航天用高強度旋轉鍛件的生產工藝探究

文／陳鵬，武絡，車奇楠，閆利軍，于超·內蒙古一機集團富成鍛造有限責任公司

高強度材料鍛件毛坯作為國家航空航天領域內的重要零部件，其性能和過程質量控制要求較為嚴格，鍛造及熱處理工藝技術要求更為嚴格。公司首次生產該類鍛件，為了確保高強度旋轉體毛坯的開發成功，從產品圖樣、工藝、生產過程、工裝、設備、檢驗等各方面進行了全面分析和質量控制，使產品研制過程始終處于受控狀態。

產品概述

該航空航天高強度旋轉毛坯，是航空領域的重要零件之一。產品屬于深孔薄壁型結構(圖1)，其使用性能和工藝性能要求較嚴，因此合理設計產品成形工藝成為該產品能否開發成功的關鍵。產品性能要求為：750MPa ≥Rm≥630MPa，520 ≥Rp0.2≥260MPa，65%≥Z ≥46%，30%≥A ≥20%。

圖1 產品結構

研制過程

毛坯設計

綜合分析根據該高強度旋轉產品的結構及精度要求進行計算后，該鍛件壁厚與直徑比值t/D=0.192 ≤0.2，屬于4 級較復雜鍛件，得知該產品最終設計毛坯屬于精密級鍛件，最終設計的模鍛斜度不超過0.8°，內腔公差為(-1.5，+0.6)，錯移尺寸不超過1mm，表面無氧化皮坑，沿分模線殘留毛邊尺寸不超過2mm，為保證產品精度要求，設計采用閉式鍛造成形方法，并選取了能夠保證精度要求的2500t 級別的壓力機設備。

產品研制過程的主要難點和解決方案

⑴難點一：鍛件形狀復雜，成形困難、脫模困難。

該鍛件內腔深、壁薄，其中孔的深度約為186 mm，壁厚約為14mm，屬于復雜類鍛件。鍛件生產中，薄壁處的熱能損失較快，溫降明顯，金屬流動性逐漸變差，對產品整體充型較為不利。產品拔模斜度較小，不超過0.8°，成形過程中坯料和模具表面的摩擦較大，孔壁處溫降較快，容易使鍛件抱緊沖頭，導致鍛件脫模困難。

解決方案：在產品工藝設計時，綜合考慮坯料的結構和尺寸設計，借助三維設計軟件及Deform-3D鍛造仿真技術對方案進行反復驗證，最終達到順利成形的預期效果。模擬參數的設置如表1 所示，終鍛的模擬結果如圖2 所示。

圖2 仿真模擬結果圖

表1 模擬參數設置

通過對最終確定的鍛造工藝方案進行仿真模擬，得到鍛造過程中最大的打擊力為1420 噸，該鍛造力在設備打擊力范圍之內，符合設備要求；模具與鍛件接觸面有明顯的溫降，產品最終成形完整，未產生相關折疊等缺陷，理論上認為鍛造方案可行。

⑵難點二：一次變形量較大，需要充分的潤滑來滿足產品的批量生產和模具壽命及上模沖頭終鍛后的順利脫模。

解決方案：為解決潤滑過程中的難題，在坯料端頭車制了特殊的小盲孔結構為鍛前潤滑劑儲存倉坯料結構(圖3)，為一次鍛造成形完全做好充分潤滑量準備。

圖3 車制后的坯料

⑶難點三：鍛件的深孔結構需要上模的沖頭結構較長，該結構孔型高徑比超過3，為模具壽命最差的地方，因此需要綜合設計產品模具局部與整體的壽命設計。

解決方案：為保證該結構壽命及加工制造的經濟性，針對該沖頭結構采用了分離體設計結構，將沖頭與上模分別獨立設計后進行組裝(圖4)，有效解決該產品模具的制造經濟性和快速換產。

圖4 獨立沖頭結構

⑷難點四：產品原材料較為特殊，加熱規范比較復雜，廠家對產品熱處理后性能要求高，為滿足產品性能要求，需要特別設計產品的熱處理工藝。

解決方案：依據產品性能要求和產品材料的特殊性，針對產品坯料鍛造加熱工藝，設計了經低溫裝爐、預熱、加熱、均熱多階段的等溫正火、球化退火的熱處理工藝(圖5、圖6)，因產品壁薄，無法對本體取樣，依據客戶要求對該產品選取試樣同鍛件本體同爐熱處理進行性能確認。

圖5 等溫正火

圖6 球化退火

生產驗證

經生產安排，公司完成了該產品的首批次試生產，經過工藝技術人員的現場跟蹤與調試，產品生產符合預期，產品樣件充型完全,經檢驗，產品所有尺寸均在圖紙設計范圍內，產品精度符合要求；鍛件試樣在隨爐熱處理后依據GB/T 228-2010 加工技術要求，經第三方檢測中心進行了檢測，各項機械性能檢測指標符合并優于雙方簽訂技術協議要求。鍛件實物如圖7 所示。

圖7 航天高強度旋轉毛坯鍛件實物

結束語

通過工藝試制及生產驗證，工藝參數及工藝流程方案合理可行，可指導批量生產；現有的生產設備、工裝、檢測手段能夠滿足產品的質量要求；試生產的航天高強度旋轉鍛件各項檢測指標均達到技術協議要求，經用戶試加工能夠滿足用戶要求，具備批量生產條件。