李蓬川

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司, 四川 德陽(yáng)　618013)

中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司的800MN液壓機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多次發(fā)生因鍛模塑性變形造成的粘模、變形、塌陷等失效情況，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品開發(fā)的效果和生產(chǎn)進(jìn)度；在近年來(lái)投入現(xiàn)場(chǎng)的多套5CrNiMo鍛模壽命很不理想。

根據(jù)目前的使用情況，5CrNiMo鍛模無(wú)法滿足壓機(jī)上的小批生產(chǎn)，一般生產(chǎn)2～3件后鍛模變形大于10 mm：毛邊橋部磨損嚴(yán)重、凸臺(tái)變形呈倒拔模狀，造成卡模、變形等問題。在生產(chǎn)高溫合金、超高強(qiáng)鋼材質(zhì)的產(chǎn)品時(shí)鍛模變形情況尤為明顯。以某鍛模為例，采用5CrNiMo材料經(jīng)鍛造、調(diào)質(zhì)及機(jī)械加工，在模鍛生產(chǎn)2-3件鍛件后，鍛模型腔表面失效，如圖1～圖2所示。

為了改善800MN液壓機(jī)用鍛模壽命低、制造成本高等現(xiàn)狀，采用重慶大學(xué)發(fā)明的雙金屬層堆焊強(qiáng)化方式再制造鍛模方法(發(fā)明專利號(hào)：ZL200910104604X)[1-3]，對(duì)800MN液壓機(jī)用某大飛機(jī)起落架鍛模進(jìn)行再制造，增強(qiáng)所制備鍛模的綜合性能，提高鍛模使用壽命，降低鍛模制造成本。

針對(duì)某大型飛機(jī)起落架鍛模，運(yùn)用專業(yè)有限元模擬軟件DEFORM對(duì)工作過程進(jìn)行模擬[4-5]，分析鍛模服役過程的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及磨損等情況對(duì)鍛模使用壽命的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到材料隨溫度變化的力學(xué)性能，最終制定出鍛模再制造強(qiáng)化工藝，并在實(shí)際應(yīng)用后與原5CrNiMo鍛模失效情況進(jìn)行對(duì)比。

1　有限元模擬

研究對(duì)象為飛機(jī)起落架，建立起落架鍛造成形工藝模擬初始條件如下：

a) 坯料：A-100超高強(qiáng)度鋼；

b) 鍛模單元網(wǎng)格數(shù)量為200 000個(gè)，型腔部分按比例0.001局部細(xì)化，坯料網(wǎng)格數(shù)量100 000個(gè)；

c) 輻射系數(shù)0.3，熱對(duì)流系數(shù)0.02 N /s·mm·℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)11 N/(s·mm·℃)；

d) 模擬熱傳導(dǎo)(Heat Transfer)時(shí)間：200s，時(shí)間增量每步1s。壓機(jī)工作速度：10 mm/s；

e) 摩擦邊界條件：本模型采用常摩擦模型(剪切摩擦模型)，

τ=m·K

式中：K為金屬的剪切屈服強(qiáng)度；m為剪切面上的摩擦因子，有潤(rùn)滑摩擦，此處m=0.3；τ為接觸面上的摩擦切應(yīng)力。

f) 模擬成形過程中，上模位移每步增量1 mm，每10步保存一次；

2　有限元模擬結(jié)果及分析

2.1　鍛模應(yīng)力場(chǎng)分析

圖3、圖4、圖5為起落架上、下鍛模模鍛載荷最大時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布，從圖中可知上下模等效應(yīng)力值主要分布在650～1 300 MPa，且上模應(yīng)力小于下模應(yīng)力。最大應(yīng)力均出現(xiàn)在起落架兩端較復(fù)雜部位圓角處，均在1 200 MPa以上，主要因?yàn)殡S著金屬逐漸充填型腔，金屬流動(dòng)阻力增大，在鍛模圓角處金屬難以充滿，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為更好的反應(yīng)鍛模型腔圓角處的等效應(yīng)力分布狀態(tài)，對(duì)下模型腔剖切，觀察模體等效應(yīng)力分布可知，下模型腔圓角處應(yīng)力較為集中，均在650 MPa以上，深度約為50 mm，最大應(yīng)力值為2 210 MPa。因此，對(duì)于該處的再制造鍛模材料的選取，其高溫抗壓縮強(qiáng)度應(yīng)在650 MPa以上，同時(shí)，堆焊最小厚度值應(yīng)不低于該值。

2.2　鍛模溫度場(chǎng)分析

熱鍛模的損傷結(jié)果表明：鍛模型腔表面的溫度波動(dòng)區(qū)易出現(xiàn)裂紋，溫度波動(dòng)區(qū)即為循環(huán)熱應(yīng)力作用的區(qū)域，此區(qū)域受到的溫度和應(yīng)力非常復(fù)雜。因此，鍛模的溫度場(chǎng)分析主要集中研究溫度波動(dòng)區(qū)的溫度變化。從實(shí)際生產(chǎn)鍛造過程及模擬結(jié)果可知，下模因接觸熾熱鍛件時(shí)間較久因而其溫度較高，因此分析鍛模在熱模鍛過程中的溫度場(chǎng)分布，只需以下模為例。圖6、圖7表示的鍛模溫度場(chǎng)分布，從中可以看出最高溫度出現(xiàn)在最早接觸坯料的型腔邊緣(橋部)處，鍛件在擺料及空行程過程中，鍛件接觸鍛模時(shí)間較少，壓力較低，對(duì)鍛模傳熱少，鍛模溫升??；鍛壓時(shí)鍛件在高壓狀態(tài)與鍛模貼合，模溫上升加快；鍛造階段鍛件與鍛模在高壓下接觸，鍛模溫升劇烈。該部位的型腔表面易出現(xiàn)熱疲勞裂紋，導(dǎo)致最終鍛模失效。但溫度影響深度只有約13.45 mm(如圖8所示)，超過這個(gè)深度的部位溫度只有鍛模預(yù)熱溫度350 ℃，基本沒有影響。在熱滲透最深的型腔表面位置，溫度梯度較大，最容易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱疲勞失效等，為接下來(lái)的鍛模再制造設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2.3　鍛模磨損分析

1) 有限元磨損模型

采用Archard理論磨損模型預(yù)測(cè)鍛模在成形過程中的磨損量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中: dw為磨損深度；P為鍛模表面正壓力；v為相對(duì)滑動(dòng)速度；a、b、c為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對(duì)鋼而言，通常a、b取1，c取2；H為鍛模表面硬度，HRC；K為磨損系數(shù)；i為鍛模型腔表面節(jié)點(diǎn)； dt為時(shí)間增量。

如果在鍛造成形過程中，鍛模在每模鍛完一件產(chǎn)品后，都能進(jìn)行充分的潤(rùn)滑和冷卻，使鍛模始終處于良好的工作狀態(tài)，則可用公式大致估算鍛模的壽命。

2) 磨損結(jié)果分析

由于下模工作環(huán)境較上模惡劣，在生產(chǎn)中下模壽命遠(yuǎn)低于上模，因此選取下模為研究對(duì)象分析鍛模磨損情況。從圖9可以看出，鍛模最大磨損出現(xiàn)在鍛模型腔大頭處。起落架型腔周邊亦有不同程度的磨損，主要集中在鍛模型腔橋部及凸臺(tái)處。說(shuō)明在該處鍛模材料的硬度、韌性及強(qiáng)度在模鍛后有所變化，導(dǎo)致該部位材料產(chǎn)生變形。對(duì)于再制造鍛模應(yīng)具備高硬度、高韌性，同時(shí)還具備一定的耐高溫性能。

從圖10起落架鍛模失效圖中可以看出，鍛模失效主要形式為由于坯料的擠壓而使鍛模橋部出現(xiàn)坍陷、橋部受擠壓變形。主要失效部位同磨損較為嚴(yán)重部位均處于同一位置，說(shuō)明該磨損結(jié)果可靠性較高，根據(jù)有限元磨損結(jié)果能夠較好的預(yù)測(cè)鍛模發(fā)生塑性變形的部位。

3　鍛模再制造實(shí)施技術(shù)路線

以失效鍛模為鍛?；w，通過氣刨方式去除失效部位，而后在其上采用不同的焊材進(jìn)行雙金屬梯度堆焊，再回火去應(yīng)力，最后機(jī)加工成型。該技術(shù)能較好滿足鍛模鍛模在硬度、強(qiáng)度和韌性等方面的性能要求[6]，同時(shí)有效減少生產(chǎn)成本，可實(shí)現(xiàn)低成本、低能耗、短時(shí)間、高效率、高性能和高效益的制造鍛模。其大致步驟如下：

a、采用失效鍛模氣刨型腔部位，預(yù)留堆焊余量；

b、在待焊鍛?；w上沿預(yù)留堆焊余量處先一次堆焊強(qiáng)度和韌性稍好的過渡層，焊至鍛模型腔輪廓線下方一定厚度;

c、在過渡層上二次堆焊強(qiáng)化層，焊至型腔輪廓線上一定尺寸；

d、將二次堆焊完畢后的鍛模重復(fù)進(jìn)行去應(yīng)力回火；

e、對(duì)空冷后的鍛模進(jìn)行機(jī)械加工，使鍛模各部分尺寸達(dá)到技術(shù)要求。

4　生產(chǎn)驗(yàn)證

鍛模首先進(jìn)行了兩個(gè)批次共六件產(chǎn)品的模鍛工作。并對(duì)模鍛后鍛模進(jìn)行了檢測(cè)，包括：外觀、硬度、尺寸等。

模鍛前后硬度檢測(cè)：下模強(qiáng)化層硬度穩(wěn)定并略有升高，上模強(qiáng)化層硬度略有降低，過渡層硬度略有降低，大約為1～2HRC。如圖11、圖12所示。

模鍛前后采用三坐標(biāo)尺寸檢測(cè)：鍛模最大磨損量為1.8 mm，如：圖13、圖14所示。

再制造鍛模模鍛六件后的檢測(cè)結(jié)果表明：效果很好，基本無(wú)變形、磨損、刮擦等現(xiàn)象，局部表面呈金黃色。原模鍛一件后的5CrNiMo鍛模，橋部大面積變形15～20 mm，局部型腔凹陷。壽命預(yù)計(jì)能提高十倍左右。模鍛前后效果對(duì)比如圖15～圖20所示。

至今，該修復(fù)的鍛模已穩(wěn)定生產(chǎn)30件，鍛模使用情況良好，經(jīng)尺寸檢測(cè)鍛模無(wú)變形，壽命明顯提高。

5　結(jié)論

通過再制造強(qiáng)化方法修復(fù)失效鍛模，節(jié)約了模具制造成本，與原5CrNiMo鍛模相比，使用壽命有所提升，鍛件品質(zhì)合格，單件鍛件成品的生產(chǎn)成本大大降低。如能在800MN液壓機(jī)用大型鍛模上廣泛推廣該技術(shù)，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為行業(yè)的產(chǎn)能提升起到促進(jìn)作用，也符合國(guó)家一再倡導(dǎo)的綠色再制造發(fā)展政策。

參考文獻(xiàn)：

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