引言

航空裝備用的支架、平衡配重塊和整流葉片等零件，組織性能要求較高，多采用高溫合金、鈦合金 等難變形材質(zhì)的鍛件。在研制階段，為加快試驗(yàn)進(jìn)度，降低工裝成本，大多采用能夠包容整個(gè)零件輪廓的方體類鍛件。自由鍛方法在鍛錘上成形，是將棒料放置于上下錘砧之間，使棒料軸線垂直于打擊方向，并通過拔長(zhǎng)、鐓粗、規(guī)方等工序最終獲得符合尺寸、組織性能要求的合格鍛件，具有操作靈活、工具簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)需要注意，方體類鍛件的成形主要通 過拔長(zhǎng)工序，屬于局部加載、局部受力、局部變形的 情況。當(dāng)坯料沿著軸向逐次送進(jìn)拔長(zhǎng)時(shí)，側(cè)表面易產(chǎn)生鼓形，且坯料內(nèi)部也容易存在變形不均勻。此外，該方法受操作者技能水平影響較大，且每次變形的力度無法控制，鍛件產(chǎn)品尺寸和公差波動(dòng)大、生產(chǎn)效率低且鍛件質(zhì)量一致性差。尤其對(duì)于鍛造溫度窗口 較窄、變形抗力大且受溫度敏感材質(zhì)的方體類鍛件，常常因心部交替受力、過程控制不當(dāng)而出現(xiàn)廢品[1-3]。由圓棒料成型方體類鍛件的過程中，內(nèi)部受力情況及易出現(xiàn)的缺陷如圖 1 所示。

GH4169 合金是一種 γ″相沉淀強(qiáng)化的 Ni-Cr-Fe基變形高溫合金，650℃以下強(qiáng)度居高溫合金之首，是目前綜合性能最好的變形高溫合金之一，在航空、航天領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。同時(shí)，GH4169 合金又是一種典型的難變形材料，變形抗力大，熱導(dǎo)率低，尤其是鍛件的微觀組織和力學(xué)性能對(duì)鍛造熱力參數(shù)和熱加工歷史高度敏感[7-12]。因此采用自由鍛方法制備 GH4169 合金方體類鍛件時(shí)需要合理的工藝設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的過程控制才能夠保證鍛件質(zhì)量。

環(huán)形件精密軋制技術(shù)，是借助輾環(huán)機(jī)（又稱軋環(huán)機(jī)或擴(kuò)孔機(jī)） 設(shè)備將環(huán)坯連續(xù)咬入主輥與芯輥構(gòu)成 的孔型，使其壁厚逐漸減小、直徑逐漸擴(kuò)大、截面輪廓逐件成形的回轉(zhuǎn)塑性加工技術(shù)，其原理示意圖如圖 2 所示。主輥為主動(dòng)輥，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；芯輥?zhàn)鲝较蛑本€進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，環(huán)件被咬入孔型后作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)芯輥被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。抱輥起定心和穩(wěn)定軋制作用，錐輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨著環(huán)件直徑的增長(zhǎng)而后退。當(dāng)環(huán)件外徑達(dá)到目標(biāo)尺寸時(shí)，軋制過程完成。與自由鍛工藝相比，環(huán)件軋制工藝具有尺寸精度高、加工余量小、內(nèi)部組織均勻致密、晶粒細(xì)小和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[13-15]。

此外，在航空裝備用 GH4169 合金方體類構(gòu)件的研制階段，若采用常規(guī)鍛造成形工藝，由圓到方成 形遵循一定規(guī)律，故需要特定直徑尺寸的棒料[16-17]。現(xiàn)實(shí)是往往存在缺少理想尺寸棒料的情況，帶來研 發(fā)成本高和材料利用率偏低等問題。因此，本文將環(huán)形件精密軋制技術(shù)與自由鍛造技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)件成 形的主要變形過程由自動(dòng)化程度較高的精密軋制階段完成，然后按尺寸要求鋸切出需要的弧段，將弧段加熱后進(jìn)行小變形的鍛造，最終整形成符合要求的 構(gòu)件。該新工藝對(duì)構(gòu)件所用棒材坯料的規(guī)格尺寸要求小，適合新品研制階段缺少理想棒料的情況，在產(chǎn) 品研發(fā)中具有重要的實(shí)際意義。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為國(guó)產(chǎn)直徑 ?180mm 的 GH4169 合金鍛棒，化學(xué)成分如表 1 所示，平均晶粒尺寸范圍在37.8μm，邊緣晶粒細(xì)于心部，Ni3Nb（δ 相）2-3 級(jí)。要求最終構(gòu)件性能如表 2 所示。

1.2 試驗(yàn)方法

采用軋制工藝和弧段鍛造工藝生產(chǎn)出尺寸合格的 GH4169 合金方體類鍛件，按標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行固溶、時(shí)效熱處理。固溶溫度（950～980）℃×1h，720℃×8h→620℃×8h 進(jìn)行兩次時(shí)效，然后檢測(cè)金相組織和力學(xué)性能。金相樣品采用 Kalling’s 2 號(hào)試劑腐蝕后用正置金相顯微鏡觀察微觀組織，拉伸試驗(yàn)在 AG-50KN電子拉力試驗(yàn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行。

2、成形工藝路線規(guī)劃

針對(duì)研制的 GH4169 合金目標(biāo)方體類構(gòu)件（見圖 3 所示），尺寸規(guī)格為 130mm×50mm×45mm，根據(jù)圓形棒料熱加工成型方體類鍛件時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律，需要采用 ?60mm ～?80mm 直徑規(guī)格的棒料，?70mm 規(guī)格較佳。現(xiàn)場(chǎng)缺少該規(guī)格的棒料，僅有直徑?180mm 的 GH4169 合金棒料。采用大規(guī)格棒料成形小尺寸的方體類鍛件，常規(guī)方法是對(duì)小尺寸鍛件進(jìn)行聯(lián)鍛，然后鋸切或線切割出單個(gè)鍛件。聯(lián)鍛工藝是加熱料段后在 3t 自由鍛錘上進(jìn)行鍛造成形，首先平躺放料整體壓扁后進(jìn)行拔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)由圓到方，不斷拔長(zhǎng)不斷修整后獲得最終尺寸。然后采用鋸切或線切割方法進(jìn)行切斷獲得最終產(chǎn)品，聯(lián)鍛工藝切割示意圖見圖 4。拔長(zhǎng)時(shí)存在小變形區(qū)域，件與件之間、同一鍛件不同部位其質(zhì)量一致性較差。而且分割小鍛件時(shí)加工面積大，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)且切割成本較高。 

本文提出的大規(guī)格棒料成形小尺寸方體類構(gòu)件的工藝路線為環(huán)軋制坯+圓環(huán)切斷+鍛造精整。加熱料段后，首先在輾環(huán)機(jī)設(shè)備上軋制出一個(gè)精密的環(huán)形件，將環(huán)形件鋸切出若干個(gè)弧段，然后加熱弧段， 整形獲得符合要求的最終產(chǎn)品。弧段鍛造工藝的示意圖如圖 5 所示。

3、分析與討論

3.1 初始坯料分析

常規(guī)方案設(shè)計(jì)的聯(lián)鍛自由鍛件，一鍛件可作 12個(gè)零件。切口寬度按 5mm 計(jì)算，聯(lián)鍛件最小尺寸為265mm×145mm×105mm。按照 HB6587-92《錘上自由 鍛件機(jī)械加工余量與尺寸公差》，查表公差 Δa=± 4mm，Δb=±5mm，考慮高溫合金材料因素，余量和公差增加 20%。則長(zhǎng)度公差帶為 12mm，另兩個(gè)尺寸公差帶為 10mm。按上差一半算料，不計(jì)算燒損，則需要下 料 金 屬 料 段 為 ?180mm ×185mm， 重 量 38.8kg（GH4169 合金密度為 8.24×103 kg/m3）。每個(gè)零件消耗 38.8kg/12=3.23kg。聯(lián)鍛鍛件尺寸如圖 6 所示。

弧段鍛造工藝應(yīng)用了環(huán)形件精密軋制技術(shù)，隨著設(shè)備精度和過程控制能力的不斷提高，?1000mm以下熱軋環(huán)件公差可控制到環(huán)件直徑尺寸的±3%，橢圓度不大于 2mm，并且環(huán)件組織均勻。將環(huán)件切斷出若干個(gè)弧段，加熱后在鍛壓設(shè)備進(jìn)行平整成形，最終獲得尺寸精度較高的產(chǎn)品，寬度和厚度尺寸公差可以控制到±2mm。

根據(jù)由弧段到鍛件的轉(zhuǎn)化關(guān)系，首先計(jì)算所需弧段尺寸，然后計(jì)算出所需金屬體積，如圖 7 所示。

弧段高度 B1≈寬度 B，取上差 55mm；弧段壁厚 t≈高度 H，取上差 50mm； 根據(jù)拔長(zhǎng)前后金屬體積相等原理，計(jì)算出弧段中徑尺寸：

方塊鍛件金屬體積：V1=B×H×L；

弧段金屬體積：V2=B1×t×中徑弧長(zhǎng)⌒； 計(jì)算得出中徑弧長(zhǎng)⌒≈114mm；

弧長(zhǎng)與半徑的關(guān)系如下：⌒=R×2/n×π，一環(huán)件切 斷出 16 個(gè)弧段，故 n=16； 計(jì)算得中徑尺寸：R中 =114×8/3.14≈290mm；

環(huán)坯尺寸為：外徑 D=2 ×R 中+t =2 ×290 +50 = 630mm，內(nèi)徑 d=2×R中 -t=2×290-50=530mm，高度 B1= 55mm。設(shè)計(jì)出環(huán)坯尺寸：?630-2 +4×?530-4 +2×55±2，公差帶不超過 6mm，橢圓度不大于 2mm。所需環(huán)件重量為 44.24kg，每個(gè)鍛件消耗金屬 44.24kg/16= 2.77kg。

相比于常規(guī)聯(lián)鍛工藝生產(chǎn)的自由鍛件，弧段鍛造工藝每件可節(jié)約（3.23-2.77）kg/3.23kg=14.2%的耗材。

3.2 整形過程的模擬仿真與分析

采用 UG7.5 軟件建模上砧和下砧，設(shè)置為剛體，預(yù)熱溫度 150℃。坯料采用環(huán)坯（尺寸：?630-2 +4mm× ?530-4 +2mm×55±2mm）的 1/16 弧段，設(shè)置為塑性體， 加熱溫度 1000℃，材料來自 DEFORM 軟件自帶的材料庫(kù)中的 IN718 合金。對(duì)坯料進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，生成 59800 個(gè)單元體，最小邊長(zhǎng)尺寸 1.14mm。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，上砧運(yùn)動(dòng)速度恒定，設(shè)定為 1000mm/sec，坯料和模具之間無潤(rùn)滑，設(shè)置摩擦系數(shù) 0.5，熱傳導(dǎo)系 數(shù)設(shè)為 5 N/sec/mm/℃[18-19]。上模向-Z 方向運(yùn)動(dòng)，控制上模和下模之間停止距離為 42mm，共運(yùn)行 68 步，每步行程 0.2mm。然后 將變形后的坯料繞+Y 軸方向旋轉(zhuǎn) 90°，經(jīng)歷進(jìn)給量56mm 和 70mm 的兩次拔長(zhǎng)變形，控制上模和下模之間停止距離為 53mm。整個(gè)模擬過程的溫度場(chǎng)、應(yīng)變 場(chǎng)和 1/2 長(zhǎng)度橫截面的變形云圖如圖 8 所示。從模擬結(jié)果可以看出，大部分區(qū)域的停鍛溫度大于 910℃，GH4169 合金構(gòu)件可以全部完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。橫截面變形基本均勻，（εmax- εmin）/ε 平均≈0.45，不存在嚴(yán)重的變形死區(qū)和未鍛透區(qū)域。

3.3 實(shí)驗(yàn)試制

將工藝要求的料段放置于電阻爐的有效加熱區(qū)，加熱至（1020±10）℃，保溫一定時(shí)間后鐓粗、沖孔并軋制，按 ?630-2 +4mm×?530-4 +2mm×55±2mm 目標(biāo)尺 寸制備環(huán)坯。實(shí)測(cè)三處的環(huán)坯高度尺寸（單位：mm）分別為 57、56.5 和 56.3，實(shí)測(cè)三處的壁厚尺寸（單位：mm）分別為 55、54.7 和 55.2，內(nèi)孔 ?528mm～?530mm。均勻鋸切弧段 16 份，將弧段加熱至（1000±10）℃，保溫一定時(shí)間后在 3t 自由鍛錘進(jìn)行成形[20-22]。

采用 3t 電液錘進(jìn)行拔長(zhǎng)，因弧段兩端頭存在尖棱邊，為防止折疊缺陷的產(chǎn)生，鍛造時(shí)將內(nèi)圓弧面朝上，滿壓將弧段整平，然后逐次進(jìn)給精整寬度和厚度尺寸。環(huán)坯鋸切和最終鍛件實(shí)物如圖 9 所示。測(cè)量產(chǎn) 品的寬度和高度尺寸，均滿足尺寸要求，最大寬度與最小寬度尺寸相差 4.2mm，最大高度與最小高度尺 寸相差 2.2mm，見表 3。

3.4 成形構(gòu)件微觀組織和力學(xué)性能分析

檢查鍛件內(nèi)部不同位置處的金相組織，見圖10a～d 平均晶粒尺寸分別為 9.4μm，5.6μm，7.9μm 和5.6μm。可見均為完全再結(jié)晶的細(xì)晶組織，組織均勻，平均晶粒尺寸小于 11.2μm。碳化物、碳-氮化物均未超過標(biāo)準(zhǔn)圖譜，且未見 Laves 相。沿鍛件長(zhǎng)度方向切取縱向力學(xué)試樣（室溫拉伸 2 支、高溫瞬時(shí)拉伸 2支），力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見圖 11 和圖 12，室溫和高溫拉伸結(jié)果均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)度指標(biāo)富裕 100MP～ 200MPa，室溫?cái)嗝媸湛s率 40%左右，高溫?cái)嗝媸湛s率接近 60%。

聯(lián)鍛工藝的平均晶粒尺寸 26.7μm，個(gè)別平均晶 粒尺寸 63.5μm，晶內(nèi)存在大量的孿晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全，Ni3Nb（δ 相）為 3 級(jí)。與弧段鍛造工藝相比， 聯(lián)鍛工藝獲得的組織粗大且存在混晶。這與鍛件尺 寸較大，從厚度和寬度方向進(jìn)行拔長(zhǎng)時(shí)，變形不均勻且鍛透性差有關(guān)。

4、結(jié)論

（1）本文提供了一種大規(guī)格棒料成型小尺寸方體類構(gòu)件的方法，即環(huán)軋制坯+圓環(huán)切斷+鍛造精整。該工藝對(duì)棒材直徑規(guī)格要求小，尤其適合新品研發(fā)階段原材料規(guī)格不完備、缺少小規(guī)格棒料的境況。

（2）弧段鍛造工藝的環(huán)坯公差 6mm、最終鍛件產(chǎn) 品高度和寬度公差 4mm。與將聯(lián)鍛工藝的最大公差12mm 相比，尺寸精度得到提高，并且單件原材料消耗由 3.23kg 減少到 2.77kg，平均每件節(jié)約 14.2%耗材，提高了材料利用率。

（3）弧段鍛造工藝所生產(chǎn)的鍛件組織均勻，為完全再結(jié)晶的細(xì)晶組織，平均晶粒尺寸小于 11.2μm。其力學(xué)性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，指標(biāo)結(jié)果富裕 100~ 200MPa。

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