控制钛合金连杆锻件翘曲变形的研究

1研究对象

规定的使用条件下, 规定的时间内, 机械零件的结构可靠性是指零件完成规定功能的能力。连杆在拦阻系统里是重要承力机构, 要承受瞬时的高载荷。所以, 零件必须具备优良的力学性能以及尺寸精度。其质量由其内部组织性能决定, 这给锻造制坯技术提出了更高要求。

如图1所示的那个, 是某连杆锻件, 其采用的是钛合金材质, 该锻件长度大概为2 000 mm, 高度约是90 mm, 它属于长杆类中型锻件。长杆类锻件在进行锻造成型的时候, 首先要处理的是水平方向上的翘曲变形问题, 翘曲变形对于锻件质量的影响是比较大的, 就算锻件锻造出来的外形以及表面质量是良好的, 但是其变形之后的尺寸偏差, 会在后续切削加工的时候, 由于加工余量不均匀而导致报废, 这就需要经由锻件设计、模具结构、锻造过程控制、锻后冷却摆放、翘曲校正等诸多方面来开展质量控制。

图1 钛合金连杆

2锻件现状

常规锻造的连杆锻件, 其翘曲变形形态呈现为图2那般, 某一批次锻造出来的连杆锻件, 其翘曲程度体现如表1所示。图2当中所显示的A、B、C点, 本应处于同一个水平面上, 也就是上端面, 然而实际情况却是, 两端的A、B点向上发生了翘曲, 而且最大翘曲度超过了10mm, 像这样大的翘曲尺寸, 根本无法达到锻件加工之要求。

图2 连杆翘曲形态

表1 常规锻造连杆锻件翘曲量 ( mm )

注: 翘曲量, 就是每一件锻件, 在A点所测尺寸, 以及B点所测尺寸当中的最大值之上, 再跟C点所测尺寸之间, 存在的差值。

3改进措施

3.1 锻压设备选择

在锻造连杆锻件之际, 于选择锻压设备之时, 要尽可能地去选择液压机, 液压机跟普通模锻锤机床相比较, 是具备如下这些优势的。

（1）于直接传动的那种液压机之上, 滑块在整个行程里的任何一个位置, 都能够去获取最大承载负荷。

（2）液压机, 它设有大型模具垫板, 它设有定位器, 它还具备同步平衡系统这件事, 是为了避免出现载荷不均这种状况，是为让免得模具偏斜。

（3）液压机的滑块速度是能够被控制的, 它能够依据零件成型的要求去进行调整, 其载荷可以被看作是静载荷。

（4）液压机的载荷, 能够借助溢流阀予以限制, 这既能够起到保护模具的作用, 又可以对锻件变形程度加以控制。

（5）液压机存在着顶杆系统, 该顶杆系统能够让锻件顺利地实现脱模, 特别是在针对缎制那种具备小小的模锻斜度或者是不存在模锻斜度的精锻件的情况之下, 更展现出其优势所在。

所以, 连杆锻件选取液压机予以锻造乃优先之选, 并且, 其格外适合对铝合金展开锻造, 还特别适用于镁合金、钛合金以及某些高温合金的锻造。

3.2 锻件设计

锻件设计, 要考量多种综合的因素, 尤其是预防，那有可能发生的质量风险, 于锻件设计的初期, 采取预防措施, 这是降低后续工序工艺难度的重要环节, 设计连杆锻件时, 要适当增加翘曲变形部位的工艺余量, 用来补偿翘曲尺寸偏差, 特别是依据已知的统计数据, 能够预先把工艺余量, 更多地补偿在翘曲方向。

3.3 模具零件润滑

模具零件润滑对锻件生产有综合性影响, 不限于减小锻件与模具零件接触表面间阻碍毛坯金属材料塑性流动的摩擦, 熔融态润滑剂让模具零件与锻件间摩擦力变为湿摩擦, 降低了锻件变形抗力, 借此能有效降低变形总载荷的10%到20%并提高变形均匀性, 在使零件利于锻件脱模、降低顶出原因引出的翘曲变形以及减少模具零件磨损与塑性变形的同时, 还能降低顶出力。

3.4 模具结构

模具属于锻造里颇为重要的工艺设备, 具备生产效率颇高, 材料利用率挺高, 锻造出来的零件质量相当优良, 工艺适应性极强这样一些特点, 连杆锻件的金型設計是依据锻件外形进行随形设计的, 但这类锻件运用静载荷锻造极易卡在模具型腔内, 致使脱模变得困难, 因而需要设计顶出结构来辅助脱模——此顶出结构是由液压机顶杆系统与模具的推出机构共同构成的, 合理的模具下推出机构是控制连杆翘曲变形的关键所在。

模具之下的推出机构, 与液压机顶杆系统一同开展工作, 液压机顶杆系统属于滑柱单向结构形式, 传统的推出机构于图3所呈现, 其跟锻件下表面的接触面积不大, 在推出连杆锻件之际, 容易致使中间出现翘曲、两端处于较低状态的情形。于模具推出机构展开设计之时, 增大其跟锻件下表面的接触面积, 像图4所展示的优化后的推出机构, 这种机构的接触面积是传统推出机构的9至10倍, 优化机构的上表面与锻件型面保持一致, 从而降低了推出所引发的翘曲风险。

图3 传统推出机构

图4 优化推出机构

3.5 推出方式

能降低长杆类锻件翘曲变形风险的至关重要之处在于推出方式的合理性, 选用单点推出的方式比较适宜用于普通杆类锻件 , 在进行单个推杆设计之际, 其位置设定应确保锻件获平稳推出状态, 故而放置于锻件的重心位置或者很靠近重心的地方 , 然而若存有偏心设计情况, 就势必会致使锻件发生倾斜, 最后又将卡滞在下模型腔内 , 针对形状较为复杂或者长度偏长的锻件来说, 需要设置两个或者超过两个数量的推杆, 有一款连杆锻件其长度将近两千毫米, 采用图4所显示的单点推出结构, 在预防翘曲变形方面具备的优势十分有限 , 所以推荐使用多点推出方式, 如同图5所描绘的那样。首先, 此外推杆的行程究竟应该依照锻压设备来加以确定, 其次, 一旦那个行程过大的话, 那么就势必会造成推出机构变得复杂起来, 进而还降低了推杆的强度, 再者, 连杆锻件型腔深度大概处于30mm左右, 最后却把推出行程设置成了50mm。

图5 长杆锻件多点推出

3.6 模具保温

采用液压机进行锻造之时, 坯料于高载荷静压力下, 与模具型腔表面长时间接触, 常温状态的模具零件, 受激热影响, 极易出现开裂的情况, 另一方面来看, 长时间热传递会致使模具零件发生软化状况, 在锻件变形不均匀的情形下, 还会发生塑性变形, 这种因受力而产生的塑性变形无法避免, 进而导致模具型腔会出现塌陷或者涨大的现象。模具零件失效所产生的毛刺, 会致使锻件难以脱模, 进而增加顶出力, 让锻件翘曲变形变得更为严重, 与此同时，这些变化都会改变模具零件尺寸, 致使锻件尺寸超差, 严重的时候, 锻件与模具零件温差产生的热应力, 在模具疲劳使用之后会产生热裂纹, 最终导致模具损坏。

有着这样的研究发现, 热锻模预热温度对于模具零件磨损以及材料填充性存在着较大影响, 增加模具预热温度能够有效地提升型腔的填充质量, 为何如此呢, 乃是因为锻件于常温模具的情况下, 会快速吸收锻件热量致使锻件温度降低, 而变形抗力会因锻件温度的降低急剧提高, 所以导致在锻造的时候难以填充型腔或者坯料出现冷态刚性变形, 此等状况严重之时会造成锻件表面产生清晰晶不良组织, 并降低了锻件的性能。因而在对钛合金连杆进行锻造之际, 模具预热的温度应当被控制在300至400℃这个范围之内, 并且每一个进行锻造的炉次都借助加热体持续维持模具的温度, 如此一来能够切实有效地降低在锻造过程中的变形抗力, 进而为翘曲变形预先留出加工余量。

3.7 锻件保温

锻造如连杆类这般的中大型锻件之际, 锻件于出炉随即转移以及放置进模的进程里, 温度下降得颇为迅速, 锻造时温度降低致使金属塑性下降, 变形抗力增大, 可锻性下降, 所产生的加工硬化对坯料填充型腔造成影响, 一旦后续零件无可避免地出现翘曲变形, 尺寸偏差无法借由机加工予以补偿, 同时还对锻件组织性能产生影响, 为得以达成良好的可锻性, 需要对锻件温度加以控制。

锻件温度控制能做的工作有, 连杆锻造前, 尽量将坯料加热炉置于锻压设备附近以此降低转移时间, 锻件出炉转移时, 坯料覆石棉保温, 操作机夹钳提前预热或者捆绑石棉保温, 润滑模具零件与坯料相对运动表面, 能避模具零件和坯料直接接触, 减少磨损, 降低成形力, 还具一定阻碍坯料向模具传热作用, 锻造时在型腔内铺硅酸铝纤维布以降低热传导。

3.8 锻后冷却变形

锻造冷却的状况, 对变形合金的工艺塑性起着决定作用, 对其宏观组织有着决定作用, 对其显微组织有着决定作用, 对其力学性能也有着决定作用。在锻后冷却这个阶段当中, 处于静载荷作用下压着的锻件, 其内部应力没办法借助塑性变形来进行释放, 并且由于该锻件外形在受力方面呈现出不一致的状况, 于是大量累积起来的残余应力, 就在冷却进程里逐步地释放出来, 进而致使出现翘曲变形的情况；另外一方面, 局部位置的温度梯度, 是由模具的几何形状、锻件与模具接触所经历的时间、边界条件（也就是接触压力以及传热系数）来决定的, 锻件在冷却的时候, 每一处的冷却速度并非是统一的（比如说一面是进行空冷, 而另一面是接触着地面）, 当处在这个时段时, 如果低温一侧的收缩力足够大的话, 那么高温一侧的材料就会因为压缩而发生塑性变形, 从而造成高温一侧出现永久性的缩短。当降到室温的时候, 同样会出现上述的过程, 连杆朝着高温的那一侧弯曲, 只是因为在高温的时候高温侧出现了永久性的缩短, 所以到室温的时候所造成的弯曲会更为剧烈。

锻后冷却, 除了受那受关注较多的冷却介质影响之外, 还涵盖冷却时的摆放方式。连杆锻件在冷却之时, 应当按照两端的翘曲情形去放置, 最佳方案的放置方式就如同图6所展示的那样, 坯料并非直接接触地面, 借助锻件自身重量来减小翘曲量或者降低继续翘曲的趋势。

图6 冷却摆放方式

3.9 翘曲变形校正

促使金属发生塑性变形, 从而阻止这种情况出现的能力, 就是锻件的变形抗力, 锻件相应的变形具备怎样的难易程度, 在一定程度上是由变形抗力的高低来反映的, 变形抗力同变形温度、应变速率以及真应变之间存在的关系, 这一点是特别重要的。

钛合金锻压变形有个显著特征, 就是变形抗力大, 其变形抗力会随着变形速率的增添以及锻造温度的下降呈现出较快提升, 翘曲校正的温度要选相变点温度以下30至50℃的范围。长杆类锻件采用模具校正无法达成校直效果, 连杆校正适宜采用自由锻造方式, 液压机自由锻热校正按以下步骤操作。

（1）设置基准面，对连杆划线检查翘曲量，确定校正方向。

（2）着手制作与之对应的垫块以及压块, 选定连杆翘曲量处于最大状态的那个位置, 将其用作为压力点。

（3）下压抵达基准面之际，鉴于金属具备回弹性, 应当持续进行过压操作, 过压幅度为3至5毫米, 这样做的目的在于使回弹趋势得以降低。

有着这样一种该校正方法, 它如同图7所呈现的那般, 能够确保零件质量处于稳定状态, 还可以致力于提高校正效果, 并且能够减少校正的次数。

图7 热校正方式

4改进实践

通过实施上述质量控制措施, 开展了零件翘曲变形的实践验证, 某批连杆零件的翘曲量如同表2所示, 翘曲量相比常规方法控制有大幅降低, 最大翘曲量是3.6mm, 该翘曲量能够借助粗加工（机加工余量+5mm）予以消除, 翘曲情况也稳定, 符合零件交付要求。

表2 质量控制后翘曲量 ( mm )

在原文的作者之中, 有刘成, 有陈爱成, 有占立水, 有夏春林, 有王健, 还有郭广谋。

1. 贵州安大航空锻造有限责任公司是作者单位, 2. 空军装备部驻安顺地区军事代表室也是作者单位标点符号。