng)力主要集中在上端變形區(qū)域，第一工位主要為材料鐓粗變形過(guò)程，應(yīng)力分布比較均勻。第二工位應(yīng)力主要集中在頭部，該工位主要為頂鐓過(guò)程，上沖頭逐漸與坯料接觸直到充滿(mǎn)模具型腔，應(yīng)力值逐漸增大。第三工位應(yīng)力主要集中在十二角下端切圓部位，因?yàn)榍袌A部位之上材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而在切圓部位之下材料處于壓應(yīng)力，該工位主要為十二角擠壓變形過(guò)程，由于上端是自由的，金屬流動(dòng)空間較大，因此應(yīng)力值較小，而十二角下端與模具完全接觸，金屬無(wú)法流動(dòng)，因此在此處應(yīng)力值較大。第四工位應(yīng)力主要集中在法蘭處，該工位主要為法蘭成形階段，材料變形程度較大，因此此處應(yīng)力值較大。4個(gè)工位應(yīng)力最大值為930 MPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，其單位面積所受壓力在冷作模具鋼許用應(yīng)力范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致模具開(kāi)裂。

圖6 成形過(guò)程中等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖

3.4 等效應(yīng)變場(chǎng)分布

等效應(yīng)變是反映坯料變形程度的物理量，圖7主要為各工位坯料的等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出，各工位應(yīng)變值大小有一定差異，但其分布都有相同趨勢(shì)，即參與變形或變形部位較大的區(qū)域，應(yīng)變值較大，這是因?yàn)樵贏286高溫合計(jì)十二角法蘭面螺栓多工位冷鐓成形過(guò)程中，設(shè)計(jì)的工藝是每個(gè)工位成形一個(gè)特定的形狀，而該工位的其他部分材料不參與變形或者參與的變形程度很小。第一工位和第二工位主要是上端材料參與變形，變形過(guò)程比較穩(wěn)定，應(yīng)變值主要集中在上端。第三工位主要是十二角成形，有一定截面差，變形過(guò)程較劇烈，應(yīng)變值較大。第四工位主要是法蘭成形，應(yīng)變主要集中在此處，最大應(yīng)變值出現(xiàn)在法蘭底部區(qū)域。

圖7 成形過(guò)程中等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖

3.5 損傷值分布

在Deform-3D后處理中，可以很直觀地查看坯料各個(gè)工位的損傷值分布，通過(guò)損傷值的大小和分布，可以預(yù)測(cè)材料斷裂的趨勢(shì)，這也是制定工藝的重要依據(jù)，通過(guò)損傷值可以判斷成形的冷鐓件是否出現(xiàn)裂紋等鍛造缺陷。圖8為各工位坯料的損傷值分布，從圖中可以看出，第一工位和第三工位損傷值較大，這是因?yàn)檫@兩個(gè)工位變形程度相對(duì)較大，特別是第三工位，損傷值最大，坯料在此工位產(chǎn)生損壞和拉裂的可能性較大，在模具設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

圖8 各工位損傷值分布

4 冷鐓成形工藝試驗(yàn)

4.1 模具設(shè)計(jì)

冷鐓模具設(shè)計(jì)是多工位冷鐓成形過(guò)程中的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是決定工藝開(kāi)發(fā)是否成功的重要因素，本文根據(jù)制定的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓多工位冷鐓成形工藝和數(shù)值模擬得到的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有多工位冷鐓機(jī)，設(shè)計(jì)并制作了各個(gè)工位的模具，如圖9所示為各工位模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖9 A286高溫合金十二角法蘭面螺栓各工位模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4.2 工藝試驗(yàn)及結(jié)果

將加工完成的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓各工位模具安裝與于多工位冷鐓機(jī)上，如圖10所示為試驗(yàn)用多工位冷鐓機(jī)，圖11位模具實(shí)物圖。試驗(yàn)得到的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓冷鐓件充填飽滿(mǎn)，未出現(xiàn)裂紋、折疊等鍛造缺陷，尺寸符合設(shè)計(jì)要求。如圖12為工藝試驗(yàn)得到的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓各工位坯料實(shí)物，圖13為A286高溫合金十二角法蘭面螺栓各工位坯料模擬圖，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果和工藝試驗(yàn)一致性較好，說(shuō)明本文提出的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓多工位冷鐓成形工藝是可行的，可為該類(lèi)零件的多工位冷鐓成形提供指導(dǎo)。

圖10 多工位冷鐓機(jī)

圖11 模具實(shí)物圖

圖12 A286高溫合金十二角法蘭面螺栓各工位坯料實(shí)物圖

圖13 A286高溫合金十二角法蘭面螺栓各工位坯料模擬圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)室溫壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了A286高溫合金室溫下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，為數(shù)值模擬提供了材料性能數(shù)據(jù)。

（2）通過(guò)Deform-3D數(shù)值模擬，得到了各工位的載荷-時(shí)間曲線(xiàn)、等效應(yīng)力場(chǎng)分布、等效應(yīng)變場(chǎng)分布及損傷值分布，為模具設(shè)計(jì)和工藝試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

（3）工藝試驗(yàn)得到的A286高溫合金十二角法蘭面螺栓充填飽滿(mǎn)，尺寸復(fù)合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果一致性較好，說(shuō)明本文提出的多工位冷鐓成形工藝是可行的，對(duì)該類(lèi)零件今后的生產(chǎn)可具有指導(dǎo)意義。