王大力，郭亞明，王　宇，孫曉東，徐恒秋，侯豐巖，鄭宏偉，沈玉江，黃　濤

(1.長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.沈陽(yáng)軍代局駐674廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150056)

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鎳基高溫合金筒形件毛坯錯(cuò)距旋壓工藝研究

王大力1，郭亞明1，王宇1，孫曉東2，徐恒秋1，侯豐巖1，鄭宏偉1，沈玉江1，黃濤1

(1.長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.沈陽(yáng)軍代局駐674廠軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150056)

摘要：GH4169鎳基高溫合金筒形件流動(dòng)旋壓成形的難點(diǎn)是在大長(zhǎng)徑比、變壁厚的情況下保證內(nèi)徑精度。論述了該件流動(dòng)旋壓成形的工藝路線的制定、試驗(yàn)方法。在旋壓過(guò)程中采用了錯(cuò)距旋壓，探索了錯(cuò)距流動(dòng)旋壓的工藝參數(shù)對(duì)尺寸精度的影響，為該類產(chǎn)品的旋壓成形提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：GH4169；鎳基高溫合金；變壁厚；大長(zhǎng)徑比；筒形件；錯(cuò)距旋壓

1工藝方案

1.1工藝路線

坯料采用帶底坯料，旋壓工藝路線如下。

方案1：下料→一道次錯(cuò)距正旋→檢測(cè)。

方案2：下料→第1道次錯(cuò)距正旋→第2道次錯(cuò)距正旋→檢測(cè)。

1.2毛坯及旋壓件設(shè)計(jì)

身管旋壓毛坯經(jīng)真空感應(yīng)+電渣工藝冶煉，再經(jīng)固溶+機(jī)械加工成形，最終經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn)產(chǎn)品內(nèi)部是否存在組織缺陷，獲得旋壓前毛坯。旋壓前毛坯的化學(xué)成分見(jiàn)表1，其主要性能見(jiàn)表2。

表1　毛坯的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

表2　室溫及650 ℃下毛坯的主要性能

根據(jù)產(chǎn)品圖樣設(shè)計(jì)的旋壓件圖如圖1所示。根據(jù)旋壓件圖設(shè)計(jì)的身管旋壓前毛坯圖如圖2所示，包括短料毛坯、1∶2縮比件毛坯及樣件毛坯，進(jìn)行工藝摸索試驗(yàn)。

圖1　旋壓件圖

圖2　旋壓前毛坯圖

1.3旋壓設(shè)備

旋壓工藝試驗(yàn)是在長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所自行研制的QX63-300CNC三輪強(qiáng)力旋壓機(jī)上進(jìn)行的。該旋壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　旋壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.4模具設(shè)計(jì)

在流動(dòng)旋壓成形時(shí)，芯模與毛坯內(nèi)表面直接接觸并發(fā)生滑動(dòng)摩擦，芯模承受旋壓力、尾頂力以及由它們共同形成的彎矩和扭矩；因此,芯模應(yīng)具有足夠的硬度、剛度和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)制造出高精度芯模才能加工出高精度的產(chǎn)品。芯模材料選用熱處理變形較小的冷作模具鋼Cr12MoV，采用整體熱處理以保證芯模的硬度和高精度[1-3]，芯模參數(shù)見(jiàn)表4。

表4　芯模參數(shù)

在流動(dòng)旋壓過(guò)程中，旋輪承受巨大的接觸壓力和摩擦力，應(yīng)具有高的強(qiáng)度、硬度和耐熱磨性以及合理的結(jié)構(gòu)，才能保證產(chǎn)品的精度。設(shè)計(jì)無(wú)光整段的雙錐旋輪，旋輪加工圓角半徑R=6 mm，材質(zhì)為Cr12MoV，旋輪參數(shù)見(jiàn)表5。

表5　旋輪參數(shù)

1.5冷卻和潤(rùn)滑

流動(dòng)旋壓金屬材料在急劇的冷變形中產(chǎn)生大量變形熱，變形區(qū)溫度很高，旋輪、芯模和工件溫度急升，導(dǎo)致熱膨脹，影響工件成形精度，縮短模具壽命，因此，在旋壓過(guò)程中冷卻十分必要。本文選用水劑冷卻液(4%4903磨液)，冷卻液以150～250 L/min的流量噴射在旋壓工作區(qū)域，使旋輪、工件和芯模得到充分冷卻，使旋壓溫度控制在30～50 ℃，從而提高工件精度和模具的表面質(zhì)量。

潤(rùn)滑采用MoS2潤(rùn)滑油膏，均勻涂在芯模和毛坯之間，MoS2潤(rùn)滑油膏具有較強(qiáng)的附著力，防止表面直接接觸導(dǎo)致粘連，消除粘附摩擦，提高筒體的內(nèi)表面質(zhì)量，加工完成后工件容易脫模。

2試驗(yàn)過(guò)程與分析

2.1試驗(yàn)一

試驗(yàn)一采用短料毛坯進(jìn)行旋壓試驗(yàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，GH169鎳基高溫合金累計(jì)變薄率達(dá)60%，成形效果良好，因此，采用短料毛坯進(jìn)行一道次旋壓工藝試驗(yàn)。由于坯料較短，由旋壓件圖可知最大壁厚為7 mm，最小壁厚為4.5 mm，因此，選這2種壁厚為代表進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

工藝參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，縱向進(jìn)給速度為120 mm/min，進(jìn)給比為0.6 mm/r。當(dāng)旋壓到4.5 mm壁厚時(shí)，坯料與芯模發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而縱向進(jìn)給仍繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致坯料出現(xiàn)大面積壓坑(見(jiàn)圖3)。

圖3　坯料發(fā)生丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象

由于尾頂力已調(diào)節(jié)到最大，而且坯料已加工完畢，無(wú)法增加坯料底孔面積以增大受力面積，因此，采用2道次旋壓試驗(yàn)；同時(shí)，為防止產(chǎn)生類似問(wèn)題，對(duì)芯模端面進(jìn)行處理(見(jiàn)圖4)，以增大摩擦，盡量減小坯料與芯模出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性。

圖4　芯模端面處理

2.2試驗(yàn)二

試驗(yàn)二采用1∶2縮比件毛坯進(jìn)行旋壓試驗(yàn)。

第1道次旋壓工藝參數(shù)見(jiàn)表6，旋壓后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6　第1道次旋壓工藝參數(shù)

表7　第1道次旋壓后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由于坯料長(zhǎng)度有限，在旋壓件6與6.5 mm壁厚處任選一種壁厚即可，故第2道次旋壓后擬達(dá)到：Ⅰ、Ⅳ兩端處厚度為7 mm，Ⅱ處厚度為4.5 mm，Ⅲ處厚度為6.5 mm。第2道次壁厚變化情況如圖5所示。

圖5　第2道次壁厚變化情況

旋壓工藝參數(shù)見(jiàn)表8。

表8　第2道次旋壓工藝參數(shù)

旋壓后各處數(shù)據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表9。

表9　各處數(shù)據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析表

從表9可以看出，采用該工藝參數(shù)進(jìn)行第2道次成形，進(jìn)給比相同，減薄率越大，退讓量越小。在Ⅱ處第2道次減薄率達(dá)到43.3%，退讓量為0.67 mm，遠(yuǎn)小于Ⅲ、Ⅳ處退讓量(0.81和0.87 mm)。Ⅲ、Ⅳ處雖然減薄率分別為18.6%及10.6%，但退讓量相差不大。

進(jìn)給比相同，減薄率越大，內(nèi)徑越易收縮，Ⅰ處與Ⅳ處雖然減薄率大致相同，但Ⅰ處(口部)已擴(kuò)徑，下一步打算在第1道次旋壓時(shí)，口部留一段不進(jìn)行旋壓，增加第2道次減薄率，以減小擴(kuò)徑情況。

進(jìn)給比相同，Ⅰ處與Ⅳ處減薄率大致相同時(shí)，旋壓后平均硬度分別為381和374 HV，大致相同；當(dāng)?shù)?道次減薄率增大到18.6%時(shí)，平均硬度減小到361.5 HV；當(dāng)?shù)?道次減薄率繼續(xù)增大到43.3%時(shí)，平均硬度減小到310 HV。因此，在該進(jìn)給比情況下，當(dāng)減薄率≤43.3%時(shí)，隨著減薄率的增大，平均硬度出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

2.3試驗(yàn)三

試驗(yàn)三進(jìn)行1∶1樣件旋壓試驗(yàn)。

第1道次旋壓時(shí)，口部留出50 mm不變形，在第2道次旋壓時(shí)再進(jìn)行旋壓變形，增大第2道次減薄率，以控制口部擴(kuò)徑，示意圖如圖6所示。具體工藝參數(shù)見(jiàn)表10。

圖6　第1道次旋壓示意圖

間隙/mm前輪中輪后輪主軸轉(zhuǎn)速/r·min-1縱向進(jìn)給速度/mm·min-1進(jìn)給比/mm·r-1錯(cuò)距/mm前中輪中后輪9.18.157.262002401.24.25.3

第1道次旋壓后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表11。從表11可以看出，在該工藝參數(shù)下旋壓后，與L=350 mm毛坯的第1道次旋壓對(duì)比，進(jìn)給比由0.8 mm/r增大到1.2 mm/r，退讓量由0.54 mm增大到1.19 mm，但擴(kuò)徑量達(dá)到+0.13 mm，并沒(méi)有明顯減??；當(dāng)?shù)?道次旋壓時(shí)，合理調(diào)節(jié)進(jìn)給比以保證內(nèi)徑精度。

表11　第1道次旋壓后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

第2道次旋壓時(shí)，為保證內(nèi)徑精度，不同壁厚處旋輪間隙與進(jìn)給參數(shù)不同，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ等5種壁厚變化情況如圖7所示。不同部位具體工藝參數(shù)見(jiàn)表12。

圖7　壁厚變化情況圖

部位間隙/mm前中后主軸轉(zhuǎn)速n/r·min-1縱向進(jìn)給速度s/mm·min-1進(jìn)給比f(wàn)/mm·r-1Ⅰ8.707.406.502002401.2Ⅱ6.855.253.552002201.1Ⅲ7.456.455.402002601.3Ⅳ7.306.156.002002601.3Ⅴ7.656.755.852002201.1

第2道次旋壓后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表13。從表13中可以看出，當(dāng)?shù)?道次旋壓后，身管內(nèi)徑均達(dá)到圖樣精度要求。

表13　各處尺寸統(tǒng)計(jì)分析表

采用里氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度測(cè)量，不同減薄率(變形量)的硬度值見(jiàn)表14。

表14　各段減薄率及表面硬度統(tǒng)計(jì)表

從表14中可以看出，Ⅰ處與Ⅴ處雖然在第2道次減薄率分別為30.6%和18.2%，差別很大，但是累計(jì)減薄率分別為30.8%和31.1%，相差很小，旋壓后硬度大致接近，因此，在該進(jìn)給比情況下，累計(jì)減薄率≤55.4%時(shí)，隨著累計(jì)減薄率增加，工件硬度值反而相應(yīng)降低。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得到如下結(jié)論。

1)旋壓該身管，理論上可以一次旋壓成形，但由于毛坯底孔接觸面積較小，導(dǎo)致旋壓時(shí)坯料出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)；因此，采用2道次旋壓成形。

2)當(dāng)旋壓此類變壁厚、長(zhǎng)徑比大而內(nèi)徑精度相同的零件時(shí)，間隙(減薄率)與進(jìn)給比的合理配比是旋壓成形的關(guān)鍵。該工件工藝參數(shù)也是通過(guò)前期大量工藝試驗(yàn)摸索而確定的。

3)在該設(shè)備上，采用2道次旋壓，進(jìn)給比范圍為0.8～1.3 mm/r，累計(jì)減薄率≤55.4%時(shí)，隨著累計(jì)減薄率增加，工件硬度值反而相應(yīng)降低。

4)在該設(shè)備上，采用2道次旋壓，進(jìn)給比范圍為0.8～1.2 mm/r，當(dāng)累計(jì)減薄率≤53.4%，進(jìn)給比相同時(shí)，減薄率越大，退讓量反而越小。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Research on Stagger Spinning Process of Nickel-base High Temperature Alloy Tube Blank

WANG Dali1, GUO Yaming1, WANG Yu1, SUN Xiaodong2, XU Hengqiu1, HOU Fengyan1,ZHENG Hongwei1, SHEN Yujiang1, HUANG Tao1

(1.Institute of Changchun Equipment Technology, Changchun 130012, China; 2.Shenyang’s Military Representative Bureau in 674 Factory Military Representative Office, Harbin 150056, China)

Abstract：The Key of GH4169 nickel-base high temperature alloy tubes forming is to ensure the accuracy of inner diameter under the condition of high length-diameter ratio and variable thickness. Describe the flow spinning for forming routing and testing method of this spinning forming in the process of spinning. Adopt the stagger spinning method to explore the influence from the flow forming process parameters on the dimensional accuracy to provide technology support for similar products.

Key words:GH4169, nickel-base high temperature alloy, variable thickness, high length-diameter ratio, tubes, stagger spinning

收稿日期：2015-08-21

作者簡(jiǎn)介：王大力(1971-)，男，研究員，主要從事旋壓成形工藝及設(shè)備等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 132.3；TG 111.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A