文/李偉，楊大偉，林鶯鶯，林海·中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

精密鍛造具有生產(chǎn)效率高、成形質(zhì)量好、產(chǎn)品一致性高等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于非加工的表面或者異形構(gòu)件，采用精密鍛造不僅能夠滿足其非加工要求，同時(shí)可極大地減少機(jī)械加工量。結(jié)合PH13-8Mo 鍛件的設(shè)計(jì)形狀以及性能要求，優(yōu)化成形過程中制坯流程；采用有限元分析方法對(duì)制坯形狀進(jìn)行優(yōu)化，最終完成鍛件的優(yōu)質(zhì)高效成形。

PH13-8Mo 馬氏體沉淀強(qiáng)化不銹鋼以其超高的強(qiáng)度、優(yōu)良的抗沖擊腐蝕性能、較好的斷裂韌性、焊接性以及易加工性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。但由于其價(jià)格昂貴和硬度高，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式生產(chǎn)的PH13-8Mo 零件，不僅大幅度提高了零件的制造成本，同時(shí)也增加了其制造周期。

本文介紹了一種PH13-8Mo 鋼異形模鍛件控形控性一體化成形技術(shù)，采用預(yù)制坯+鍛造方法完成最終鍛件成形，利用有限元計(jì)算軟件對(duì)制坯的形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，然后對(duì)最終鍛件進(jìn)行組織和性能評(píng)價(jià)，為異形PH13-8Mo 鍛件制坯+鍛造成形提供理論依據(jù)。

鍛件及模具設(shè)計(jì)

本文中試制的PH13-8Mo 鍛件如圖1 所示。鍛件分為上下結(jié)構(gòu)，鍛件上部為帶有“T”字形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，下部為整體長(zhǎng)方體。鍛件總高度為125mm，下部長(zhǎng)方體高度為82mm，寬度僅為24mm；鍛件最大長(zhǎng)度為193mm，最大寬度為131mm。設(shè)計(jì)單邊余量3mm，上部斜度為5°，下部斜度為7°，未注明倒角為R3mm。

有限元數(shù)值模擬計(jì)算邊界參數(shù)設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定有限元模擬計(jì)算過程邊界參數(shù)如表1 所示。

表1 模擬基本參數(shù)

有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

PH13-8Mo 鍛件有限元數(shù)值模擬過程如圖2、圖3 所示，分別采用圓柱形坯料以及預(yù)制坯形狀坯料進(jìn)行有限元模擬。

如上述有限元計(jì)算結(jié)果，直接用圓柱形棒料成形，鍛件毛邊完全形成后，鍛件上部成形完整，鍛件下部分長(zhǎng)方體頂角處仍然未充滿，圖2 中紅圈部分存在缺肉缺陷。如果繼續(xù)增大壓力，不僅對(duì)鍛件成形模具形成巨大沖擊力，造成模具損壞，同時(shí)也增加壓力機(jī)悶車的風(fēng)險(xiǎn)。而采用預(yù)制坯后，在上部分充型完整時(shí)，下部也充型完整，整體鍛件質(zhì)量較好，故采用預(yù)制坯+模鍛方式制造。

預(yù)制坯方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述有限元結(jié)果，鍛件采用預(yù)制坯+模鍛方式完成最終成形，而模鍛過程中因模具型腔限制，變形量比較固定，對(duì)最終鍛件的組織以及性能無太大影響。故對(duì)成形鍛件影響比較大的過程在于預(yù)制坯制造環(huán)節(jié)。圖4 為不同溫度下采用圓棒直接鍛造制坯組織變化。

經(jīng)1100℃自由鍛制坯后的晶粒度為3 ～4 級(jí)；1050℃制坯后的組織為4 ～5 級(jí)；1020℃制坯后的晶粒度為5 ～6 級(jí)。為滿足晶粒度不粗于5 級(jí)的要求，選擇制坯溫度不大于1020℃。但是從圖4也可以看到，經(jīng)過1020℃制坯后，晶粒度接近5 級(jí)，在后續(xù)的模鍛過程中，極易因鍛造變形量不夠，造成晶粒長(zhǎng)大后粗于5 級(jí)。

圖5 顯示不同制坯方式下的組織變化。在制坯的工藝指導(dǎo)下，不僅考慮制坯工序的組織變化，同時(shí)也為后續(xù)的模鍛組織和性能準(zhǔn)備，在直接制坯的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了制坯工藝，先鐓拔一次后，再進(jìn)行制坯。

從圖5 中可以看到，原始材料的晶粒度約為7 ～8級(jí)，1020 ℃直接制坯后，晶粒度約為5 ～6 級(jí)，1020℃鐓拔一次后制坯，晶粒度約為7 ～8 級(jí)，接近原始材料的晶粒度，組織明顯好于直接制坯。

工藝方案驗(yàn)證

按照上述工藝方案，采用鐓拔+制坯+模鍛工藝，生產(chǎn)的鍛件如圖6 所示。從圖中可以看到，采用預(yù)制坯成形的鍛件充填非常完好，證明了有限元計(jì)算軟件的可靠性。

圖7 為鍛件的晶粒度照片，從圖中可以看到鍛件的晶粒比較均勻，晶粒度約為6 ～7 級(jí)。

結(jié)論

⑴PH13-8Mo 異形鍛件的成形選擇鐓拔+制坯+模鍛成形，為滿足晶粒度不粗于5 級(jí)要求，制坯及鍛造溫度選擇1020℃。

⑵制坯過程中應(yīng)先鐓拔一次后，再進(jìn)行制坯。

⑶對(duì)PH13-8Mo 鍛件進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析，其結(jié)果與鍛造結(jié)果一致，驗(yàn)證了鍛造全流程模擬的可靠性。