A286高温合金十二角法兰面螺栓多工位冷镦成形工艺*

郑鹏辉 关悦 许吉星 付建建 赵文龙 高程 刘乐

（①河南省紧固连接技术重点实验室，河南 信阳 464000；②河南航天精工制造有限公司，河南 信阳 464000）

随着市场对紧固件安装使用环境需求及质量可靠性的不断提高，若在可锻温度下利用专用模具使坯料发生塑性变形并充填模具型腔来实现螺栓的头部精密成形，除了提高成形效率外，还可以使金属材料的晶粒流线不被破坏，提高螺栓的强度。因此，对于镦锻成形工序的研究显得尤为重要，掌握近净成形技术也尤为关键[1−2]。A286高温合金十二角头法兰面螺栓挤压成形作为紧固件近净成形典型产品，由于A286材料拥有良好的机械性能，该材料紧固件广泛应用于航天、航空和汽车制造等领域，在高端紧固件市场占有相当大的份额[3−4]。A286高温合金材料在700 ℃环境下，拥有良好的强度、耐蚀性、抗氧化性能和优于奥氏体不锈钢的高温强度，但该材料冷作硬化严重，变形强度高、韧性大和成形难度大，目前国内在此领域的近净成形研究及生产较少。

本文针对某航天用A286高温合金十二角法兰面螺栓，根据其结构特点，提出一种多工位冷镦成形工艺，采用数值模拟软件Deform-3D对该成形工艺过程进行了数值模拟分析，最后在多工位冷镦机上进行了工艺试验。试验结果表明，通过合理设计冷镦工艺次数，可以在模具许用应力范围内实现A286高温合金十二角法兰面螺栓的冷镦成形，工艺试验得到的A286高温合金十二角法兰面螺栓锻件充填饱满，和模拟结果一致性较好，对该类零件及其他相似零件的多工位冷镦成形具有指导意义。

1 A286高温合金室温力学性能

1.1 A286合金化学成分

A286是一种铁-铬-镍基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼等进行强化。该合金在700 ℃以下具有较高屈服强度、持久强度和蠕变强度，并且具有良好的加工塑性和焊接性能。适合制造在700 ℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和紧固件等[5−6]，如表1所示为A286高温合金化学成分。

表1 A286高温合金化学成分(%)

1.2 A286室温下的真实应力-应变曲线

本文拟采用Deform-3D数值模拟软件对A286高温合金十二角螺栓多工位冷镦成形工艺进行模拟，由于材料库中没有该材料在室温下的流变曲线，因此需要通过压缩实验得到其室温力学性能数据，并导入到Deform-3D材料库中，基于Gleeble-1500D热模拟试验机的试验数据，变形温度为室温，应变速率分别为0.1 s−1、1 s−1和10 s−1，得到A286高温合金在室温下的真实应力-应变曲线，如图1所示。

图1 不同应变速率下A286高温合金的真实应力-应变曲线

2 冷镦成形工艺方案制定

2.1 零件工艺分析

如图2所示为A286高温合金十二角法兰面螺栓锻件图，该零件为轴对称零件，结构较为复杂，可分为上下2个部分，上部由十二角头及法兰面组成，下部分为螺栓杆部。螺栓头部形状复杂，上部分为十二角头形状，下部分为法兰面，法兰面与螺栓杆部的截面差比较大，在成形过程中容易产生折叠缺陷，十二角的角由于比较尖锐，成形过程容易造成充填不满缺陷。

图2 A286高温合金十二角螺栓锻件图

2.2 多工位冷镦工艺制定

首先根据A286高温合金十二角法兰面螺栓锻件图，计算出其体积，根据等截面原则和国标GB/T 18685—2002表查出毛坯直径6.75 mm；最后根据等体积法计算得出原始坯料的长度38.2 mm[7−8]。冷镦成形工艺一般都需要2次以上的镦锻才能成形最终的产品，每道次的坯料形状、变形程度等都是影响冷镦工艺的重要因素，因此需要合理设计和分配每道次的变形量[9−10]，利用现有冷镦机特点,可增加变形工位,以减小镦锻力,降低成形的难度，经过计算，最终制定如下冷镦工艺：第一工位是螺栓头部镦粗聚料；第二工位是十二角头预成形，第三工位切圆成形十二角头，是本成形工艺的难点，第四工位为十二角整型及法兰面的成形。如图3所示为A286十二角螺栓多工位冷墩工艺简图。

图3 A286高温合金十二角螺栓多工位冷镦工艺简图

3 冷镦成形工艺过程的数值模拟及结果分析

随着数值模拟技术的发展，越来越多的工程技术人员开始利用数值模拟软件来进行多工位冷镦成形工艺的动态模拟，通过有限元模拟，可以揭示冷镦变形机理、可以很直观地观察金属流动规律、等效应力场分布和载荷-时间曲线等，通过不断优化工艺，最终得出合理的工艺参数，为设备选型和工艺试验及生产提供指导，从而有效缩短产品开发周期[11−14]。

3.1 有限元模型的建立

首先利用SolidWorks对坯料及各个工位的模具进行建模、装配，保存为STL格式，然后将其导入到Deform-3D数值模拟软件中进行模拟计算。材料选用导入的A286高温合金，在多工位成形过程中不考虑模具的变形，设为刚性体。由于A286高温合金十二角法兰面螺栓多工位冷镦成形属于金属冷塑性变形，选用剪切摩擦类型，摩擦系数设置为0.08。网格划分采用四面体网格，网格总数为80 000个，冲头速度设置为70 mm/s。如图4所示为第一工位冷镦有限元模型，主要有上冲头、上凹模、坯料、下凹模和顶杆组成。具体工艺流程为：上凹模下行到设定位置后停止，上冲头以设定速度下行到设定位置后停止，上凹模和上冲头退回到初始位置，顶杆向上运动将第一工位坯料顶出，进入下一工位。

图4 第一工位冷镦有限元模型

3.2 载荷-行程曲线

图5为A286高温合金十二角法兰面螺栓多工位冷镦成形过程中各工位上冲头的载荷-时间曲线。从图中可以看出，上冲头载荷和变形程度关系密切，变形程度越大，上冲头载荷越大。各个工位曲线基本都是先缓慢增加，然后急剧上升，主要是因为各工位刚开始阶段，模具与各工位坯料接触之后，坯料大部分材料尚处于弹性变形阶段，局部产生塑性变形，金属与型腔内壁并未完全接触，因此载荷较小。而随着变形程度的增加，金属逐渐充满型腔，金属与模具型腔的接触面积越来越大，摩擦力也越来越大，金属流动越来越困难，因此载荷增大，材料进入全塑性变形阶段，完成该工位毛坯的成形。此外，从图中可以看出，第一工位和第四工位上冲头载荷较大，主要是因为这两个工位的变形量较大。成形最后阶段，第一工位到第四工位上冲头载荷分布为1.51×105N、5.88×104N、2.32×104N和9.48×104N。通过载荷分析，可以提前预测实际需要的成形力，根据成形力的大小选择合适吨位的多工位冷镦机。

图5 各工位上冲头的载荷-行程曲线

3.3 等效应力场分布

等效应力是坯料受到外力的作用产生变形时，坯料在各个部分相互作用下产生的内力，图6为各工位坯料的等效应力场分布图，从图中可以看出，各个工位成形时应力变化是不均匀的。在第一工位，应力主要集中在上端变形区域，第一工位主要为材料镦粗变形过程，应力分布比较均匀。第二工位应力主要集中在头部，该工位主要为顶镦过程，上冲头逐渐与坯料接触直到充满模具型腔，应力值逐渐增大。第三工位应力主要集中在十二角下端切圆部位，因为切圆部位之上材料处于拉应力状态，而在切圆部位之下材料处于压应力，该工位主要为十二角挤压变形过程，由于上端是自由的，金属流动空间较大，因此应力值较小，而十二角下端与模具完全接触，金属无法流动，因此在此处应力值较大。第四工位应力主要集中在法兰处，该工位主要为法兰成形阶段，材料变形程度较大，因此此处应力值较大。4个工位应力最大值为930 MPa，经过计算，其单位面积所受压力在冷作模具钢许用应力范围内，不会导致模具开裂。

图6 成形过程中等效应力场分布图

3.4 等效应变场分布

等效应变是反映坯料变形程度的物理量，图7主要为各工位坯料的等效应变场分布图，从图中可以看出，各工位应变值大小有一定差异，但其分布都有相同趋势，即参与变形或变形部位较大的区域，应变值较大，这是因为在A286高温合计十二角法兰面螺栓多工位冷镦成形过程中，设计的工艺是每个工位成形一个特定的形状，而该工位的其他部分材料不参与变形或者参与的变形程度很小。第一工位和第二工位主要是上端材料参与变形，变形过程比较稳定，应变值主要集中在上端。第三工位主要是十二角成形，有一定截面差，变形过程较剧烈，应变值较大。第四工位主要是法兰成形，应变主要集中在此处，最大应变值出现在法兰底部区域。

图7 成形过程中等效应力场分布图

3.5 损伤值分布

在Deform-3D后处理中，可以很直观地查看坯料各个工位的损伤值分布，通过损伤值的大小和分布，可以预测材料断裂的趋势，这也是制定工艺的重要依据，通过损伤值可以判断成形的冷镦件是否出现裂纹等锻造缺陷。图8为各工位坯料的损伤值分布，从图中可以看出，第一工位和第三工位损伤值较大，这是因为这两个工位变形程度相对较大，特别是第三工位，损伤值最大，坯料在此工位产生损坏和拉裂的可能性较大，在模具设计时需要重点考虑。

图8 各工位损伤值分布

4 冷镦成形工艺试验

4.1 模具设计

冷镦模具设计是多工位冷镦成形过程中的至关重要的环节，是决定工艺开发是否成功的重要因素，本文根据制定的A286高温合金十二角法兰面螺栓多工位冷镦成形工艺和数值模拟得到的结果，结合现有多工位冷镦机，设计并制作了各个工位的模具，如图9所示为各工位模具结构简图。

图9 A286高温合金十二角法兰面螺栓各工位模具结构简图

4.2 工艺试验及结果

将加工完成的A286高温合金十二角法兰面螺栓各工位模具安装与于多工位冷镦机上，如图10所示为试验用多工位冷镦机，图11位模具实物图。试验得到的A286高温合金十二角法兰面螺栓冷镦件充填饱满，未出现裂纹、折叠等锻造缺陷，尺寸符合设计要求。如图12为工艺试验得到的A286高温合金十二角法兰面螺栓各工位坯料实物，图13为A286高温合金十二角法兰面螺栓各工位坯料模拟图，可以看出数值模拟结果和工艺试验一致性较好，说明本文提出的A286高温合金十二角法兰面螺栓多工位冷镦成形工艺是可行的，可为该类零件的多工位冷镦成形提供指导。

图10 多工位冷镦机

图11 模具实物图

图12 A286高温合金十二角法兰面螺栓各工位坯料实物图

图13 A286高温合金十二角法兰面螺栓各工位坯料模拟图

5 结语

（1）通过室温压缩实验，得到了A286高温合金室温下的真实应力-应变曲线，为数值模拟提供了材料性能数据。

（2）通过Deform-3D数值模拟，得到了各工位的载荷-时间曲线、等效应力场分布、等效应变场分布及损伤值分布，为模具设计和工艺试验提供了理论依据。

（3）工艺试验得到的A286高温合金十二角法兰面螺栓充填饱满，尺寸复合设计要求，试验结果和模拟结果一致性较好，说明本文提出的多工位冷镦成形工艺是可行的，对该类零件今后的生产可具有指导意义。