徒延萍 張富淇 張海成,3 謝小川 喬燕燕

(1．中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,陜西 西安 710089;2．中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司,四川 德陽 618000;3．重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400000)

隨著科技的發(fā)展,對鍛件生產(chǎn)提出了新的精益制造要求,特別是對大型鍛件,若能實現(xiàn)精益制造,可大幅度降低生產(chǎn)成本、提升材料利用率并能提升鍛件質(zhì)量。

300M鋼是一種低碳低合金超高強(qiáng)度鋼,材料室溫屈服強(qiáng)度≥1800 MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1860～2070 MPa[1-3]。因其強(qiáng)度高、橫向塑性好、斷裂韌性高、疲勞性能好、抗腐蝕性能好等特點,300M鋼成為最常用的飛機(jī)起落架用材料。精益鍛壓技術(shù)具有一定的先進(jìn)性,主要體現(xiàn)在對鍛件生產(chǎn)過程中所涉及的鍛壓工藝、鍛壓設(shè)備以及對鍛件材料質(zhì)量的控制等諸多方面,為各行業(yè)承力結(jié)構(gòu)提供優(yōu)質(zhì)、精密、高效、環(huán)保、低成本的鍛件。模鍛成形工藝可實現(xiàn)大噸位、復(fù)雜鍛件的生產(chǎn),并且能達(dá)到減少火次、縮短工藝流程、降低成本的目的。利用棒料進(jìn)行多工步變形,獲得與終鍛件形狀相近的荒坯,通過模鍛壓制最終成形終鍛件,可代替自由鍛工藝生產(chǎn)鍛件,獲得組織均勻的模鍛件同時也為金屬流線等的級差控制奠定了基礎(chǔ)[4-7]。

300M鋼搖臂鍛件,原生產(chǎn)工藝為自由鍛,鍛件重量高、加工量大,生產(chǎn)成本高且效率較低。基于上述問題,為降低生產(chǎn)成本、提升工作效率、保證鍛件生產(chǎn)過程穩(wěn)定性,本研究擬采用模鍛成形工藝代替原自由鍛工藝。通過對模鍛件的隨形精益設(shè)計,實現(xiàn)鍛件重量減輕605 kg;結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗采用數(shù)值模擬技術(shù),制定了鍛件的模鍛成形工藝方案,很好地保證了鍛件生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性;此外,實現(xiàn)原材料消耗減少68%,大幅降低了產(chǎn)品制造成本。最終通過實際生產(chǎn)驗證,實現(xiàn)了通過模鍛成形工藝降本增效的目的,并且鍛件質(zhì)量得到了提升。

1 工藝方案制定

1.1 鍛件設(shè)計

搖臂零件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示:零件整體呈“T”形,外廓尺寸較大,最大尺寸達(dá)800 mm;橫軸細(xì)而長、長度和直徑比達(dá)9.5;縱軸截面變化劇烈,桿部中間有200 mm高包,且附近有橫向延伸50 mm凸臺。橫軸和突出高包成形難度極大。

傳統(tǒng)的搖臂產(chǎn)品生產(chǎn)采用自由鍛件,如圖1(b)所示,采用沿最大輪廓“包裹式”設(shè)計,高包位置下臺階成形,性能測試位置在縱軸的末端。該自由鍛件的主要成形難度為:(1)桿部分料難度大,極易形成端面“窩心”,需通過增加敷料保證分料尺寸、消除缺陷;(2)橫軸的尺寸對高包的位置有很大影響,導(dǎo)致高包向尾部竄動而不能滿足鍛件外形要求。傳統(tǒng)的自由鍛成形有材料消耗高、報廢率高等劣勢。

隨著鍛件進(jìn)入批量生產(chǎn)階段,傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足低成本、高穩(wěn)定性、高質(zhì)量的要求。本文以搖臂鍛件為研究對象,將自由鍛件改制為模鍛件,隨形設(shè)計的模鍛件如圖1(d)所示,形狀復(fù)雜程度達(dá)到S4復(fù)雜等級。為滿足機(jī)械加工要求,縱軸頭尾增加了工藝夾頭,性能測試與自由鍛件相同,位于縱軸末端。模鍛件的成形難度為:(1)“十”字形的荒坯制備;(2)細(xì)長支臂和桿部高包的成形。

1.2 鍛件成形方案

合理的模鍛件成形方案需考慮材料的成形特性、荒坯形狀與終鍛件的匹配性等因素。良好的荒坯形狀是保證鍛件成形的關(guān)鍵因素,荒坯形狀與終鍛模具型腔的設(shè)計直接影響鍛造過程中金屬的流動情況,最終影響著鍛件的成形[8-9]。合理的荒坯設(shè)計能有效控制金屬在十字支臂位置以及桿部高包位置的流動方向,可獲得充填良好、流線完整、變形均勻的鍛件,此外,還能實現(xiàn)鍛件一次模鍛成形,減少鍛造成形火次,有效保證鍛件的性能[10-11]?；诖?本文采用數(shù)值模擬軟件開展方案制定、工作優(yōu)化,進(jìn)行工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和應(yīng)用環(huán)境驗證,反復(fù)分析產(chǎn)品制造的可行性、可操作性。

最終確定模鍛成形方案如圖2(a)所示,具體成形過程為:(1)采用專用的鐓粗工裝,對棒料進(jìn)行鐓粗頭部,保證鐓粗后頭部長度及直徑滿足荒坯十字支臂位置尺寸要求,鐓粗后荒坯形狀如圖2(b)所示;(2)采用平砧對荒坯桿部進(jìn)行分段拔長,拔長后保證荒坯桿部長度及截面尺寸分配滿足鍛件成形的需求,在鍛件高包位置相應(yīng)的荒坯截面尺寸應(yīng)能保證鍛件高包的充填,荒坯支臂拔長后形狀如圖2(c)所示;(3)繼續(xù)對荒坯十字支臂進(jìn)行拔長,先拔長桿部、再對支臂位置進(jìn)行拔長,此種方式更方便支臂拔長的操作、提升拔長效率,并能保證荒坯交叉位置無折疊、裂紋等缺陷的產(chǎn)生,荒坯桿部拔長并修整后的形狀如圖2(e)所示;(4)將“十”字形荒坯放入模具型腔,實現(xiàn)一火次鍛造成形,可有效避免多火次成形的不確定因素,達(dá)到提升效率、保證鍛件性能的目的,壓制完成后模鍛件形狀如圖2(f)所示。

(a)模鍛成形方案

鍛件數(shù)值模擬成形溫度場如圖3所示,由圖3(a)、(b)鍛件表面及截面溫度場分布情況可知,鍛件整體溫度范圍為900～1130℃,從鍛件表面到芯部,溫度逐漸降低。與模具接觸的鍛件表面,由于熱交換造成了一定的熱量損失,表面溫度較低,約為865～950℃,鍛件內(nèi)部溫度最高1130℃,無過熱現(xiàn)象。

鍛件數(shù)值模擬成形應(yīng)變場如圖4所示,由圖4(a)、(b)鍛件表面及截面應(yīng)變場分布情況可知,鍛件飛邊區(qū)域應(yīng)變最大,鍛件等效應(yīng)變在高包位置附近明顯大于鍛件其他位置,主要是因為在該區(qū)域附近,鍛件的形狀差異導(dǎo)致其成型過程中變形劇烈,產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變增加。根據(jù)應(yīng)變圖可知,最終成形時鍛件本體的真應(yīng)變均小于1.5,在可控范圍之內(nèi),滿足要求。由鍛件整體應(yīng)變分布情況可知,鍛件除高包區(qū)域外,其余位置等效應(yīng)變分布均勻性相對較好。

鍛件典型特征位置金屬流動情況如圖5所示。圖5(a)、(b)為鍛件高包位置金屬流向,圖5(c)、(d)為鍛件十字支臂位置金屬流向,兩處特征均為鍛件較難成形位置,充填較晚。由圖5(a)、(b)可知,鍛件高包在初期為反擠成形,金屬向上流動,后期為鐓粗成形,金屬向下流動,當(dāng)金屬向下流動時,說明高包位置完全充滿;由圖5(c)、(d)可知,鍛件支臂位置金屬從芯部向兩側(cè)流動,隨著上、下模距離的逐漸減小,金屬向兩側(cè)流動速度逐步降低,在鍛件支臂充填完成時,兩側(cè)金屬均向鍛件分模面位置流動。

圖6所示為鍛件高包位置流線情況,由圖可知,高包位置金屬流線流暢、平滑、隨形,桿部與高包位置有序過渡,未出現(xiàn)明顯的間斷區(qū)域,未出現(xiàn)紊流、渦流、穿流等情況。相對于該高包位置流線為切斷狀態(tài)的自由鍛件,具有明顯的優(yōu)勢,該區(qū)域力學(xué)性能將明顯優(yōu)于自由鍛件。

(a)鍛件成形結(jié)束時高包特征

2 生產(chǎn)驗證

通過數(shù)值模擬,確定鍛件生產(chǎn)在壓機(jī)上進(jìn)行模鍛,在快鍛機(jī)上進(jìn)行制坯。鍛造生產(chǎn)工藝流程具體為:棒料鐓粗→支臂拔長→桿部拔長→支臂拔長→修整→模鍛成形→熱處理→取試→理化檢測。鍛造完成后鍛件實物如圖7所示。搖臂模鍛件鍛造完成后,表面無裂紋、折疊等表面缺陷,鍛件滿足相關(guān)技術(shù)條件要求,已實現(xiàn)模鍛件的批量生產(chǎn),有效地提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。

3 理化結(jié)果

按照標(biāo)準(zhǔn)要求,對所生產(chǎn)批次鍛件進(jìn)行晶粒度測試、宏觀組織檢測以及室溫拉伸性能測試。模鍛件的取試位置與自由鍛工藝所生產(chǎn)鍛件取試位置保持一致,均在鍛件端頭位置,取試位置如圖8所示。

表1所示為自由鍛件以及本研究所生產(chǎn)模鍛件晶粒度以及宏觀組織檢測結(jié)果。由表中微觀照片結(jié)果可知,模鍛件晶粒度為7.5級,自由鍛件晶粒度為8級,均滿足ASTM E112-13標(biāo)準(zhǔn)要求,檢驗合格。由表中宏觀照片可知,鍛件截面均無縮孔、裂紋、疏松、偏析、夾雜物以及其他缺陷,均不差于ASTM A604宏觀照片,滿足AMS 6417標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 鍛件強(qiáng)度性能對比Figure 9 Comparison of forging strength performance

表2所示為原自由鍛工藝以及本研究采用模鍛工藝生產(chǎn)鍛件的4組試樣室溫拉伸性能結(jié)果平均值。AMS 6417標(biāo)準(zhǔn)要求鍛件屈服強(qiáng)度≥1517 MPa,抗拉強(qiáng)度≥1862 MPa,斷后伸長率≥8%,斷面收縮率≥30%,由表2可知,兩種工藝生產(chǎn)的鍛件室溫拉伸性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且均有一定的富裕量。圖9所示為自由鍛件與本研究所生產(chǎn)模鍛件的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度結(jié)果,對比兩種工藝鍛件強(qiáng)度性能結(jié)果,模鍛件抗拉強(qiáng)度均值為2032 MPa,且結(jié)果均≥2000 MPa,屈服強(qiáng)度均值為1721 MPa,且結(jié)果均≥1700 MPa;原自由鍛工藝生產(chǎn)鍛件的抗拉強(qiáng)度均值為2002 MPa,屈服強(qiáng)度均值為1682 MPa;結(jié)果可知,模鍛件力學(xué)性能優(yōu)于自由鍛件,這與兩種成形工藝變形過程的差異有關(guān),且模鍛流線連續(xù)、隨形等特點,都能保證鍛件良好的性能。

表2 鍛件室溫拉伸性能對比Table 2 Comparison of tensile propertiesof forgings at room temperature

4 結(jié)論

(1)本研究借助數(shù)值模擬技術(shù)獲得了鍛件的模鍛成形工藝。通過荒坯形狀以及工裝的合理設(shè)計,保證了制坯工藝的穩(wěn)定性以及荒坯的一致性。合理的荒坯形狀進(jìn)一步保證了模鍛一火次成形,大幅縮短了模鍛生產(chǎn)流程,鍛件生產(chǎn)效率明顯提升、成本得到有效控制。

(2)采用本文所述模鍛工藝生產(chǎn)的鍛件,充填效果良好、無表面缺陷,溫度場、應(yīng)變場分布合理且均勻性較好,金屬流線流暢、平滑、隨形,桿部與高包位置有序過渡,未出現(xiàn)紊流、渦流、穿流等情況。

(3)采用該工藝生產(chǎn)的300M鋼模鍛件組織、性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且有一定富裕量,與自由鍛工藝生產(chǎn)的鍛件性能相比,強(qiáng)度相對較高,模鍛工藝優(yōu)于自由鍛成形工藝。