飞机用1Cr17Ni2不锈钢螺栓锻件的成形方案优化

2023-03-29曹镇君空军装备部驻景德镇地区军事代表室

锻造与冲压 2023年5期

文/曹镇君·空军装备部驻景德镇地区军事代表室

韩志飞，施文鹏·江西景航航空锻铸有限公司

为解决飞机用1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件表面质量差、锻造工序多、模具寿命低的问题，基于DEFROM 数值模拟软件对飞机用1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件锻造过程进行研究。结果表明：通过增加预锻，减少锻件对终锻型腔的磨损，提高了模具的使用寿命。通过使用抱切模进行切边，保证了切边质量，实现了一火次锻造。采用优化工艺的试制结果与数值模拟结果吻合良好，模具寿命得到了显著提高，产品的各项指标均满足要求。

1Cr17Ni2 不锈钢属于马氏体不锈钢，一般经淬回火后在400℃下使用，具有较优的力学性能、耐腐蚀性能以及机械加工性能。国内外学者对1Cr17Ni2 不锈钢成分的控制、耐腐蚀性能以及锻件工艺做了大量研究，结果表明：1Cr17Ni2 不锈钢在900℃以上有良好的塑性，其塑性是由动态再结晶完成程度及体积分数决定的，动态再结晶越充分，1Cr17Ni2 不锈钢塑性就越好。

1Cr17Ni2 不锈钢螺栓传统锻造工艺

由图1、图2 可以看出，1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件属于长轴类锻件，广泛应用于各类军、民用飞机上，并且每架飞机上的应用数量巨大。锻件形状为两个圆柱交叉，其中，φ6.8mm 圆柱面为非加工面，锻件外形尺寸公差要求较高。传统工艺生产工序见图3，可以看出，锻造环节工序较多，存在过程控制不稳定现象；另一方面，生产工序较多且产品的数量巨大，导致锻件生产成本急剧上升。

图1 螺栓锻件图

图2 螺栓三维造型

图3 传统工艺生产工序

采用传统锻造工艺生产的1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件存在报废率高，生产周期长，模具寿命短等情况，通过对前期公司内生产螺栓锻件的合格率、生产周期以及模具寿命等数据进行统计分析可知，用传统工艺生产1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件会造成大量的成本浪费。

优化后的锻造工艺方案

通过对1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件传统锻造工艺方案分析可知，造成生产工序繁多的因素主要有以下几点：锻造一火后锻件欠压量较大，锻件不符合图样要求；锻后切边存在大量拉毛刺的现象，需要人工打磨去除毛刺，影响了生产效率，提高了人工生产成本；锻造过程中模具极易失效，锻件形状尺寸不符合要求；切边过程使锻件产生翘曲，需要增加校正工序来消除锻件翘曲；校正工序中的加热过程易产生氧化皮且不易去除，影响锻件表面质量。

由此可知，最根本的问题主要集中在：第一，锻造模具的使用寿命以及一火后的锻件尺寸情况；第二，锻件切边时，长杆类锻件极易产生锻件翘曲，不得不增加校正工序。现对锻造模具以及切边模具进行优化，并基于DEFORM软件对优化后的工艺进行仿真模拟，通过模拟结果进一步对模具尺寸进行优化。

模具结构优化

对模具结构进行优化，设计出预锻型腔，预锻型腔的主要结构与终锻类似，主要对预锻型腔的毛边结构以及锻件凹圆角处进行优化，增大凹圆角，避免金属的剧烈流动造成模具寿命的降低。预锻型腔的主要作用为：使主要变形在预锻型腔上，减少终锻型腔的磨损，保证锻件的使用寿命；将多余的金属通过预锻排出，最后在终锻型腔上进行打靠，保证锻件欠压量在可控制范围内。

抱切模的结构设计

根据1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件的结构特点，进行抱切模设计，根据冲压手册上的落料冲孔复合模以及锻件的实际情况，1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件抱切模具体结构见图4。

图4 首次设计的抱切模装配图

工作原理：终锻之后的锻件(带毛边）放到下顶芯上(顶芯根据锻件形状进行制造，保证锻件平稳），启动切边压力机；最先由阳模和锻件接触，接触后阳模继续向下移动，阳模与阴模对锻件毛边部分进行剪切，切除锻件毛边；当设备到达下死点，阳模与阴模完成切边，设备带着阳模上行，锻件在下弹簧的回复力作用下顶出阴模，最后用钳子夹取锻件以及毛边。抱切模的主要作用是控制1Cr17Ni2 不锈钢螺栓锻件的翘曲，避免增加校正工序。