超大規(guī)格GH4169 高溫合金螺栓成形工藝及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化＊

劉 樂 殷銀銀 金 宏 關(guān) 悅 劉秀巖

（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；③航天精工股份有限公司，天津 300300）

GH4169 材料是一種以體心四方的γ″和面心立方的γ'沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化和耐腐蝕性能，并可在600 ℃以上高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作，故常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫緊固件、渦輪盤及核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)元件[1-3]。由于GH4169 材料具有合金化程度高、導(dǎo)熱性能差、切削溫度高、切削力大加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、硬質(zhì)點(diǎn)多、加工效率低和刀具磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因此GH4169 材料螺栓基本均以熱鐓成形方式加工[1-5]。針對(duì)GH4169高溫合金螺栓在成形過程中變形抗力大、成形載荷大、易產(chǎn)生充填不飽滿以及模具壽命低等問題[6-8]，需要對(duì)GH4169 高溫合金螺栓的成形工藝和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和提高模具壽命提供一定的理論依據(jù)。

常用GH4169 材料螺栓基本在M3～M24，更大規(guī)格的螺栓受原材料性能、鐓制能力、螺紋滾壓能力等因素影響，并不常見。本文以航天某型號(hào)火箭用大規(guī)格（M40）GH4169 高溫合金螺栓為對(duì)象，模擬分析了螺栓六角頭部熱鐓成形過程及其金屬流動(dòng)規(guī)律、成形過程中的載荷-行程曲線、進(jìn)行了工藝的實(shí)物試驗(yàn)，對(duì)成形模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)壽命穩(wěn)定，滿足成形工藝的要求，為GH4169 超大規(guī)格六角頭螺栓頭部熱鐓成形的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 高溫壓縮實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

由于Deform-3D 材料庫(kù)中沒有GH4169 高溫合金的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要通過高溫壓縮實(shí)驗(yàn)得到其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Deform-3D 材料庫(kù)中。實(shí)驗(yàn)材料為GH4169 高溫合金，合金成分見表1。如圖1 所示為實(shí)驗(yàn)得到的GH4169 高溫合金在不同溫度和應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖1 中可以看出，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)材料的流變應(yīng)力影響較大，需要通過數(shù)值模擬來確定合理的工藝參數(shù)。

圖1 不同溫度和應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 GH4169 合金化學(xué)成分 （%）

2 成形工藝方案制定

工藝的合理性和可靠性直接影響了成形設(shè)備的選取、模具的設(shè)計(jì)和模具壽命、鍛件的成形質(zhì)量，因此在制定成形工藝方案時(shí)需對(duì)零件形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形難度進(jìn)行分析[9-12]。

GH4169 高溫合金螺栓鍛件圖如圖2 所示，頭部和底部截面尺寸相差較大，變形量較大，為降低成形過程中變形抗力，充分發(fā)揮材料的塑性加工性能，使其金屬流線完整，采取熱鐓成形工藝，根據(jù)等體積原則選取?42×205 mm 坯料。具體工藝流程為：用鋸床將?42 mm的圓棒料截成205 mm 長(zhǎng)度的坯料，采用中頻感應(yīng)加熱爐將坯料加熱至1 050 ℃，將加熱后的坯料放入凹模型腔內(nèi)，壓機(jī)下行，上沖頭對(duì)坯料施加壓力，坯料在力的作用下產(chǎn)生鐓粗變形充滿凹模型腔，成形完成，利用壓機(jī)頂出裝置將成形的工件頂出，整個(gè)成形工藝過程完成。如圖3所示為模具結(jié)構(gòu)及工藝方案示意圖。

圖2 GH4169 高溫合金螺栓鍛件圖

圖3 模具結(jié)構(gòu)及工藝方案示意圖

3 成形工藝方案數(shù)值模擬及結(jié)果分析

利用有限元數(shù)值模擬對(duì)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以獲得成形過程中材料的流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布變化情況、成形載荷和成形缺陷的預(yù)測(cè)、模具載荷和模具應(yīng)力分布。成形載荷是選擇設(shè)備和模具的重要依據(jù)，成形過程中金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布變化情況為工藝參數(shù)的優(yōu)化和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論的依據(jù)和指導(dǎo)，模具載荷和模具應(yīng)力分布為模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)，降低或避免模具應(yīng)力集中，對(duì)提高模具的可靠性和使用壽命具有重要作用。數(shù)值模擬為工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乃至在生產(chǎn)中提供詳盡的技術(shù)資料和理論指導(dǎo)。將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，可以避免反復(fù)試模過程，縮短模具設(shè)計(jì)制造周期。

3.1 模擬工藝過程

成形過程主要有2 個(gè)階段：第一階段為自由鐓粗階段，為上沖頭向下運(yùn)動(dòng)到凹模上端面。第二個(gè)階段為正擠壓階段，即上沖頭和凹模形成封閉模腔，上沖頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，金屬逐漸向四周流動(dòng)，充滿模腔，成形結(jié)束，如圖4 所示。

圖4 成形過程示意圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 鍛件成形結(jié)果觀察

圖5 為鍛件成形結(jié)果示意圖，從圖中可以看出，成形結(jié)束時(shí)GH4169 高溫合金螺栓鍛件與模具基本全部接觸，鍛件充填狀況良好。

圖5 鍛件成形結(jié)果示意圖

3.2.2 載荷-行程曲線

圖6 為上沖頭載荷-行程曲線，從圖中可以看出，在變形初期，上沖頭載荷較小，這是由于該階段主要是自由鐓粗階段，坯料與凹模沒有接觸，金屬流動(dòng)阻力較小。隨著上沖頭的不斷運(yùn)動(dòng)，上沖頭與凹模之間形成封閉模腔，金屬逐漸向四周流動(dòng)，成形載荷逐漸增加。在最后階段，模腔空間越來越小，載荷也急劇增加，最大成形力為4.26×106N。

圖6 上沖頭載荷-時(shí)間曲線

3.2.3 金屬流動(dòng)規(guī)律分析

金屬流動(dòng)規(guī)律反應(yīng)了在成形過程中，金屬流動(dòng)方向及速度的變化，合理的金屬流動(dòng)不僅能夠有效降低成形力，還能預(yù)防鍛造缺陷的產(chǎn)生。

在Deform-3D 有限元模擬結(jié)果中，金屬流動(dòng)一般用速度場(chǎng)表示，其中箭頭的方向即代表金屬流動(dòng)的方向。圖7 為成形過程中的速度場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出GH4169 高溫合金螺栓在不同變形階段的金屬流動(dòng)規(guī)律，在初始階段，金屬在上沖頭的壓力下向下流動(dòng)，此時(shí)金屬屬于自由鐓粗階段，金屬流動(dòng)阻力較小，流動(dòng)緩慢。隨著變形的繼續(xù)，金屬逐漸與凹模接觸，上沖頭與凹模之間形成封閉模腔，根據(jù)最小阻力定律，金屬逐漸向模腔空間流動(dòng)，金屬流動(dòng)情況較之前更為復(fù)雜。在變形最后階段，模腔空間越來越小，金屬流動(dòng)也越來越劇烈，特別是螺栓的邊角處，金屬流動(dòng)最為劇烈，在設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)時(shí)需要特別考慮，避免出現(xiàn)尖角。

圖7 成形過程中速度場(chǎng)分布圖

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品規(guī)格大，GH4169 材料硬度高，鐓制模具受力大，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，模具設(shè)計(jì)需要考慮鐓制過程中模具受力情況和模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)要考慮材料加熱后膨脹以及鐓制成型冷卻后產(chǎn)品尺寸的收縮問題[13-14]。按螺母常用的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出專用模具三維結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。

圖8 模具三維結(jié)構(gòu)圖

使用此模具在鐓制加工過程中在模具六方面產(chǎn)生橫向裂紋以及六方對(duì)角處產(chǎn)生徑向裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品鐓制失敗，如圖9 所示。坯料在凹模型腔內(nèi)在凸模的作用下產(chǎn)生鐓粗變形，成形初始階段材料處于自由流動(dòng)狀態(tài)，成形載荷和模具受力較小，隨著鐓粗變形過程的進(jìn)行，坯料與凹模型腔的間隙越來越小，成形載荷和模具受力逐漸增大，尤其是最后六方角完全填充時(shí)，凸模與凹模型腔形成封閉區(qū)間，這時(shí)成形載荷和模具受力急劇增加達(dá)到最大。尤其是凹模型腔的六方角處，受徑向作用力較大時(shí)，易引起應(yīng)力的集中，導(dǎo)致模具開裂，如圖10 所示為鐓粗變形過程中凹模受力分析。利用Deform-3D 軟件對(duì)成形過程中模具的受力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，凹模應(yīng)力分布如圖11 所示，從圖中可以看出，成形過程中六方角處的應(yīng)力最大易于形成應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致模具產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過對(duì)模具結(jié)構(gòu)和模具受力情況分析，判斷出因模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致，由于產(chǎn)品規(guī)格大，鐓制時(shí)模具受徑向作用力較大，而合金芯加模套的組合方式達(dá)不到應(yīng)有的徑向力，導(dǎo)致鐓制時(shí)模具開裂。需要對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化才能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖9 模具開裂圖片

圖10 凹模受力分析

圖11 凹模應(yīng)力分布

5 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

成形過程的變形抗力較大時(shí)，只是增大模具壁厚的方法不能解決模具強(qiáng)度問題，根據(jù)材料力學(xué)的厚壁桶原理，采用組合凹模是解決模具縱向開裂的有效方法[15-16]。為了保證大規(guī)格產(chǎn)品鐓制加工過程中模具的質(zhì)量和壽命，將模具更改為三層組合模結(jié)構(gòu)，通過每層模具間的過盈配合來保證模具有足夠的預(yù)應(yīng)力，從而提高鐓制產(chǎn)品的尺寸一致性和模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由以下公式和圖12 可計(jì)算出每層模具尺寸和過盈量：

圖12 多層組合模具示意圖

合金芯外圓尺寸（中間層內(nèi)徑）：d2=d1×(0.07a+1.15)；

中間層外圓尺寸（外層內(nèi)徑）：d3=d2×(0.1a+1.2)；

外層外圓尺寸（組合模整體直徑)：d4=d1×a；合金芯與中間層過盈系數(shù)：β2=0.010 2-0.010 5；合金芯與中間層過盈量：u2=(0.010 2-0.010 5)×d2；中間層與外層過盈系數(shù)：β3=0.003 7-0.006 2；中間層與外層過盈量：u3=(0.003 7-0.006 2)×d3。

圖13 為優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)，為了保證模具結(jié)構(gòu)的可靠性，需要先對(duì)設(shè)計(jì)的三層組合模具進(jìn)行模具應(yīng)力分析，圖14 為優(yōu)化后模具應(yīng)力分析，從圖中可以看出，在相同條件下，模具應(yīng)力顯著減小。

圖13 優(yōu)化后三層預(yù)應(yīng)力組合模具

圖14 優(yōu)化后凹模應(yīng)力

將優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)重新加工，如圖15 所示為優(yōu)化后模具實(shí)物圖，利用該模具結(jié)構(gòu)鐓制了小批量GH4169 高溫合金螺栓，如圖16 所示。利用該模具鐓制的鍛件尺寸一致性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。且模具未出現(xiàn)開裂等問題，圖17 為加工完成的GH4169 高溫合金螺栓零件實(shí)物，對(duì)其進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。從表中可以看出，試驗(yàn)力值比較穩(wěn)定，斷裂樣件如圖18 所示。圖19和圖20 分別為螺栓頭部及螺紋的金屬流線分布圖，可見其流線基本沿零件輪廓分布，大大提高了零件的強(qiáng)度。

圖18 室溫拉伸后斷裂試樣

圖19 螺栓頭部金屬流線分布圖

圖20 螺紋金屬流線分布圖

表2 室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖15 優(yōu)化后模具實(shí)物圖

圖16 試制GH4169 高溫合金螺栓

圖17 加工完成的GH4169 高溫合金螺栓

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過有限元模擬，得出了成形過程中的載荷-行程曲線和金屬流動(dòng)規(guī)律，揭示了GH4169 高溫合金螺栓成形機(jī)理。

（2）在相同條件下，三層預(yù)應(yīng)力組合模具的凹模應(yīng)力比雙層預(yù)應(yīng)力組合模具的凹模應(yīng)力顯著降低，模具壽命滿足使用要求。

（3）本文提出的GH4169 高溫合金螺栓成形工藝和模具結(jié)構(gòu)是可行的，試制鍛件充填飽滿，尺寸一致性較好。為國(guó)內(nèi)超大規(guī)格GH4169 高溫合金螺栓的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)及其他相似零件具有指導(dǎo)意義。