高溫合金螺母擠壓成形工藝研究及模具設(shè)計(jì)

梁 坤，許 丁，辛選榮,2，賀成松

（1.洛陽秦漢精工股份有限公司，河南 洛陽 471611；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471023）

0 引言

A286高溫合金自鎖螺母是用于高溫高強(qiáng)度工況下的緊固件，要求在高溫下具備高的軸向載荷和高的疲勞強(qiáng)度。A286是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼起到綜合強(qiáng)化作用，在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，并且具有較好的加工塑性和焊接性能，廣泛用于在650℃以下長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力部件，如航空用渦輪盤、緊固件及其他高溫部件。

現(xiàn)研究某型號A286高溫合金螺母擠壓成形工藝，通過物理模擬A286高溫合金在室溫下不同應(yīng)變速率下的壓縮試驗(yàn)，對其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究，獲得該材料室溫下不同應(yīng)變速率的變形抗力和加工硬化趨勢。通過模擬試驗(yàn)機(jī)提取相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入DeForm數(shù)值模擬軟件中，為后續(xù)相關(guān)的研究提供理論依據(jù)。采用經(jīng)驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的研究方法，能節(jié)約生產(chǎn)成本、減少工藝、縮短模具設(shè)計(jì)及調(diào)試周期，對模具結(jié)構(gòu)和工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，通過數(shù)值模擬分析材料的成形過程，為成形方案的確定和工藝參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。

1 工藝分析

圖1所示是規(guī)格為MJ24 mm×2 mm的槽型自鎖螺母，兩對側(cè)六方面的距離是27 mm，壁厚較薄，而該螺母要承受較大的軸向載荷，根據(jù)強(qiáng)化理論，必須綜合運(yùn)用形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、第二項(xiàng)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化使其性能達(dá)到要求。A286高溫合金屬于沉淀強(qiáng)化高溫合金，在固溶處理的過程中析出相γ′均勻分布于固溶體中，在時(shí)效處理的過程中γ′相彌散析出，提升材料的強(qiáng)度。除了第二項(xiàng)強(qiáng)化外，還需要綜合運(yùn)用形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化提升零件的性能。

圖1 高溫合金自鎖螺母

根據(jù)零件的形狀特點(diǎn)提供以下3種成形工藝方案。

（1）方案1采用φ33 mm的棒料機(jī)械加工，該加工方法工序多，材料利用率低，生產(chǎn)效率低，零件的生產(chǎn)成本高，成形過程中只有第二項(xiàng)強(qiáng)化，不能滿足軸向載荷的要求。

（2）方案2采用棒料正擠壓成形六方面和法蘭面，后續(xù)機(jī)加工內(nèi)孔、切槽。該方案利用了材料塑性較好的特點(diǎn)，采用擠壓方式成形，六方面和法蘭面的成形質(zhì)量能達(dá)到尺寸精度要求，提高材料利用率和生產(chǎn)效率，其綜合性能得到強(qiáng)化。但實(shí)際情況是采用該方法成形的零件力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，軸向載荷不能滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）方案3在熱處理穩(wěn)定的情況下，要想達(dá)到最佳力學(xué)性能，只能在形變強(qiáng)化上進(jìn)行處理，在方案2正擠壓的基礎(chǔ)上加大變形量，為此考慮采用復(fù)合擠壓的方法：采用擠壓成形六方面和錐面，同時(shí)擠出一個(gè)帶連皮的孔。擠壓完成后沖連皮，得到螺母的半成品。采用該方法成形其變形量更大，形變強(qiáng)化效果更明顯，原材料的利用率更高。

2 成形工藝

成形該零件擬采用的工藝路線為：下料→拋丸→固溶處理→二硫化鉬皮膜處理→十六醇涂覆→擠壓→時(shí)效處理→機(jī)加工。

A286高溫合金是以γ′相為強(qiáng)化相的沉淀強(qiáng)化型高溫合金，在擠壓前進(jìn)行固溶處理的目的是使基體內(nèi)的γ′相重新溶解，得到均勻的過飽和固溶體，提高塑性，降低抗拉強(qiáng)度。A286高溫合金的固溶處理溫度為980～1 000 ℃，保溫1～2 h，擠壓后在720 ℃時(shí)效處理16 h。

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模擬

通過圓柱壓縮試驗(yàn)，測定A286高溫合金在室溫下不同應(yīng)變速率的應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗(yàn)所用材料為固溶態(tài)A286，其化學(xué)成分如表1所示，分析其室溫變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律，為制定其成形工藝提供理論依據(jù)，為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高工藝設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元仿真的精度。

表1 A286高溫合金的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將經(jīng)過固溶處理的A286高溫合金根據(jù)試驗(yàn)要求制備3個(gè)φ6 mm×10 mm試樣，在Gleeble 1500D試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)變速率分別為0.1、1、10的應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)，試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)后繪制的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

由圖2的分析可以看出：①該高溫合金沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)；②在應(yīng)變速率增大后，應(yīng)力值出現(xiàn)一定程度的下降，其原因是沖擊壓縮所做的塑性功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?dǎo)致試樣的溫度升高，出現(xiàn)了軟化效應(yīng)。

除flow stress（流動(dòng)應(yīng)力）的數(shù)據(jù)通過應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)采集外，還有以下一些數(shù)據(jù)通過查閱資料獲取，然后導(dǎo)入DeForm軟件中，數(shù)據(jù)如下。

yield function type（屈服函數(shù)類型）：Von Mises（米塞斯屈服）；

young’s modulas（楊氏彈性模量）：constant：201 GPa；

poison’s ratio（泊松比）：constant：0.306；

thermal expansion（熱膨脹系數(shù)）：15.7×10-6；

emissivity（熱輻射系數(shù)）：0.16。

將上述性能參數(shù)輸入數(shù)值模擬軟件中，保存數(shù)據(jù)，先采用數(shù)值模擬軟件模擬螺母的成形，在考慮加工余量的基礎(chǔ)上對零件進(jìn)行分析，確定擠壓成形零件的毛坯結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 毛坯結(jié)構(gòu)

利用SolidWorks模擬擠壓件的三維模型，如圖4所示。通過分析，得出擠壓件的體積為12 171.97 mm3，擠壓件外徑為φ33.4 mm，坯料的變形程度為63%，小于材料的許用變形程度，因此零件可以一次擠壓成形。由擠壓件體積計(jì)算坯料的高度h=14.3 mm，因此取毛坯的規(guī)格為φ33 mm×14.3 mm的圓棒料。

3.2 模擬條件

擠壓成形過程模擬采用DeForm-3D軟件，選用SolidWorks三維軟件造型，如圖4所示。并用STL文件讀取。為了簡化模型、縮短計(jì)算時(shí)間，對模擬條件進(jìn)行如下規(guī)定或假設(shè)。

（1）模型選為剛塑性有限元模型，模具為剛性，不發(fā)生變形和破壞，溫度為常溫，取20℃。

圖4 復(fù)合擠壓數(shù)值模擬裝配體

（2）壓力機(jī)滑塊的工作速度為10 mm/s。

（3）摩擦模型采用剪切模型，毛坯與模具零件間的摩擦因子取0.08。

（4）由于零件的對稱性，為節(jié)約時(shí)間并提高模擬精度，取1/6毛坯計(jì)算。

3.3 模擬結(jié)果分析

螺母最終模擬成形結(jié)果如圖5所示，金屬充填順利，齒形飽滿，六方面光滑，沒有出現(xiàn)折疊缺陷，尺寸精度符合設(shè)計(jì)預(yù)期。成形過程中的行程—載荷曲線如圖6所示。

圖5 最終模擬成形結(jié)果

3.4 變形量計(jì)算

圖6 復(fù)合擠壓行程--載荷曲線

其中：P1、P2為上、下凸模單位壓力；F1、F2為上、下凸模承受的擠壓力；A1、A2為上、下凸模投影面積。

高溫合金自鎖螺母擠壓凸模材料可選用高速鋼，經(jīng)過熱處理后的硬度在61～64 HRC，可以承受上凸模和下凸模的單位壓力。

3.5 二硫化鉬皮膜處理

坯料潤滑效果的好壞對擠壓件的表面質(zhì)量及模具使用壽命有較大的影響，A286高溫合金材料的潤滑常采用浸涂二硫化鉬，在常溫下固化2 h，然后在210℃下保溫2 h，在空氣中冷卻，60℃水浴加熱浸涂十六醇，表面涂覆均勻，不能有漏涂現(xiàn)象。

4 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

根據(jù)螺母擠壓毛坯和模擬裝配圖，設(shè)計(jì)螺母擠壓模，模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。

將潤滑處理的毛坯放在凹模24內(nèi)，芯軸21和凸模22開始接觸坯料。在上、下凸模和凹模的共同作用下，完成零件的擠壓成形。擠壓完成后，上模座帶動(dòng)拉桿上行，拉桿帶動(dòng)拉板、頂料桿、頂桿等運(yùn)動(dòng)，將成形零件頂出，最終成形的零件如圖8所示。

圖7 擠壓模結(jié)構(gòu)

圖8 擠壓件實(shí)物

在720℃對擠壓的螺母毛坯進(jìn)行16 h時(shí)效處理，然后對螺母進(jìn)行機(jī)加工，通過對螺母進(jìn)行硬度和軸向載荷的檢測，結(jié)果顯示各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

（1）通過在Gleeble 1500D試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件，豐富了模擬軟件的數(shù)據(jù)庫，可供后期使用，為其他相似材料的研究提供參考。

（2）利用塑性加工與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的研究方法，不僅能節(jié)約生產(chǎn)成本、縮短工藝和模具設(shè)計(jì)周期，還可以在設(shè)計(jì)階段對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

（3）采用擠壓工藝生產(chǎn)螺母毛坯，不僅提高了零件變形量，增強(qiáng)了形變強(qiáng)化效果，提高了零件的強(qiáng)度、硬度，而且生產(chǎn)效率高，提升了材料利用率，降低了制造成本。

（4）采用形變強(qiáng)化、固溶處理強(qiáng)化和第二項(xiàng)強(qiáng)化相結(jié)合的方式能提高A286高溫合金的強(qiáng)度。