文/蘇春民，魏志堅，葛金鋒，楊晉·貴州安大航空鍛造有限責任公司

盆狀鍛件成形工藝

文/蘇春民，魏志堅，葛金鋒，楊晉·貴州安大航空鍛造有限責任公司

GH4169是具有沉淀強化的鎳基高溫合金，在-253～700℃溫度范圍內具有良好的綜合性能，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能，能夠制造各種形狀復雜的環(huán)形零部件。GH4169盆形環(huán)件運用環(huán)軋工藝制坯，采用胎膜成形，可以用來加工成具有復雜界面形狀的環(huán)形零件，特別適用于零件截面與中軸線成一定角度的零部件。例如，航空發(fā)動機機匣，起到精化鍛件設計，節(jié)約原材料的作用。

本文以貴州安大航空鍛造有限責任公司重點項目盆形異型鍛件為研究對象。該鍛件使用GH4169高溫合金材料，運用胎模成形的工藝控制和模具設計。通過對鍛件設計、成形工藝、模具設計等方面的論述，闡述了采用胎模成形技術生產(chǎn)盆形異型鍛件的可行性，并成功交付零件。盆形異型鍛件的形狀和尺寸如圖1所示。

在設計該鍛件時，采用軋制的方法，難點主要是在盆狀的斜壁部分。從圖1可以看出，該產(chǎn)品斜壁的角度達到了50°，且壁厚較薄。如果采用軋制的方式成形，只能通過追加余料的方式逐漸減小斜壁部分的角度，這樣的方案會導致投料非常多，造成不必要的材料浪費。在鍛造技術中，胎模成形屬于半開式模鍛。采用胎模成形的鍛件具有所有鍛造產(chǎn)品的優(yōu)點，另外具有比自由鍛鍛件更高的精度，而且還能夠得到更為復雜的形狀。所以，我們考慮使用大型胎模成形的方法，使產(chǎn)品通過完全貼模來成形。不過在產(chǎn)品成形的過程中，要克服較大的變形抗力，通過較大的設備能力和使用多個胎模沖頭讓鍛件貼模。

圖1 盆形異型鍛件的形狀和尺寸

研制結果與分析

有限元分析

DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過在計算機上模擬整個加工過程，幫助工程師和設計人員，設計工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本。提高模具設計效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。通過DEFORM軟件分析，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品成形過程中存在以下問題，我們根據(jù)存在問題的不同，采取不同的措施。

圖2 模擬結果

⑴小頭外徑加工余量小。造成小頭外徑加工余量小的因素包括：在第二預成形沖頭沖入時，坯料上半部分彎曲角度增大，使得鍛件下半部分以小頭外徑的筋高處為支點進行翹曲，如圖2所示。為了保證鍛件小頭外徑尺寸，通過模擬分析將陰模小頭尺寸在原鍛件小頭外徑尺寸基礎上加大6mm。

⑵小頭內徑筋高、大頭外徑、大頭外徑的筋高三處余量緊張。①小頭內徑筋高。為了控制小頭內徑筋高，在保證鍛件小頭外徑尺寸的前提下，縮小陽模尺寸，在原鍛件小頭內徑尺寸基礎上縮小6mm；②大頭外徑、大頭外徑筋高。為了保證大頭外徑、大頭外徑筋高，采用增大坯料高度及在陰模上設計一處臺階，阻止大頭外徑向外延伸，而保證向高度方向增長的方式來達到鍛件要求的尺寸如圖2所示。

圖3 坯料變形區(qū)應力狀態(tài)圖

⑶陽模壓不到位。擴孔時坯料變形區(qū)應力狀態(tài)如圖3a所示，變形開始處D4點的應力狀態(tài)為αρ=-αs＜0，αθ=0，根據(jù)屈服軌跡如圖3b所示，可知該加載軌跡位于第四象限。隨著變形的發(fā)展由橢圓上C4出發(fā)沿橢圓軌跡向A4（αρ=0，αθ=αs）前進，變形終了A4在橢圓上所對應的點位置取決于αθ值的大小。若變形量大，潤滑差，αθ較大，A4點可落在B4、A4之間。圖3b中B4點的應力狀態(tài)順序為α1=αθ，α2=αt=0，α3=αρ=-αθ，則此處的中間主應力α2=（α1+α3）/2=0，即B4點處的厚度方向的應變增量dεt=0。所以在變形開始階段即C4、B4，dεt≥0，dερ＜0，dεθ＞0，在此階段壁厚變化是先增大，然后減小至原來的壁厚，高度減小，外徑增大。隨著變形的持續(xù)進行，變形進入B4、A4之間，在A4點變形結束。此時dεt＜0、dερ＜0、dεθ＞0，即最終鍛件的壁厚和高度減小，直徑增大。

圖4 工藝流程圖

環(huán)坯制備因加入燒損率，修傷所需的余量通常通過控制內、外徑，控制內徑及高度，控制外徑及高度，三種方法中之一來控制環(huán)坯。

根據(jù)擴孔成形的原理及模具設計，陽模的小頭外徑、陰模的小頭內徑尺寸已經(jīng)固定，也就意味著環(huán)坯的內外徑尺寸被確定。當采用方法控制內徑及高度或者控制外徑及高度必然造成壁厚加厚，使得陽模無法壓到位。因此，工藝制坯對坯料采用內外徑控制，可以避免陽模壓不到位的問題。

工藝流程的確定

根據(jù)前期的準備和研究工作，最終確定該項鍛件采用φ250mm的棒料在1250t水壓機上制坯，在φ1800mm軋機上軋成環(huán)坯，再經(jīng)多火次、逐步采用各角度沖頭掰環(huán)坯角度。由于涉及的產(chǎn)品變形抗力大，所以使用水壓機成形時，采用機械手轉動胎模和鍛件的同時，采用局部下壓的方式進行成形。工藝流程過程如圖4所示。

圖5 盆形異型鍛件的實物

盆形異型鍛件投產(chǎn)

通過大量的技術準備，該圖號的鍛件投產(chǎn)，其外形尺寸及各項測試指標均達到設計和標準的要求，該產(chǎn)品已正式交付需方。該特大盆形異型鍛件的實際鍛件和機加后的形狀如圖5所示。

結束語

本文通過理論與實際生產(chǎn)相結合成功生產(chǎn)出該盆形異型鍛件，得出兩條結論。

⑴該盆形異型鍛件的成功研制，充分證明了采用胎模生產(chǎn)盆形鍛件的熱加工技術在生產(chǎn)上的可行性，同時該技術能彌補環(huán)軋技術不能生產(chǎn)大斜度環(huán)件的缺陷。類似的盆形胎模成形件可以參照執(zhí)行。

⑵盆形胎模成形的鍛件需要較強的設備能力支撐。生產(chǎn)該件異型鍛件時采用水壓機進行成形，設備由于老化的情況比較嚴重，生產(chǎn)時壓力不足，若設備的情況良好，鍛件貼模的程度和成形情況會更好。