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，河南 洛陽 471023）

0 引言

A286高溫合金自鎖螺母是用于高溫高強度工況下的緊固件，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化作用，在650℃以下具有高的屈服強度和持久蠕變強度，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)動機高溫承力部件，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變速率下的壓縮試驗，對其應力應變關系進行研究，獲得該材料室溫下不同應變速率的變形抗力和加工硬化趨勢。通過模擬試驗機提取相關數(shù)據(jù)，導入DeForm數(shù)值模擬軟件中，為后續(xù)相關的研究提供理論依據(jù)。采用經驗與有限元數(shù)值模擬技術相結合的研究方法，能節(jié)約生產成本、減少工藝、縮短模具設計及調試周期，對模具結構和工藝過程進行優(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)強化理論，必須綜合運用形變強化、固溶強化、第二項強化和細晶強化使其性能達到要求。A286高溫合金屬于沉淀強化高溫合金，在固溶處理的過程中析出相γ′均勻分布于固溶體中，在時效處理的過程中γ′相彌散析出，提升材料的強度。除了第二項強化外，還需要綜合運用形變強化和細晶強化提升零件的性能。

圖1 高溫合金自鎖螺母

根據(jù)零件的形狀特點提供以下3種成形工藝方案。

（1）方案1采用φ33 mm的棒料機械加工，該加工方法工序多，材料利用率低，生產效率低，零件的生產成本高，成形過程中只有第二項強化，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)機加工內孔、切槽。該方案利用了材料塑性較好的特點，采用擠壓方式成形，六方面和法蘭面的成形質量能達到尺寸精度要求，提高材料利用率和生產效率，其綜合性能得到強化。但實際情況是采用該方法成形的零件力學性能不達標，軸向載荷不能滿足設計要求。

（3）方案3在熱處理穩(wěn)定的情況下，要想達到最佳力學性能，只能在形變強化上進行處理，在方案2正擠壓的基礎上加大變形量，為此考慮采用復合擠壓的方法：采用擠壓成形六方面和錐面，同時擠出一個帶連皮的孔。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→時效處理→機加工。

A286高溫合金是以γ′相為強化相的沉淀強化型高溫合金，在擠壓前進行固溶處理的目的是使基體內的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，測定A286高溫合金在室溫下不同應變速率的應力應變曲線。試驗所用材料為固溶態(tài)A286，其化學成分如表1所示，分析其室溫變形時流動應力的變化規(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，提高工藝設計計算和有限元仿真的精度。

表1 A286高溫合金的化學成分 質量分數(shù)

將經過固溶處理的A286高溫合金根據(jù)試驗要求制備3個φ6 mm×10 mm試樣，在Gleeble 1500D試驗機上進行應變速率分別為0.1、1、10的應力應變試驗，試驗采集數(shù)據(jù)后繪制的應力應變曲線如圖2所示。

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

除flow stress（流動應力）的數(shù)據(jù)通過應力應變試驗采集外，還有以下一些數(shù)據(jù)通過查閱資料獲取，然后導入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上對零件進行分析，確定擠壓成形零件的毛坯結構，如圖3所示。

圖3 毛坯結構

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、縮短計算時間，對模擬條件進行如下規(guī)定或假設。

（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 復合擠壓數(shù)值模擬裝配體

（2）壓力機滑塊的工作速度為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)約時間并提高模擬精度，取1/6毛坯計算。

3.3 模擬結果分析

螺母最終模擬成形結果如圖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，尺寸精度符合設計預期。成形過程中的行程—載荷曲線如圖6所示。

圖5 最終模擬成形結果

3.4 變形量計算

圖6 復合擠壓行程--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 模具結構及工作過程

根據(jù)螺母擠壓毛坯和模擬裝配圖，設計螺母擠壓模，模具結構如圖7所示。

將潤滑處理的毛坯放在凹模24內，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，上模座帶動拉桿上行，拉桿帶動拉板、頂料桿、頂桿等運動，將成形零件頂出，最終成形的零件如圖8所示。

圖7 擠壓模結構

圖8 擠壓件實物

在720℃對擠壓的螺母毛坯進行16 h時效處理，然后對螺母進行機加工，通過對螺母進行硬度和軸向載荷的檢測，結果顯示各項性能均達到設計要求。

5 結束語

（1）通過在Gleeble 1500D試驗機上進行應力應變曲線試驗，將采集的數(shù)據(jù)導入數(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)值模擬技術相結合的研究方法，不僅能節(jié)約生產成本、縮短工藝和模具設計周期，還可以在設計階段對設計方案進行優(yōu)化。

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

（4）采用形變強化、固溶處理強化和第二項強化相結合的方式能提高A286高溫合金的強度。