近凈成形技術(shù)在航空鍛件中的應(yīng)用

近凈成形技術(shù)在航空鍛件中的應(yīng)用夏春林魏志堅(jiān);葉俊青;占立水;田云【摘要】Withtheintegrationoftheglobalmarket,themanufacturingindustrycompetitionhasbeenincreasinglyfierce,highprecision,highperformance,highefficiency,lowcosts,andlowenergyconsumptionundertheprocessoffo-ginganditsproductionhavebecomethemainapproachtoimproveproductcompetition.Near-netformingasamainstreamtechnologyhasbeenshowingstrongvitalityandvastpotentialforfuturedevelopmentbyforgingequipmentandforgingtech-nologyupgrade,ithasbeenrapidlyandwidelyusedinaviationforgings隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)競爭日趨白熱化，鍛件及其生產(chǎn)過程的高精度、高性能、高效率、低成本和低能耗，已成為提高產(chǎn)品競爭力的重要途徑。近凈成形技術(shù)作為一種主流鍛造技術(shù)，隨著鍛造裝備快速發(fā)展及鍛造技術(shù)的升級得到了高速發(fā)展，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，并已被廣泛應(yīng)用于航空鍛件?！酒诳Q】《新技術(shù)新工藝》【年(卷)期】2014(000)003【總頁數(shù)】3頁(P27-29)【關(guān)鍵詞】近凈成形航空鍛件鍛造技術(shù)【作者】夏春林魏志堅(jiān);葉俊青;占立水田云【作者單位】貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州安順561005;貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州安順561005;貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州安順561005；貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州安順561005；貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州安順561005【正文語種】中文【中圖分類】TG316面對當(dāng)前激烈的市場競爭以及壞境問題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司研發(fā)出具有創(chuàng)新性的近等溫鍛、環(huán)件軋制、閃光對焊和輥鍛等成形技術(shù)，對于實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、難變形金屬、貴重金屬鍛件的近凈成形，具有十分重要的意義。在國家大力推行節(jié)能減排和客戶對鍛件質(zhì)量、精度、交付周期等的要求越來越高的前提下，如何發(fā)展高效的鍛造成形技術(shù)，成為當(dāng)下鍛造企業(yè)快速發(fā)展的主旋律。為了滿足國內(nèi)軍品、民品及外貿(mào)品市場的需求，本公司以近等溫鍛、環(huán)件軋制、閃光對焊和輥鍛為代表的近凈成形技術(shù)，被快速推廣應(yīng)用，大大地縮短了產(chǎn)品交付周期，減少了鍛件切削加工量，加快了企業(yè)向近凈成形方向的邁進(jìn)。1近等溫鍛技術(shù)及其應(yīng)用近等溫鍛技術(shù)是一種解決某些低塑性和難變形材料成形問題的先進(jìn)鍛造技術(shù)。該技術(shù)是在等溫鍛技術(shù)思路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與等溫鍛的最大不同是將模具加熱到低于工件溫度約30~80°C進(jìn)行鍛造。這樣，一方面降低了對模具材料的苛刻要求，擴(kuò)大了模具的選材范圍，使得在大氣環(huán)境中進(jìn)行鈦合金近等溫鍛成為可能，同時(shí)，擴(kuò)大了等溫鍛技術(shù)的適用范圍；另一方面，由于鍛件與模具存在一定的溫差，可以為鍛件內(nèi)由變形熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量提供一定的散熱途徑。通過合理選擇變形速度，能夠在一定程度上補(bǔ)償鍛件的溫度損失，從而實(shí)現(xiàn)鍛件在近似等溫條件下的變形，達(dá)到類似等溫鍛的效果。近等溫鍛成形不僅減小了模具激冷和材料應(yīng)變硬化的影響，提高了材料的塑性，而且使變形抗力減?。?-2］,有利于簡化成形過程，以較少的變形工步成形具有復(fù)雜形狀的鍛件。就材料而言，近等溫鍛主要應(yīng)用于鍛造溫度較窄的金屬材料，尤其適用于變形溫度非常敏感的鈦合金及高溫合金；就零件形狀而言，近等溫鍛適用于具有薄腹板、高筋和薄壁的鍛件，因?yàn)榇祟惲慵呐髁蠠崃繒芸毂荒＞呶?，使溫度迅速下降，采用普通鍛造方法，不僅需大幅度提高設(shè)備的噸位，而且也易造成模具的開裂。近等溫鍛將成為當(dāng)今乃至今后一段時(shí)期內(nèi)生產(chǎn)難變形金屬、鍛造溫度范圍窄及大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件最為可靠的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。本公司根據(jù)鍛件特點(diǎn)，利用鑄造高溫合金為模具材料，在大氣條件下，不僅實(shí)現(xiàn)了近等溫鍛模鍛件成形（需要的壓機(jī)噸位較小），而且鍛件組織均勻細(xì)小，真正意義上實(shí)現(xiàn)了小設(shè)備制備大鍛件；因此，近等溫鍛技術(shù)是制備高性能粉末合金鍛件和大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等鍛件的經(jīng)濟(jì)可行的工藝。生產(chǎn)的某機(jī)型用高壓渦輪盤如圖1所示，某機(jī)型用大型復(fù)雜連接件如圖2所示。圖1某機(jī)型用高壓渦輪盤圖2某機(jī)型用連接件2環(huán)件軋制及其應(yīng)用環(huán)件軋制又稱環(huán)件輾擴(kuò)或擴(kuò)孔，主要是借助環(huán)件軋機(jī)和軋制孔型，使環(huán)件產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的塑性加工工藝［4-6］。迄今為止，矩形截面環(huán)件的生產(chǎn)多以徑向軋制方式進(jìn)行，環(huán)件與坯料采用等高設(shè)計(jì)，錐輥僅起到防止環(huán)件攀升和限制環(huán)件高度增加的作用，軸向變形量很小。對于高溫合金和鈦合金等難變形材料,均勻充分的變形是保證鍛件冶金質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。實(shí)際上徑/軸雙向軋制可以在徑向和軸向2個(gè)方向上實(shí)施軋制變形，不僅可以獲得更復(fù)雜的環(huán)件截面形狀和更高的尺寸精度而且可以獲得更加均勻充分的變形；因此，對于航空和航天用難變形材料環(huán)件,徑/軸雙向軋制技術(shù)的應(yīng)用日益受到人們關(guān)注［7］。環(huán)件軋制是連續(xù)局部塑性加工成形工藝，與整體模鍛成形工藝相比，其具有大幅度降低設(shè)備噸位和投資、振動沖擊小、節(jié)能節(jié)材和生產(chǎn)成本低等顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)，是軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪及輪箍、燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)等各類無縫環(huán)件的先進(jìn)制造技術(shù)，在機(jī)械、汽車、火車、船舶、石油化工、航空航天和原子能等許多工業(yè)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。環(huán)件軋制技術(shù)是目前生產(chǎn)高性能無縫環(huán)件最為有效的手段之一，在航空、航天、能源和交通等諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用［8］。軋制過程中，環(huán)件材料變形充分，充填良好，實(shí)現(xiàn)了近凈成形，使得流線沿零件形狀合理分布，最大程度地減少了流線的切斷和末端外露，從而大大提高了環(huán)件的抗應(yīng)力腐蝕能力、使用壽命和可靠性。生產(chǎn)的航空發(fā)動機(jī)用異形環(huán)如圖3所示，鈦合金高筒矩形環(huán)鍛件如圖4所示。圖3異形環(huán)圖4高筒矩形環(huán)3閃光對焊及其應(yīng)用閃光對焊是將焊件裝配成對接接頭，接通電源并使焊件被焊端面緩緩移近到局部接觸，利用產(chǎn)生的電阻熱，使接觸點(diǎn)迅速被加熱至高溫熔化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的金屬飛濺，形成閃光（即燒化過程）；然后，繼續(xù)移近焊件被焊接端面，使之進(jìn)一步閃光和加熱，直至整個(gè)焊接端面在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度，迅速施加頂鍛壓力，從而完成焊接過程［9］。閃光對焊可提高材料利用率，減小加工余量，縮短制造周期，降低成本。國內(nèi)生產(chǎn)的各類環(huán)件主要采用自由鍛和環(huán)件軋制成形2種傳統(tǒng)工藝加工而成，加工余量大，材料利用率低，人力、能源和物資等各種浪費(fèi)較大，特別是生產(chǎn)異形薄壁環(huán)件的資源浪費(fèi)更大。與環(huán)件軋制生產(chǎn)的環(huán)件相比，采用閃光對焊更接近零件的形狀，機(jī)械加工余量少，材料利用率高，可節(jié)約原材料20%~40%，生產(chǎn)成本大幅度降低。隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)及其航空發(fā)動機(jī)所用環(huán)件生產(chǎn)朝著精密化、低成本和高可靠方向發(fā)展已成為必然；因此，閃光對焊近凈成形技術(shù)將成為環(huán)件制造的主流技術(shù)之一。圖5薄壁環(huán)件我國當(dāng)前所有飛機(jī)發(fā)動機(jī)上鈦合金閃光對焊環(huán)件都依賴國外進(jìn)口，因此研究環(huán)件的閃光對焊技術(shù)具有重大的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。本公司采用閃光對焊技術(shù)生產(chǎn)的航空發(fā)動機(jī)用薄壁環(huán)件鍛件如圖5所示。4輥鍛及其應(yīng)用輥鍛是材料在一對反方向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形，從而得到所需要的鍛件或鍛坯的塑性成形工藝。輥鍛作為一種先進(jìn)的塑性成形工藝方法，其具有材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、勞動條件好、便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動化、生產(chǎn)效率高和模具壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、農(nóng)具、兵器及日用五金等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，汽車前軸、飛機(jī)發(fā)動機(jī)用曲軸、連桿、發(fā)動機(jī)葉片、鐵鍬和扳手等，都普遍采用了輥鍛工藝［10］。與普通模鍛相比，輥鍛所需設(shè)備噸位小，所需火次少，人工成本低，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，材料利用率顯著提高，單件可節(jié)約原材料30%左右，還可獲得尺寸精確和表面光滑的毛坯和鍛件。本公司采用輥鍛近凈成形技術(shù)生產(chǎn)的活塞式發(fā)動機(jī)曲軸鍛件如圖6所示。圖6活塞式發(fā)動機(jī)用曲軸鍛件和粗加工后鍛件5結(jié)語近凈成形技術(shù)的成功應(yīng)用，極大地提高了企業(yè)競爭力。企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)深入了解和挖掘金屬流動規(guī)律，以便創(chuàng)新出更多和更新穎的近凈成形技術(shù)及設(shè)備；同時(shí)，需要充分利用有限元模擬技術(shù)，預(yù)測坯料在模具中的流動狀態(tài)、溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場隨時(shí)間的變化趨勢，防止鍛件產(chǎn)生缺陷，優(yōu)化工藝方案，優(yōu)化中間坯結(jié)構(gòu)，提高材料利用率和鍛件質(zhì)量，減少人力、物力和資源的投入和鍛件切削加工量等，使鍛造企業(yè)由粗放式經(jīng)濟(jì)增長轉(zhuǎn)向?yàn)榧s型經(jīng)濟(jì)增長。參考文獻(xiàn)東螯鵬，李惠曲,王淑云，等.等溫鍛造對TC6鈦合金組織和性能的影響[J].新技術(shù)新工藝,2009(7):90-91.郭鴻鎮(zhèn).合金鋼與有色合金鍛造[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.王淑云,李惠曲，楊洪濤.粉末高溫合金超塑性等溫鍛造技術(shù)的研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2007,27(5):30-33.王志慧.環(huán)件軋制技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J].機(jī)械制造,2003(9):31-33.李春天，黃欣.環(huán)件軋制技術(shù)及其在國內(nèi)的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2004,39(5):8-13.趙春霞，許樹勤.大型環(huán)件軋制過程有限元模型的簡