控制鈦合金連桿鍛件翹曲變形的研究

劉成， 陳愛成， 占立水， 夏春林， 王健， 郭廣謀

（1.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司， 貴州 安順 561005；2.空軍裝備部駐安順地區(qū)軍事代表室， 貴州 安順 561008）

0 引 言

攔阻系統(tǒng)作為艦載機(jī)必備裝備，是艦載機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能影響飛機(jī)著艦的安全性、可靠性以及服役壽命。攔阻系統(tǒng)工作中承受數(shù)倍于飛機(jī)重力的載荷，并受艦載機(jī)著艦時各種復(fù)雜隨機(jī)因素影響，攔阻鉤連桿作為其中主要承力結(jié)構(gòu)件，需要在嚴(yán)酷的工作環(huán)境下安全可靠地工作[1]，攔阻系統(tǒng)一旦失效將導(dǎo)致飛機(jī)無法降落，高速情況下會發(fā)生機(jī)毀人亡的事故。

1 研究對象

機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)可靠性指零件在規(guī)定的使用條件下，規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[2]。連桿作為攔阻系統(tǒng)的重要承力機(jī)構(gòu)，需要承受瞬時的高載荷，因此零件須具備優(yōu)良的力學(xué)性能與尺寸精度，其質(zhì)量取決于其內(nèi)部組織性能，這對鍛造制坯技術(shù)提出了更高的要求。

圖1所示為某連桿鍛件，采用鈦合金材質(zhì)，鍛件長度約2 000 mm，高度約90 mm，屬于長桿類中型鍛件。長桿類鍛件在鍛造成型時首先要解決水平方向翹曲變形問題，翹曲變形對鍛件質(zhì)量影響較大，即便鍛件鍛造的外形與表面質(zhì)量良好，但其變形后的尺寸偏差會在后續(xù)切削加工時因為加工余量不均勻而造成報廢，這就需要通過鍛件設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)、鍛造過程控制、鍛后冷卻擺放、翹曲校正等方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

圖1 鈦合金連桿

2 鍛件現(xiàn)狀

常規(guī)鍛造連桿鍛件的翹曲變形形態(tài)如圖2所示，某批鍛造的連桿鍛件翹曲程度如表1所示。圖2所示A、B、C點(diǎn)應(yīng)在同一水平面（上端面）上，但實際兩端A、B點(diǎn)向上翹曲，最大翹曲度超過10 mm，如此大的翹曲尺寸無法達(dá)到鍛件加工要求。

表1 常規(guī)鍛造連桿鍛件翹曲量 mm

圖2 連桿翹曲形態(tài)

3 改進(jìn)措施

3.1 鍛壓設(shè)備選擇

鍛造連桿鍛件在選擇鍛壓設(shè)備時，應(yīng)盡可能選擇液壓機(jī)，液壓機(jī)相比普通模鍛錘機(jī)床具備如下優(yōu)勢[3]。

（1）在直接傳動的液壓機(jī)上，滑塊在整個行程的任一位置都可獲得最大載荷。

（2）液壓機(jī)除設(shè)有大型模具墊板和定位器外，還具備同步平衡系統(tǒng)，避免載荷不均或模具偏斜。

（3）液壓機(jī)的滑塊速度可控，可根據(jù)零件成型要求調(diào)整，載荷可視為靜載荷。

（4）液壓機(jī)的載荷可通過溢流閥進(jìn)行限制，既保護(hù)模具，又可控制鍛件變形程度。

（5）液壓機(jī)的頂桿系統(tǒng)能使鍛件順利脫模，尤其在鍛制小模鍛斜度或無模鍛斜度的精鍛件更有優(yōu)勢。

因此連桿鍛件優(yōu)先選用液壓機(jī)進(jìn)行鍛造，且特別適用于鋁合金、鎂合金、鈦合金和某些高溫合金的鍛造。

3.2 鍛件設(shè)計

鍛件設(shè)計要考慮多種綜合因素，特別是預(yù)防可能發(fā)生的質(zhì)量風(fēng)險，在鍛件設(shè)計初期采取預(yù)防措施是降低后續(xù)工序工藝難度的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計連桿鍛件時，應(yīng)適當(dāng)增加翹曲變形部位的工藝余量用于補(bǔ)償翹曲尺寸偏差，特別是根據(jù)已知統(tǒng)計數(shù)據(jù)可預(yù)先將工藝余量更多地補(bǔ)償在翹曲方向。

3.3 模具零件潤滑

模具零件潤滑對鍛件生產(chǎn)的影響是綜合性的，并不限于減小鍛件與模具零件接觸表面之間阻礙毛坯金屬材料塑性流動的摩擦[4]。熔融態(tài)的潤滑劑使模具零件與鍛件之間的摩擦變?yōu)闈衲Σ粒瑰懠淖冃慰沽档?，可有效降低變形總載荷的10%~20%，提高變形均勻性，在減少模具零件磨損與塑性變形的同時，有利于鍛件脫模，降低頂出力及頂出導(dǎo)致的翹曲變形。

3.4 模具結(jié)構(gòu)

模具是鍛造重要的工藝設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、鍛造零件質(zhì)量優(yōu)良、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。連桿鍛件的模具設(shè)計是根據(jù)鍛件外形隨形設(shè)計，但該類鍛件采用靜載荷鍛造容易卡在模具型腔內(nèi)，造成脫模困難，需要設(shè)計頂出結(jié)構(gòu)（由液壓機(jī)頂桿系統(tǒng)與模具推出機(jī)構(gòu)組成）輔助脫模，合理的模具下推出機(jī)構(gòu)是控制連桿翹曲變形的關(guān)鍵。

模具下推出機(jī)構(gòu)配合液壓機(jī)頂桿系統(tǒng)共同工作，液壓機(jī)頂桿系統(tǒng)為滑柱單向結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)推出機(jī)構(gòu)如圖3所示，與鍛件下表面接觸面積小，推出連桿鍛件時易造成中間翹曲、兩端低的情況。在模具推出機(jī)構(gòu)設(shè)計時加大它與鍛件下表面的接觸面積，如圖4所示優(yōu)化的推出機(jī)構(gòu)，其接觸面積是傳統(tǒng)推出機(jī)構(gòu)的9~10倍，優(yōu)化機(jī)構(gòu)上表面與鍛件型面一致，降低了推出帶來的翹曲風(fēng)險。

圖3 傳統(tǒng)推出機(jī)構(gòu)

圖4 優(yōu)化推出機(jī)構(gòu)

3.5 推出方式

推出方式的合理性是降低長桿類鍛件翹曲變形風(fēng)險的關(guān)鍵，采用單點(diǎn)推出的方式適用于普通桿類鍛件，設(shè)計單個推桿時，為保證鍛件平穩(wěn)推出，推桿位置設(shè)在鍛件的重心或重心附近，偏心設(shè)計會造成鍛件傾斜并卡在下模型腔內(nèi)。相對于形狀復(fù)雜或長度較長的鍛件，應(yīng)設(shè)置2個或2個以上的推桿，連桿鍛件長度近2 000 mm，采用圖4所示的單點(diǎn)推出結(jié)構(gòu)在防翹曲變形上優(yōu)勢有限，推薦多點(diǎn)推出方式，如圖5所示。另推桿的行程應(yīng)根據(jù)鍛壓設(shè)備確定，行程過大會造成推出機(jī)構(gòu)復(fù)雜，降低了推桿強(qiáng)度，連桿鍛件型腔深度在30 mm左右，推出行程設(shè)置為50 mm。

圖5 長桿鍛件多點(diǎn)推出

3.6 模具保溫

采用液壓機(jī)鍛造時，在高載荷靜壓力下坯料與模具型腔表面長時間接觸，常溫模具零件受激熱影響容易開裂，另一方面長時間熱傳遞會使模具零件發(fā)生軟化，在鍛件變形不均勻時還會發(fā)生塑性變形，這種受力發(fā)生的塑性變形不可避免，導(dǎo)致模具型腔會塌陷或漲大。模具零件失效產(chǎn)生的毛刺會導(dǎo)致鍛件難以脫模，增加頂出力使鍛件翹曲變形更嚴(yán)重，同時這些變化均會改變模具零件尺寸導(dǎo)致鍛件尺寸超差，嚴(yán)重時鍛件與模具零件溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力在模具疲勞使用后產(chǎn)生熱裂紋，最終導(dǎo)致模具損壞。

研究發(fā)現(xiàn)熱鍛模預(yù)熱溫度對模具零件磨損及材料填充性有較大的影響[5-6]，增加模具預(yù)熱溫度能有效提高型腔的填充質(zhì)量[7]。由于鍛件因常溫模具快速吸收鍛件熱量導(dǎo)致鍛件溫度降低，變形抗力因鍛件溫度的降低而急劇提高，導(dǎo)致鍛造時難以填充型腔或坯料冷態(tài)剛性變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鍛件表面產(chǎn)生清晰晶不良組織，降低了鍛件的性能。因此在鈦合金連桿鍛造時，模具預(yù)熱溫度應(yīng)控制在300~400 ℃，且每一鍛造爐次通過加熱體持續(xù)保證模具溫度，能有效降低變形抗力，為翹曲變形預(yù)留加工余量。

3.7 鍛件保溫

鍛造類似連桿類的中大型鍛件時，鍛件在出爐轉(zhuǎn)移和放置入模的過程中溫度降低較快，鍛造溫度降低導(dǎo)致金屬塑性降低，變形抗力增加，可鍛性降低，產(chǎn)生的加工硬化影響坯料填充型腔，一旦后續(xù)零件不可避免地產(chǎn)生翹曲變形，尺寸偏差無法通過機(jī)加工補(bǔ)償，同時也影響了鍛件組織性能，為達(dá)到良好的可鍛性，需要控制鍛件溫度。

在鍛件溫度控制方面可以進(jìn)行的工作：在連桿鍛造前，應(yīng)盡量將坯料加熱爐設(shè)在鍛壓設(shè)備附近，降低轉(zhuǎn)移時間；在鍛件出爐轉(zhuǎn)移過程中，坯料可覆蓋石棉保溫；操作機(jī)的夾鉗應(yīng)提前預(yù)熱或捆綁石棉保溫；潤滑模具零件與坯料的相對運(yùn)動表面，可避免模具零件與坯料的直接接觸，減少磨損，降低成形力，同時潤滑劑還能在一定程度上阻礙坯料向模具傳熱；鍛造過程中在型腔內(nèi)鋪上具有保溫效果的硅酸鋁纖維布以降低熱傳導(dǎo)。

3.8 鍛后冷卻變形

鍛造冷卻狀態(tài)決定變形合金的工藝塑性、宏觀組織、顯微組織和力學(xué)性能。鍛后冷卻時，靜載荷下壓的鍛件內(nèi)部應(yīng)力無法通過塑性變形釋放，且因鍛件外形受力不一致，累積的大量殘余應(yīng)力在冷卻過程中逐步釋放導(dǎo)致翹曲變形；另一方面，局部的溫度梯度取決于模具的幾何形狀、鍛件和模具接觸的時間、邊界條件（接觸壓力和傳熱系數(shù)）[8]，鍛件在冷卻時每處的冷卻速度不一致（如一面空冷，一面接觸地面），此時低溫一側(cè)的收縮力若足夠大，高溫一側(cè)的材料壓縮發(fā)生塑性變形，造成高溫一側(cè)永久性縮短。當(dāng)冷卻到室溫時，同樣發(fā)生上述過程，連桿向高溫側(cè)彎曲，只是由于高溫時高溫側(cè)永久性縮短，到室溫時造成的彎曲更加劇烈。

鍛后冷卻除了受關(guān)注較多的冷卻介質(zhì)影響外，還包括冷卻時的擺放方式。連桿鍛件在冷卻時應(yīng)根據(jù)兩端的翹曲情況放置，最佳方案放置方式如圖6所示，坯料不直接接觸地面，利用鍛件自重減小翹曲量或降低繼續(xù)翹曲的趨勢。

圖6 冷卻擺放方式

3.9 翹曲變形校正

鍛件的變形抗力指金屬阻止其發(fā)生塑性變形的能力，變形抗力的高低某種程度上反映鍛件變形的難易程度。變形抗力與變形溫度、應(yīng)變速率以及真應(yīng)變的關(guān)系尤為重要[9-10]。

變形抗力大是鈦合金鍛壓變形顯著特征之一，鈦合金的變形抗力隨變形速率的增加和鍛造溫度的降低而提升較快，翹曲校正的溫度應(yīng)選擇在相變點(diǎn)溫度以下30~50 ℃。長桿類鍛件若采用模具校正，達(dá)不到校直效果，連桿校正時采用自由鍛造的方式較為適宜，液壓機(jī)自由鍛熱校正步驟如下。

（1）設(shè)置基準(zhǔn)面，對連桿劃線檢查翹曲量，確定校正方向。

（2）制作相應(yīng)墊塊與壓塊，選擇連桿翹曲量最大的位置作為壓力點(diǎn)。

（3）下壓到基準(zhǔn)面時，考慮金屬回彈性應(yīng)繼續(xù)過壓3~5 mm，以降低回彈趨勢。

該校正方法（見圖7）可保證零件質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高校正效果，減少校正次數(shù)。

4 改進(jìn)實踐

通過上述質(zhì)量控制措施的實施，進(jìn)行了零件翹曲變形的實踐驗證，某批連桿零件的翹曲量如表2所示。翹曲量較常規(guī)方法控制有大幅度降低，最大翹曲量為3.6 mm，該翹曲量可以通過粗加工（機(jī)加工余量+5 mm）消除，翹曲情況也穩(wěn)定，滿足零件交付要求。

表2 質(zhì)量控制后翹曲量 mm

5 結(jié)束語

影響鍛件翹曲變形的因素不止上述討論改進(jìn)的內(nèi)容，還包括加熱溫度、終鍛溫度、設(shè)備下壓速率、熱處理變形、切削加工應(yīng)力等，鍛件質(zhì)量是反映鍛造企業(yè)技術(shù)水平的主要標(biāo)志，它不單是一個工藝方案、設(shè)備能力、操作技術(shù)問題，還反映了質(zhì)量管理水平，只有通過不斷的質(zhì)量管理提升、質(zhì)量改進(jìn)以及提高全員素質(zhì)水平，才能將零件質(zhì)量做到穩(wěn)定化、標(biāo)準(zhǔn)化。