鋁合金精密模鍛件折疊缺陷分析及改善措施

冉林果，唐玉婷

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

作為鍛造產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的主要報(bào)廢缺陷，折疊缺陷的占比高達(dá)到70%~80%。而鋁合金精密模鍛件因其形狀復(fù)雜，更容易在鍛造過程中產(chǎn)生折疊缺陷而導(dǎo)致報(bào)廢。本文以某7A04模鍛件為例對(duì)鋁合金精密模鍛件折疊缺陷的成因進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述，并提出有效的解決方案。該鋁合金精密模鍛件是某機(jī)型的定型產(chǎn)品，因其存在大量非加工面，形狀復(fù)雜、薄壁多筋，圓弧多且小，經(jīng)常因折疊缺陷造成產(chǎn)品報(bào)廢，并且在后期使用過程中，產(chǎn)品表面出現(xiàn)了類似“裂紋”的細(xì)小折疊缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全。

1 折疊缺陷形成機(jī)理

折疊缺陷是塑性加工時(shí)外力將坯料已氧化的表層金屬匯流貼合在一起壓入工件而造成的缺陷。模鍛件折疊缺陷的形成機(jī)理是：在模鍛變形過程中，金屬變形流動(dòng)遵循最小阻力定律，向最小阻礙方向流動(dòng)，致使模鍛件局部區(qū)域內(nèi)的表面金屬向鍛件內(nèi)部流動(dòng)，這種從表面向鍛件基體的流動(dòng)使表皮的氧化層、潤滑劑等雜質(zhì)一起折入鍛件基體形成表面折疊［1］。折疊可能是由兩股（或多股）金屬對(duì)流匯合而形成；也可能是由一股金屬的大量急速流動(dòng)將鄰近部分的表層金屬帶著流動(dòng)，兩者匯合而形成的；也可能是由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成；還可能是部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)而形成[2]。折疊缺陷的產(chǎn)生分為三個(gè)過程：表面折波→生成折疊→折疊發(fā)展。在折疊的初生階段，其尾端成小圓角狀，如經(jīng)大量變形之后其尾端可成尖裂狀或叉形開裂狀，極為嚴(yán)重的折疊會(huì)把模鍛件的整個(gè)筋型穿斷。折疊主要出現(xiàn)在模鍛件的內(nèi)圓弧處和十字接頭處，偶爾也出現(xiàn)在筋側(cè)和筋頂?shù)冉韺游恢肹3]。

對(duì)存在折疊缺陷的模鍛件進(jìn)行低倍組織檢查時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)從模鍛件表面到鍛件內(nèi)折疊構(gòu)成一條明顯的黑線，稱之為折紋。從模鍛件表面到折紋結(jié)束的距離即折紋的長度稱為折疊深度。折疊屬于近表層缺陷，由表面向鍛件深處擴(kuò)展，造成鍛件金屬局部的不連續(xù)[4]，呈現(xiàn)“由表及里、表面呈線狀”分布特征，外觀形貌與裂紋相似。通過掃描電鏡觀察和金相組織觀察，折疊斷面無明顯斷裂特征，能譜分析普遍顯示氧含量較高，折疊面存在較厚的氧化層，折疊兩側(cè)金屬流線不連續(xù)且紊亂。在模鍛實(shí)際生產(chǎn)過程中，高溫金屬在模具中的流動(dòng)環(huán)境非常復(fù)雜，始終存在金屬流動(dòng)不均勻的情況。所以，在模鍛中折疊缺陷幾乎不可避免，只是大小和數(shù)量上存在一定差別。生產(chǎn)實(shí)踐充分證明在模鍛件產(chǎn)品中經(jīng)常出現(xiàn)兩種類型的折疊，一種是典型表面折疊，另一種是細(xì)小表面折疊[5]。典型表面折疊與鍛件基體金屬本色有區(qū)別，折疊處呈黑色直線或曲線狀（見圖1），特征明顯，通過常規(guī)蝕洗后常規(guī)目視可有效檢出[6]。細(xì)小表面折疊是與鍛件基體結(jié)合嚴(yán)實(shí)、“開口”細(xì)小、深度較淺（一般在3 mm以內(nèi)），蝕洗后通過常規(guī)目視不易發(fā)現(xiàn)的折疊缺陷（見圖2），需要通過熒光滲透檢驗(yàn)或者渦流檢測(cè)等特殊手段才能有效檢出。

圖1 模鍛件表面典型折疊

圖2 細(xì)小折疊缺陷

2 精密模鍛件折疊缺陷形成原因

本文以7A04鋁合金精密模鍛件為例闡述精密模鍛件折疊缺陷的形成原因。7A04精密模鍛件是從主體伸出3個(gè)帶槽支臂的高筋、薄壁、形狀復(fù)雜的模鍛件（見圖3），且存在大量非機(jī)加表面。該精密模鍛件具有以下特征：一是橫截面變化劇烈，A-A截面最大尺寸為171.3 mm，最小尺寸為10 mm，相差17倍；二是具有多個(gè)型槽，且最薄處僅有10 mm；三是具有34處圓角，最小圓角半徑7 mm。因其具有的上述特征，該鍛件在鍛造生產(chǎn)過程中金屬流動(dòng)不暢，容易產(chǎn)生折疊。

圖3 7A04鋁合金精密模鍛件

該鍛件為上世紀(jì)90年代年的定型產(chǎn)品，采用鐓粗制坯，預(yù)鍛2火，終鍛2火，預(yù)鍛、終鍛后再進(jìn)行工序洗修、熱處理和成品檢查。具體工藝流程如下：制坯→預(yù)鍛1火→蝕洗→目視檢查→修傷→預(yù)鍛2火→蝕洗→目視檢查→修傷→終鍛1火→蝕洗→目視檢查→修傷→終鍛2火→蝕洗→目視檢查→修傷→熱處理→成品檢查。

該鍛件折疊產(chǎn)生的原因如下：

（1）模鍛件形狀復(fù)雜，屬于薄壁、多高筋、多凹圓角、圓角小的高精密模鍛件，模鍛件各斷面變化大，非常不利于金屬平穩(wěn)流動(dòng)，在模鍛過程中金屬劇烈流動(dòng)造成大面積表層金屬錯(cuò)位流動(dòng)形成折疊。

（2）預(yù)壓模、終壓模匹配性不佳。模鍛件模具于1992年設(shè)計(jì)制造，未經(jīng)仿真模擬驗(yàn)證，局部金屬分配不合理。

（3）受目視檢查局限（一般只能發(fā)現(xiàn)0.1 mm開口缺陷），致使部分細(xì)小表面折疊缺陷在修傷工序未被去除。

（4）修傷工序不徹底，凹坑、尖角等缺陷未修復(fù)圓滑，修傷處的寬深比未達(dá)到要求，在后續(xù)模鍛過程中易壓合形成折疊。

（5）長期服役造成鍛造模具存在內(nèi)腔焊接修復(fù)和模具型腔局部變形，加劇了金屬流動(dòng)不暢，致使預(yù)壓模同終壓模的匹配性進(jìn)一步變差，增大了折疊缺陷產(chǎn)生的概率。

根據(jù)折疊產(chǎn)生機(jī)理，采用仿真模擬對(duì)該模鍛件產(chǎn)生折疊部位進(jìn)行分析，得到了該模鍛件折疊缺陷產(chǎn)生區(qū)域（見圖4灰顯）。其中4個(gè)支臂內(nèi)凹槽彎角筋型處，它處于整個(gè)鍛件的拐角處，縱向筋條和橫向筋條上金屬分別有縱、橫流動(dòng)，這兩個(gè)不同方向的金屬流動(dòng)易形成金屬錯(cuò)層，容易形成折疊。因側(cè)面筋肋根部凹槽圓角處形狀復(fù)雜，位于多個(gè)幾何形狀連接的轉(zhuǎn)彎交匯處，該區(qū)域金屬流動(dòng)方向易發(fā)生紊亂，容易形成折疊。通過模擬和實(shí)物驗(yàn)證充分證實(shí)了折疊產(chǎn)生區(qū)域的推論（見圖5）。

圖4 模擬產(chǎn)出的折疊區(qū)域

圖5 鍛件終鍛后出現(xiàn)的表面折疊

3 折疊缺陷改善措施

針對(duì)該鍛件的折疊形成原因，采取了以下措施：

（1）根據(jù)終鍛件重新設(shè)計(jì)預(yù)鍛模，結(jié)合模擬仿真技術(shù)，對(duì)預(yù)鍛模進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)比舊模具預(yù)鍛件與新模具預(yù)鍛件（見圖6），可發(fā)現(xiàn)改良后的新模具預(yù)鍛件無深型槽，薄壁，金屬分配更合理，有利于金屬流動(dòng)，從而提升預(yù)鍛與終鍛模的匹配性，減少折疊缺陷產(chǎn)生。

圖6 新舊模具預(yù)鍛件模擬圖對(duì)比

（2）模鍛后的制品經(jīng)蝕洗處理（酸堿洗），逐件進(jìn)行表面檢查，排除目視可見的典型折疊缺陷。

（3）優(yōu)化檢查方法。在每一火終鍛后增加熒光滲透檢驗(yàn)工序，充分檢出細(xì)小表面折疊，提升修傷質(zhì)量。檢查方法優(yōu)化前后工藝流程對(duì)比見表1。

表1 模鍛件檢查方法優(yōu)化前后工藝流程對(duì)比

（4）采用整體熒光滲透檢驗(yàn)和局部渦流檢測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行成品檢查，確保細(xì)小表面折疊缺陷可有效檢出。

4 效果驗(yàn)證

對(duì)新模具進(jìn)行模鍛工序仿真模擬，從坯料到預(yù)鍛再到終鍛，均顯示金屬流動(dòng)順暢，有效減少了鍛件表面折疊的產(chǎn)生。模擬仿真顯示：預(yù)鍛件在成形初期，3個(gè)支臂端頭可能會(huì)出現(xiàn)輕微折疊，在型腔充填完全時(shí)折疊會(huì)排出到毛邊區(qū)域。終鍛成型過程中，折疊缺陷產(chǎn)生較少（其中深色為已充型區(qū)域，圈示為未充型區(qū)域），在實(shí)際生產(chǎn)過程，淺色區(qū)域會(huì)形成輕微折疊（見圖7）。

圖7 新模具預(yù)鍛件模擬圖

通過3批次共30件新模具的試制生產(chǎn)，該模鍛件成品的折疊缺陷明顯減少，沒有出現(xiàn)因折疊缺陷導(dǎo)致報(bào)廢的情況，證明措施有效。

5 結(jié)論

（1）模鍛件在生產(chǎn)過程中可能會(huì)出典型折疊和細(xì)小表面折疊2種折疊缺陷，其最大區(qū)別在于開口程度和深淺程度不同。

（2）形狀復(fù)雜、斷面變化大、薄壁、多高筋、多凹圓角、圓角小之類的精密模鍛件在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生折疊缺陷是不可避免的。

（3）提升預(yù)鍛模具與終鍛模的匹配性，對(duì)減少折疊缺陷產(chǎn)生有一定效果。

（4）熒光滲透檢驗(yàn)和渦流檢測(cè)對(duì)于細(xì)小表面折疊缺陷的有效檢出具有良好效果。