李蓬川

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司, 四川 德陽　618013)

中國第二重型機械集團公司的800MN液壓機自投產以來，生產現場多次發(fā)生因鍛模塑性變形造成的粘模、變形、塌陷等失效情況，嚴重影響了產品開發(fā)的效果和生產進度；在近年來投入現場的多套5CrNiMo鍛模壽命很不理想。

根據目前的使用情況，5CrNiMo鍛模無法滿足壓機上的小批生產，一般生產2～3件后鍛模變形大于10 mm：毛邊橋部磨損嚴重、凸臺變形呈倒拔模狀，造成卡模、變形等問題。在生產高溫合金、超高強鋼材質的產品時鍛模變形情況尤為明顯。以某鍛模為例，采用5CrNiMo材料經鍛造、調質及機械加工，在模鍛生產2-3件鍛件后，鍛模型腔表面失效，如圖1～圖2所示。

為了改善800MN液壓機用鍛模壽命低、制造成本高等現狀，采用重慶大學發(fā)明的雙金屬層堆焊強化方式再制造鍛模方法(發(fā)明專利號：ZL200910104604X)[1-3]，對800MN液壓機用某大飛機起落架鍛模進行再制造，增強所制備鍛模的綜合性能，提高鍛模使用壽命，降低鍛模制造成本。

針對某大型飛機起落架鍛模，運用專業(yè)有限元模擬軟件DEFORM對工作過程進行模擬[4-5]，分析鍛模服役過程的應力、應變、溫度及磨損等情況對鍛模使用壽命的影響，結合實驗得到材料隨溫度變化的力學性能，最終制定出鍛模再制造強化工藝，并在實際應用后與原5CrNiMo鍛模失效情況進行對比。

1　有限元模擬

研究對象為飛機起落架，建立起落架鍛造成形工藝模擬初始條件如下：

a) 坯料：A-100超高強度鋼；

b) 鍛模單元網格數量為200 000個，型腔部分按比例0.001局部細化，坯料網格數量100 000個；

c) 輻射系數0.3，熱對流系數0.02 N /s·mm·℃，熱傳導系數11 N/(s·mm·℃)；

d) 模擬熱傳導(Heat Transfer)時間：200s，時間增量每步1s。壓機工作速度：10 mm/s；

e) 摩擦邊界條件：本模型采用常摩擦模型(剪切摩擦模型)，

τ=m·K

式中：K為金屬的剪切屈服強度；m為剪切面上的摩擦因子，有潤滑摩擦，此處m=0.3；τ為接觸面上的摩擦切應力。

f) 模擬成形過程中，上模位移每步增量1 mm，每10步保存一次；

2　有限元模擬結果及分析

2.1　鍛模應力場分析

圖3、圖4、圖5為起落架上、下鍛模模鍛載荷最大時的應力場分布，從圖中可知上下模等效應力值主要分布在650～1 300 MPa，且上模應力小于下模應力。最大應力均出現在起落架兩端較復雜部位圓角處，均在1 200 MPa以上，主要因為隨著金屬逐漸充填型腔，金屬流動阻力增大，在鍛模圓角處金屬難以充滿，容易產生應力集中。為更好的反應鍛模型腔圓角處的等效應力分布狀態(tài)，對下模型腔剖切，觀察模體等效應力分布可知，下模型腔圓角處應力較為集中，均在650 MPa以上，深度約為50 mm，最大應力值為2 210 MPa。因此，對于該處的再制造鍛模材料的選取，其高溫抗壓縮強度應在650 MPa以上，同時，堆焊最小厚度值應不低于該值。

2.2　鍛模溫度場分析

熱鍛模的損傷結果表明：鍛模型腔表面的溫度波動區(qū)易出現裂紋，溫度波動區(qū)即為循環(huán)熱應力作用的區(qū)域，此區(qū)域受到的溫度和應力非常復雜。因此，鍛模的溫度場分析主要集中研究溫度波動區(qū)的溫度變化。從實際生產鍛造過程及模擬結果可知，下模因接觸熾熱鍛件時間較久因而其溫度較高，因此分析鍛模在熱模鍛過程中的溫度場分布，只需以下模為例。圖6、圖7表示的鍛模溫度場分布，從中可以看出最高溫度出現在最早接觸坯料的型腔邊緣(橋部)處，鍛件在擺料及空行程過程中，鍛件接觸鍛模時間較少，壓力較低，對鍛模傳熱少，鍛模溫升??；鍛壓時鍛件在高壓狀態(tài)與鍛模貼合，模溫上升加快；鍛造階段鍛件與鍛模在高壓下接觸，鍛模溫升劇烈。該部位的型腔表面易出現熱疲勞裂紋，導致最終鍛模失效。但溫度影響深度只有約13.45 mm(如圖8所示)，超過這個深度的部位溫度只有鍛模預熱溫度350 ℃，基本沒有影響。在熱滲透最深的型腔表面位置，溫度梯度較大，最容易產生熱應力和熱疲勞失效等，為接下來的鍛模再制造設計提供了理論依據。

2.3　鍛模磨損分析

1) 有限元磨損模型

采用Archard理論磨損模型預測鍛模在成形過程中的磨損量，其數學表達式如下：

式中: dw為磨損深度；P為鍛模表面正壓力；v為相對滑動速度；a、b、c為標準常數，對鋼而言，通常a、b取1，c取2；H為鍛模表面硬度，HRC；K為磨損系數；i為鍛模型腔表面節(jié)點； dt為時間增量。

如果在鍛造成形過程中，鍛模在每模鍛完一件產品后，都能進行充分的潤滑和冷卻，使鍛模始終處于良好的工作狀態(tài)，則可用公式大致估算鍛模的壽命。

2) 磨損結果分析

由于下模工作環(huán)境較上模惡劣，在生產中下模壽命遠低于上模，因此選取下模為研究對象分析鍛模磨損情況。從圖9可以看出，鍛模最大磨損出現在鍛模型腔大頭處。起落架型腔周邊亦有不同程度的磨損，主要集中在鍛模型腔橋部及凸臺處。說明在該處鍛模材料的硬度、韌性及強度在模鍛后有所變化，導致該部位材料產生變形。對于再制造鍛模應具備高硬度、高韌性，同時還具備一定的耐高溫性能。

從圖10起落架鍛模失效圖中可以看出，鍛模失效主要形式為由于坯料的擠壓而使鍛模橋部出現坍陷、橋部受擠壓變形。主要失效部位同磨損較為嚴重部位均處于同一位置，說明該磨損結果可靠性較高，根據有限元磨損結果能夠較好的預測鍛模發(fā)生塑性變形的部位。

3　鍛模再制造實施技術路線

以失效鍛模為鍛模基體，通過氣刨方式去除失效部位，而后在其上采用不同的焊材進行雙金屬梯度堆焊，再回火去應力，最后機加工成型。該技術能較好滿足鍛模鍛模在硬度、強度和韌性等方面的性能要求[6]，同時有效減少生產成本，可實現低成本、低能耗、短時間、高效率、高性能和高效益的制造鍛模。其大致步驟如下：

a、采用失效鍛模氣刨型腔部位，預留堆焊余量；

b、在待焊鍛模基體上沿預留堆焊余量處先一次堆焊強度和韌性稍好的過渡層，焊至鍛模型腔輪廓線下方一定厚度;

c、在過渡層上二次堆焊強化層，焊至型腔輪廓線上一定尺寸；

d、將二次堆焊完畢后的鍛模重復進行去應力回火；

e、對空冷后的鍛模進行機械加工，使鍛模各部分尺寸達到技術要求。

4　生產驗證

鍛模首先進行了兩個批次共六件產品的模鍛工作。并對模鍛后鍛模進行了檢測，包括：外觀、硬度、尺寸等。

模鍛前后硬度檢測：下模強化層硬度穩(wěn)定并略有升高，上模強化層硬度略有降低，過渡層硬度略有降低，大約為1～2HRC。如圖11、圖12所示。

模鍛前后采用三坐標尺寸檢測：鍛模最大磨損量為1.8 mm，如：圖13、圖14所示。

再制造鍛模模鍛六件后的檢測結果表明：效果很好，基本無變形、磨損、刮擦等現象，局部表面呈金黃色。原模鍛一件后的5CrNiMo鍛模，橋部大面積變形15～20 mm，局部型腔凹陷。壽命預計能提高十倍左右。模鍛前后效果對比如圖15～圖20所示。

至今，該修復的鍛模已穩(wěn)定生產30件，鍛模使用情況良好，經尺寸檢測鍛模無變形，壽命明顯提高。

5　結論

通過再制造強化方法修復失效鍛模，節(jié)約了模具制造成本，與原5CrNiMo鍛模相比，使用壽命有所提升，鍛件品質合格，單件鍛件成品的生產成本大大降低。如能在800MN液壓機用大型鍛模上廣泛推廣該技術，將產生顯著的經濟效益和社會效益，為行業(yè)的產能提升起到促進作用，也符合國家一再倡導的綠色再制造發(fā)展政策。

參考文獻：

[1]周杰,盧順,權國政,等.一種基于鑄鋼基體的雙金屬層堆焊制備鍛模的方法:中國,200910104604.X[P],2011-01-02.

[2]周杰,盧順.鍛模噴堆復合焊再制造方法:中國,ZL2010

10102411.3[P].2012-05-02.

[3]周杰,盧順.鍛模堆噴復合焊制備方法:中國,ZL2010

10102393.9[P].2011-04-06.

[4]呂彥明,邵燃,騰樹新.基于數值模擬的汽輪機葉片鍛模設計[J].熱加工工藝，2011，40(21):194-199.

[5]薛松,周杰,熊運森,等.TA15鈦合金大型整框鍛造成形數值模擬與實驗研究[J].熱加工工藝，2011，40(11):73-75.

[6]徐灝.機械強度設計中的安全系數和許用應力[J].機械強度,1981(2):39-45.

[7]李蓬川.大型航空模鍛件的生產現狀及發(fā)展趨勢[J].大型鑄鍛件,2011(2)：39-45.