文/曹鎮(zhèn)君·空軍裝備部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室

韓志飛，施文鵬·江西景航航空鍛鑄有限公司

為解決飛機(jī)用1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件表面質(zhì)量差、鍛造工序多、模具壽命低的問題，基于DEFROM 數(shù)值模擬軟件對飛機(jī)用1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件鍛造過程進(jìn)行研究。結(jié)果表明：通過增加預(yù)鍛，減少鍛件對終鍛型腔的磨損，提高了模具的使用壽命。通過使用抱切模進(jìn)行切邊，保證了切邊質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了一火次鍛造。采用優(yōu)化工藝的試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，模具壽命得到了顯著提高，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

1Cr17Ni2 不銹鋼屬于馬氏體不銹鋼，一般經(jīng)淬回火后在400℃下使用，具有較優(yōu)的力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及機(jī)械加工性能。國內(nèi)外學(xué)者對1Cr17Ni2 不銹鋼成分的控制、耐腐蝕性能以及鍛件工藝做了大量研究，結(jié)果表明：1Cr17Ni2 不銹鋼在900℃以上有良好的塑性，其塑性是由動態(tài)再結(jié)晶完成程度及體積分?jǐn)?shù)決定的，動態(tài)再結(jié)晶越充分，1Cr17Ni2 不銹鋼塑性就越好。

1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓傳統(tǒng)鍛造工藝

由圖1、圖2 可以看出，1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件屬于長軸類鍛件，廣泛應(yīng)用于各類軍、民用飛機(jī)上，并且每架飛機(jī)上的應(yīng)用數(shù)量巨大。鍛件形狀為兩個圓柱交叉，其中，φ6.8mm 圓柱面為非加工面，鍛件外形尺寸公差要求較高。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工序見圖3，可以看出，鍛造環(huán)節(jié)工序較多，存在過程控制不穩(wěn)定現(xiàn)象；另一方面，生產(chǎn)工序較多且產(chǎn)品的數(shù)量巨大，導(dǎo)致鍛件生產(chǎn)成本急劇上升。

圖1 螺栓鍛件圖

圖2 螺栓三維造型

圖3 傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工序

采用傳統(tǒng)鍛造工藝生產(chǎn)的1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件存在報廢率高，生產(chǎn)周期長，模具壽命短等情況，通過對前期公司內(nèi)生產(chǎn)螺栓鍛件的合格率、生產(chǎn)周期以及模具壽命等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件會造成大量的成本浪費(fèi)。

優(yōu)化后的鍛造工藝方案

通過對1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件傳統(tǒng)鍛造工藝方案分析可知，造成生產(chǎn)工序繁多的因素主要有以下幾點(diǎn)：鍛造一火后鍛件欠壓量較大，鍛件不符合圖樣要求；鍛后切邊存在大量拉毛刺的現(xiàn)象，需要人工打磨去除毛刺，影響了生產(chǎn)效率，提高了人工生產(chǎn)成本；鍛造過程中模具極易失效，鍛件形狀尺寸不符合要求；切邊過程使鍛件產(chǎn)生翹曲，需要增加校正工序來消除鍛件翹曲；校正工序中的加熱過程易產(chǎn)生氧化皮且不易去除，影響鍛件表面質(zhì)量。

由此可知，最根本的問題主要集中在：第一，鍛造模具的使用壽命以及一火后的鍛件尺寸情況；第二，鍛件切邊時，長桿類鍛件極易產(chǎn)生鍛件翹曲，不得不增加校正工序?，F(xiàn)對鍛造模具以及切邊模具進(jìn)行優(yōu)化，并基于DEFORM軟件對優(yōu)化后的工藝進(jìn)行仿真模擬，通過模擬結(jié)果進(jìn)一步對模具尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出預(yù)鍛型腔，預(yù)鍛型腔的主要結(jié)構(gòu)與終鍛類似，主要對預(yù)鍛型腔的毛邊結(jié)構(gòu)以及鍛件凹圓角處進(jìn)行優(yōu)化，增大凹圓角，避免金屬的劇烈流動造成模具壽命的降低。預(yù)鍛型腔的主要作用為：使主要變形在預(yù)鍛型腔上，減少終鍛型腔的磨損，保證鍛件的使用壽命；將多余的金屬通過預(yù)鍛排出，最后在終鍛型腔上進(jìn)行打靠，保證鍛件欠壓量在可控制范圍內(nèi)。

抱切模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行抱切模設(shè)計，根據(jù)沖壓手冊上的落料沖孔復(fù)合模以及鍛件的實(shí)際情況，1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件抱切模具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 首次設(shè)計的抱切模裝配圖

工作原理：終鍛之后的鍛件(帶毛邊）放到下頂芯上(頂芯根據(jù)鍛件形狀進(jìn)行制造，保證鍛件平穩(wěn)），啟動切邊壓力機(jī)；最先由陽模和鍛件接觸，接觸后陽模繼續(xù)向下移動，陽模與陰模對鍛件毛邊部分進(jìn)行剪切，切除鍛件毛邊；當(dāng)設(shè)備到達(dá)下死點(diǎn)，陽模與陰模完成切邊，設(shè)備帶著陽模上行，鍛件在下彈簧的回復(fù)力作用下頂出陰模，最后用鉗子夾取鍛件以及毛邊。抱切模的主要作用是控制1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件的翹曲，避免增加校正工序。

數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)上述問題分析，增加預(yù)鍛型腔來減少終鍛型腔的磨損，保證產(chǎn)品質(zhì)量。基于DEFORM 有限元數(shù)值模擬軟件，模擬終鍛型腔的磨損情況，對比直接成形模具與預(yù)鍛、終鍛模具磨損深度。

表1 通用鍛造工藝參數(shù)

圖5 為直接終鍛的上下模具型腔的磨損深度分布圖，由圖可以看出上模磨損深度最大數(shù)值為0.00614mm，下模磨損深度最大數(shù)值為0.00622mm，下模磨損深度數(shù)值高于上模，因?yàn)橄履Ｊ紫冉佑|坯料，導(dǎo)致下模型腔溫度高于上模，在成形過程中，下模更易磨損。

圖5 直接終鍛模具磨損深度分布

圖6 為預(yù)鍛終鍛的上下模具型腔的磨損深度分布圖，由圖可以看出上模磨損深度最大數(shù)值為0.00373mm，下模磨損深度最大數(shù)值為0.00370mm，磨損深度小于直接成形的模具。

圖6 預(yù)鍛終鍛模具磨損深度分布

由上述分析可知，預(yù)鍛、終鍛成形模具的合理選擇對模具壽命有顯著的提升，為后續(xù)批量生產(chǎn)1Cr17Ni2 不銹鋼螺栓鍛件提供了穩(wěn)定的保障。

最終優(yōu)化后的鍛造工藝流程

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝改進(jìn)優(yōu)化，優(yōu)化后的螺栓鍛造工藝流程見圖7，通過增加預(yù)鍛以及增加抱切模的設(shè)計可以減少大量的鍛后打磨工作以及校正工序增加的成本浪費(fèi)，有效地減少了產(chǎn)能浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率。

圖7 優(yōu)化后工藝生產(chǎn)工序

優(yōu)化后批量生產(chǎn)驗(yàn)證

對優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行樣件試制，試制產(chǎn)品見圖8。經(jīng)過優(yōu)化后的工藝生產(chǎn)出的鍛件毛邊、表面質(zhì)量以及鍛件質(zhì)量符合要求，同時，模具壽命也得到了顯著地提高。

圖8 工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的鍛件

結(jié)論

⑴基于DEFORM數(shù)值模擬軟件對模具磨損進(jìn)行分析，后經(jīng)生產(chǎn)試制，試制結(jié)果與模擬結(jié)果吻合，實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

⑵利用優(yōu)化后的工藝方案生產(chǎn)多批次鍛件，根據(jù)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的鍛造工藝生產(chǎn)的鍛件表面質(zhì)量良好，減少了大量的打磨工作。其余的各項(xiàng)指標(biāo)也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。優(yōu)化工藝方案合理、可行，可為同類型鍛件的鍛造工藝提供設(shè)計思路。