盆状锻件成形工艺

2012-10-23苏春民魏志坚葛金锋杨晋贵州安大航空锻造有限责任公司

锻造与冲压 2012年13期

文/苏春民，魏志坚，葛金锋，杨晋·贵州安大航空锻造有限责任公司

盆状锻件成形工艺

文/苏春民，魏志坚，葛金锋，杨晋·贵州安大航空锻造有限责任公司

GH4169是具有沉淀强化的镍基高温合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能，能够制造各种形状复杂的环形零部件。GH4169盆形环件运用环轧工艺制坯，采用胎膜成形，可以用来加工成具有复杂界面形状的环形零件，特别适用于零件截面与中轴线成一定角度的零部件。例如，航空发动机机匣，起到精化锻件设计，节约原材料的作用。

本文以贵州安大航空锻造有限责任公司重点项目盆形异型锻件为研究对象。该锻件使用GH4169高温合金材料，运用胎模成形的工艺控制和模具设计。通过对锻件设计、成形工艺、模具设计等方面的论述，阐述了采用胎模成形技术生产盆形异型锻件的可行性，并成功交付零件。盆形异型锻件的形状和尺寸如图1所示。

在设计该锻件时，采用轧制的方法，难点主要是在盆状的斜壁部分。从图1可以看出，该产品斜壁的角度达到了50°，且壁厚较薄。如果采用轧制的方式成形，只能通过追加余料的方式逐渐减小斜壁部分的角度，这样的方案会导致投料非常多，造成不必要的材料浪费。在锻造技术中，胎模成形属于半开式模锻。采用胎模成形的锻件具有所有锻造产品的优点，另外具有比自由锻锻件更高的精度，而且还能够得到更为复杂的形状。所以，我们考虑使用大型胎模成形的方法，使产品通过完全贴模来成形。不过在产品成形的过程中，要克服较大的变形抗力，通过较大的设备能力和使用多个胎模冲头让锻件贴模。

图1 盆形异型锻件的形状和尺寸

研制结果与分析

有限元分析

DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员，设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。提高模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。通过DEFORM软件分析，发现在产品成形过程中存在以下问题，我们根据存在问题的不同，采取不同的措施。

图2 模拟结果

⑴小头外径加工余量小。造成小头外径加工余量小的因素包括：在第二预成形冲头冲入时，坯料上半部分弯曲角度增大，使得锻件下半部分以小头外径的筋高处为支点进行翘曲，如图2所示。为了保证锻件小头外径尺寸，通过模拟分析将阴模小头尺寸在原锻件小头外径尺寸基础上加大6mm。

⑵小头内径筋高、大头外径、大头外径的筋高三处余量紧张。①小头内径筋高。为了控制小头内径筋高，在保证锻件小头外径尺寸的前提下，缩小阳模尺寸，在原锻件小头内径尺寸基础上缩小6mm；②大头外径、大头外径筋高。为了保证大头外径、大头外径筋高，采用增大坯料高度及在阴模上设计一处台阶，阻止大头外径向外延伸，而保证向高度方向增长的方式来达到锻件要求的尺寸如图2所示。

图3 坯料变形区应力状态图

⑶阳模压不到位。扩孔时坯料变形区应力状态如图3a所示，变形开始处D4点的应力状态为αρ=-αs＜0，αθ=0，根据屈服轨迹如图3b所示，可知该加载轨迹位于第四象限。随着变形的发展由椭圆上C4出发沿椭圆轨迹向A4（αρ=0，αθ=αs）前进，变形终了A4在椭圆上所对应的点位置取决于αθ值的大小。若变形量大，润滑差，αθ较大，A4点可落在B4、A4之间。图3b中B4点的应力状态顺序为α1=αθ，α2=αt=0，α3=αρ=-αθ，则此处的中间主应力α2=（α1+α3）/2=0，即B4点处的厚度方向的应变增量dεt=0。所以在变形开始阶段即C4、B4，dεt≥0，dερ＜0，dεθ＞0，在此阶段壁厚变化是先增大，然后减小至原来的壁厚，高度减小，外径增大。随着变形的持续进行，变形进入B4、A4之间，在A4点变形结束。此时dεt＜0、dερ＜0、dεθ＞0，即最终锻件的壁厚和高度减小，直径增大。