Inconel 718材料十二角沉頭螺栓的頭部成形加工方法

焦明輝，譚體偉，龍二龍，吳強(qiáng)，賈淑妍，袁娜，溫宇鑫

1.中航工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司 貴州貴陽(yáng) 550014

2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550025

1 序言

Inconel 718是一種Ni-Cr-Fe-Nb系析出強(qiáng)化型鎳基高溫合金，強(qiáng)化相為體心四方的γ''相和面心立方的γ'相，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為GH4169。與其他高溫合金相比，Inconel 718具有良好的熱穩(wěn)定性和耐蝕性，在650℃以下時(shí)疲勞、蠕變持久性能優(yōu)異，因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各類熱端零件中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

Inconel 718十二角沉頭螺栓是高溫高強(qiáng)度航空緊固件的代表性產(chǎn)品，其頭部通常采用熱鐓成形工藝，在加工時(shí)頭部變形量較大。由于Inconel 718材料的合金相成分復(fù)雜、組織多樣，工藝塑性較差，熱加工時(shí)的變形抗力較大，所以增加了熱成形難度[4-6]。特別是對(duì)于具有沉頭錐面的十二角沉頭螺栓，復(fù)雜的頭部形狀進(jìn)一步加劇了熱加工時(shí)溫度場(chǎng)的不均勻性，使應(yīng)力分布特征比常規(guī)十二角沉頭螺栓更加復(fù)雜，熱加工性能惡化，難以保證零件的尺寸、金相和性能要求。本文針對(duì)Inconel 718十二角沉頭螺栓的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過調(diào)整熱鐓工藝的模具結(jié)構(gòu)和加熱溫度，改善頭部成形的加工質(zhì)量，同時(shí)通過車削工藝保證頭部關(guān)鍵尺寸，提高螺栓的生產(chǎn)效率和合格率，以保證該零件的順利交付。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)

中航工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司在某國(guó)際民用航空企業(yè)的全球招標(biāo)中，獲得了某型號(hào)十二角沉頭螺栓的訂單，其零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，性能要求見表1。零件頭部由十二角頭和沉頭度面兩部分組成，十二角頭可以保證扳擰時(shí)受力均勻，防止扳手滑脫。零件的沉頭度面角度為60°～64°，外圓直徑為14.09+0-0.24mm。由于該螺栓頭部形狀復(fù)雜，加工精度要求較高，在采用熱鐓工藝加工頭部時(shí)，十二角頭和沉頭錐面部分難以滿足零件尺寸精度要求。由于在中航工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的零件中，沒有相似結(jié)構(gòu)的零件可以加工借鑒，所以對(duì)順利按期完成訂單造成不利影響。

圖1 Inconel 718十二角沉頭螺栓結(jié)構(gòu)

表1 Inconel 718十二角沉頭螺栓性能要求

2.2 材料特性及成形難點(diǎn)

Inconel 718高溫合金的合金相成分復(fù)雜、組織多樣，降低了在熱加工時(shí)的工藝塑性，使得材料對(duì)熱加工工藝參數(shù)的變化十分敏感。較高的變形溫度可以得到均勻細(xì)小的再結(jié)晶顆粒，但若變形溫度過高時(shí)，則會(huì)造成變形后的冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，并且高溫停留時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大，從而影響零件的力學(xué)性能[7-9]。另外，對(duì)于頭部形狀復(fù)雜的Inconel 718十二角沉頭螺栓，熱加工時(shí)存在明顯的溫度梯度，在變形溫度過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頭部出現(xiàn)充型不飽滿的風(fēng)險(xiǎn)[10]。

3 加工工藝分析

3.1 加工方案

為保證加工成品符合圖樣要求，該螺栓頭部只能一次鐓制成形，并盡量減少鐓鍛比，以利于成形飽滿。根據(jù)沉頭度面部分的外圓尺寸，加工時(shí)選用φ9.1mm的棒材。由于十二角頭部分的對(duì)邊距離為7.95mm，無(wú)法直接采用φ9.1mm毛料進(jìn)行鐓制，需將頭部十二角頭成形部分的物料直徑車削至φ7.7mm。熱鐓加工前的毛料結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熱鐓加工前毛料結(jié)構(gòu)

通過上述工藝分析，制定該螺栓的主要工藝路線：下料→磨削→車削→熱鐓→固溶→車削端面和光桿→磨削光桿、滾絲徑→標(biāo)記→冷滾圓角→滾螺紋→時(shí)效→熒光磁粉檢測(cè)→性能、金相組織檢測(cè)→包裝。

3.2 熱鐓工藝

（1）熱鐓模具 根據(jù)螺栓結(jié)構(gòu)和尺寸特征，采用上下模組合式的熱鐓模具，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，上模為十二角頭模具，下模為帶角度斜臺(tái)，端面為上下模的分型面。

圖3 熱鐓模具結(jié)構(gòu)

在采用該模具試鐓時(shí)，常出現(xiàn)頭部十二角充型不飽滿的現(xiàn)象，零件無(wú)法滿足圖樣要求。根據(jù)最小阻力定理，金屬材料在塑性變形時(shí)，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)沿著最小阻力方向，即該質(zhì)點(diǎn)向變形周邊區(qū)域的最短法線方向位移，如圖4所示。對(duì)于十二角頭型，由于朝向凹角方向的法線長(zhǎng)度比凸角方向短，因此質(zhì)點(diǎn)向凹角方向位移的阻力更小，導(dǎo)致朝向凸角方向位移的金屬材料更少，凸角處熱鐓后充型不飽滿。通過改變材料變形速度，可以降低材料向凸角處位移的阻力，但是當(dāng)材料變形速度過快時(shí)，變形時(shí)的沖擊力過大，將明顯增加模具的磨損速度，縮短模具的使用壽命。同時(shí)，過大的變形速度將造成材料變形不均勻，導(dǎo)致零件局部產(chǎn)生裂紋，因此需要合理調(diào)整材料的變形速度。

圖4 熱鐓時(shí)十二角頭內(nèi)材料位移方向

表2 Inconel 718十二角沉頭螺栓頭部尺寸檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 上模具尺寸

（2）熱鐓溫度 當(dāng)熱鐓溫度在900～1100℃時(shí)，Inconel 718高溫合金的塑性明細(xì)升高，同時(shí)強(qiáng)度迅速下降，有利于熱鐓時(shí)材料的變形。然而當(dāng)溫度超過1100℃后，塑性開始下降，對(duì)熱鐓成形造成不利影響[6]。為了確定熱鐓加工的溫度范圍，選擇900℃、940℃、980℃、1020℃、1060℃和1100℃等6個(gè)溫度區(qū)間，分別進(jìn)行熱鐓試驗(yàn)，觀察不同溫度條件下零件頭部的金相組織，如圖6所示。從圖6可看出，材料在不同溫度下均發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

當(dāng)變形溫度＜940℃時(shí)為混晶組織（見圖6a）；隨著變形溫度的提高，已經(jīng)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒繼續(xù)增大，形成等軸組織；而當(dāng)溫度＞1020℃時(shí)，材料出現(xiàn)完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象（見圖6e、f）。結(jié)果表明，變形溫度的升高有利于再結(jié)晶現(xiàn)象的進(jìn)行，并且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度和再結(jié)晶晶粒尺寸均隨著溫度的升高而增大。因此，為了得到均勻的等軸組織，選取熱鐓成形的加熱溫度為980～1040℃，即45°斜臺(tái)（見圖2）部分的加熱溫度＞980℃，φ（7.7±0.1）mm部分的加熱溫度＜1040℃。

圖6 不同熱鐓溫度零件的頭部金相組織

3.3 車削工藝

經(jīng)熱鐓成形后的工件如圖7所示。由于該零件頭部形狀較復(fù)雜，因此熱鐓成形后零件的尺寸一致性較差，在法蘭端面（A面）出現(xiàn)厚度為0.3～0.5 mm的飛邊。由于法蘭端面接十二角頭的根部，不可進(jìn)行車削加工，因此為了保證飛邊尺寸一致，通常需要在熱處理后對(duì)沉頭度面進(jìn)行全型面磨削。然而在磨削后零件的重要尺寸φ14.09+0-0.24mm（見圖8）極易出現(xiàn)超差，影響產(chǎn)品的合格率。

圖7 熱鐓成形后工件的結(jié)構(gòu)

圖8 車削沉頭錐面工序

為了解決該問題，在磨削之前增加一步車削工序。通過車削加工保證3個(gè)重要尺寸，避免熱鐓產(chǎn)生的飛邊尺寸差異影響重要尺寸φ14.09+0-0.24mm的合格率。在后續(xù)的磨削工序中，只需磨削沉頭度面與光桿相接處的圓角，并去除前工序車削光桿產(chǎn)生的接痕，不再磨削全型面。

經(jīng)過工藝改進(jìn)后，頭部尺寸完全符合設(shè)計(jì)圖樣要求，保證了零件的順利產(chǎn)出和交付。

3.4 研制試件評(píng)估

根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣和產(chǎn)品規(guī)范要求，成品零件的平均晶粒度應(yīng)為ASTM 4級(jí)或更小，頭部非支撐面的成形折疊應(yīng)在產(chǎn)品規(guī)定的范圍內(nèi)，并且除頭部非支撐面、第一個(gè)不完整螺紋和螺栓端點(diǎn)以外的晶間腐蝕及合金貧化深度不超過0.013mm。

選取同一爐批材料的成品零件，觀察零件頭部的金相組織如圖9所示。結(jié)果表明，成品零件的頭部流線沿零件輪廓分布且連續(xù)，平均晶粒度為ASTM 6級(jí)，未見折疊、晶間腐蝕及合金貧化等缺陷，滿足了技術(shù)要求。

圖9 成品零件頭部金相組織

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范要求，成品零件的力學(xué)性能試驗(yàn)包括：硬度試驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)和高溫應(yīng)力斷裂試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可看出，采用該頭部成形加工方案加工的螺栓能夠滿足產(chǎn)品規(guī)范的要求。

表3 成品零件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某型號(hào)Inconel 718十二角沉頭螺栓的材料及結(jié)構(gòu)，針對(duì)加工時(shí)十二角頭和沉頭錐面部分難以滿足零件尺寸精度要求的問題，對(duì)頭部成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

1）通過調(diào)整熱鐓上模具的對(duì)凹角距離，降低熱鐓時(shí)的變形速度。同時(shí)選取熱鐓成形的加熱溫度為980～1040℃，改善了熱鐓效果，解決了十二角頭形狀不飽滿的問題，并且內(nèi)部組織和力學(xué)性能滿足產(chǎn)品規(guī)范的要求。

2）在磨削之前增加一步車削工序，避免因熱鐓產(chǎn)生的飛邊尺寸差異而影響重要尺寸的合格率，保證了零件的順利產(chǎn)出和交付。