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摘要：根據(jù)防扭臂下接頭鍛件技術(shù)條件要求，確定了等溫成形工藝為最佳成形工藝方案。文中簡(jiǎn)要介紹了在5×10⁴kN液壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)新工藝時(shí)模具結(jié)構(gòu)特性。經(jīng)工藝試驗(yàn)確定了變形溫度約為430℃，應(yīng)變速率為1.1×10^-3/S～7.2×10^-3/S，及較佳的坯料形狀、尺寸及潤(rùn)滑劑。本文分析了該模鍛件產(chǎn)生缺陷的原因和消除缺陷的方法。用新工藝研制的鍛件冶金質(zhì)量符合AIR3385、Z9-J冶-324、Z9-J冶-325技術(shù)條件要求，并且鍛件的冶金質(zhì)量有所提高，滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵詞：防扭臂下接頭；等溫成形；粗晶；工藝參數(shù)

一、鍛件的錘上模鍛工藝分析

防扭臂下接頭是直九飛機(jī)上的關(guān)鍵件，其材料是7075鋁合金，見(jiàn)圖1。它是直九飛機(jī)上的小型航空鍛件，其形狀特別復(fù)雜。該件原在1t錘上模鍛，但由于其上帶筋部位易出現(xiàn)粗晶，而且易穿筋，所以其晶粒度不符合Z9-J冶-325技術(shù)條件要求。

圖1防扭臂下接頭模鍛件圖

有砧座模鍛錘屬?zèng)_擊載荷型設(shè)備，行程不固定，承受偏載能力和導(dǎo)向性均較差等缺點(diǎn)。在該種設(shè)備上進(jìn)行模鍛，鍛坯的變形速度、變形程度和變形溫度很難控制，因而要求操作者水平較高。因鍛坯的變形速度較快，鋁合金來(lái)不及再結(jié)晶，其再結(jié)晶核心少，所以鍛后鍛件易形成粗晶。若打擊力過(guò)大，鍛坯的變形程度大，易出現(xiàn)鍛坯的穿筋裂紋、折疊等缺陷。若打擊力過(guò)小，將增加錘擊次數(shù)，增大了能源消耗且設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)難以維護(hù)。因多次的重復(fù)加熱和鍛打，鍛件表面也易形成折疊、穿筋裂紋、啃傷、層皮等缺陷，增加了消除表面缺陷的工作量。而且打擊力過(guò)大或過(guò)小將使變形程度不易控制，鍛件上的帶筋部位易出現(xiàn)粗晶。錘上模鍛鋁合金時(shí)，因模具預(yù)熱溫度不均勻，只有200～250℃左右，而且其表面溫度低，內(nèi)部溫度高。與鋁鍛坯接觸時(shí)，鋁鍛坯表面溫度低，內(nèi)部溫度高，又多次的重復(fù)加熱與鍛打，有可能使鋁鍛坯表面溫度更低、內(nèi)部溫度更高，鍛坯內(nèi)部有可能因過(guò)熱而產(chǎn)生粗晶。經(jīng)過(guò)錘上試鍛，合理的坯料形狀、尺寸只能模鍛出形狀、尺寸與表面質(zhì)量合格的鍛件，而鍛件的粗晶消除不了，即鍛件的冶金質(zhì)量不符合Z9-J冶-325技術(shù)條件要求。經(jīng)過(guò)多方的論證和工藝試驗(yàn)，決定采用等溫成形新工藝以解決該件的粗晶問(wèn)題。

二、7075鋁合金防扭臂下接頭鍛件等溫成形工藝技術(shù)

1.等溫成形工藝的特點(diǎn)

(1)極大的降低了金屬的流變抗力。一般等溫成形工藝的總壓力相當(dāng)于常規(guī)模鍛的幾分之一到幾十分之一。如Z9-350A37-1127-91的防扭臂下接頭鍛件錘上模鍛時(shí)，需在1t錘上(相當(dāng)于壓力機(jī)上10000kN模壓力)模鍛，而在液壓機(jī)上等溫模鍛時(shí)，只需3000kN左右模鍛壓力，設(shè)備噸位降低3倍以上。

(2)顯著地提高了7075鋁合金材料的塑性，等溫成形具有好的流動(dòng)性和充填性，能使形狀復(fù)雜且?guī)Ы畹姆琅け巯陆宇^在一次模壓中成形，因而能減少加熱次數(shù)和模壓次數(shù)。如果防扭臂下接頭在錘上模鍛，需在150kg空氣錘上制坯，在1t模鍛錘上3火次錘擊，每次錘擊5至6次。而等溫模鍛時(shí)，在液壓機(jī)上等溫自由鍛制坯，坯料形狀和尺寸見(jiàn)圖2，且可在液壓機(jī)上一次等溫模壓成形。但是考慮到鋁合金的外摩擦系數(shù)較大，一次等溫模壓時(shí)變形量較大，新生面太多，模具型腔表面粘著很多鋁屑，粘模較厲害，故起模較困難。同時(shí)一次等溫模壓成形，易在鍛件表面上形成折疊的缺陷。現(xiàn)分3次等溫模壓，每次等溫模壓時(shí)留一定的變形量，模壓后鍛坯上折疊缺陷用風(fēng)鏟清除掉。第三次等溫模壓后鍛件表面上無(wú)缺陷產(chǎn)生。

圖2防扭臂下接頭鍛坯簡(jiǎn)圖

(3)等溫模鍛要求設(shè)備的工作行程速度低，在慢速可調(diào)的液壓機(jī)上模鍛，對(duì)于再結(jié)晶速度慢的鋁合金，可充分的進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這是避免粗晶產(chǎn)生的充分必要條件。

(4)鍛件質(zhì)量好。采用等溫成形新工藝研制的鍛件，金相組織均勻，晶粒細(xì)小，其力學(xué)性能、纖維流線、電導(dǎo)率和鍛件內(nèi)、外表面質(zhì)量均有所提高，尤其合金的屈服強(qiáng)度、低頻疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能均有所提高。

(5)可使鍛件的尺寸精度提高和模具壽命延長(zhǎng)。等溫變形時(shí)，因模具的彈性變形小，變形溫度波動(dòng)小，使鍛件冷卻和熱處理時(shí)減少變形，所以鍛后尺寸精密，機(jī)械加工余量小，甚至不加工。在靜載荷、低流變應(yīng)力、無(wú)交變應(yīng)力條件下工作的模具壽命得以延長(zhǎng)。

(6)對(duì)于中、高溫的等溫變形，需具有高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性好的昂貴模具材料。

(7)等溫變形需要專(zhuān)門(mén)的加熱裝置和行程可調(diào)的適合慢速變形的液壓設(shè)備。因此，等溫變形適用于中、小批量的鍛件生產(chǎn)。

2.模具工藝裝備的設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)化Z9型飛機(jī)防扭臂下接頭，如圖1所示。等溫模鍛時(shí)，因鍛件批量小，采用一套開(kāi)式的緊固鑲塊的終鍛模具。其型腔按等溫模鍛的熱鍛件圖設(shè)計(jì)，型腔中的粗糙度RZ＜0.4μm。為了減少上、下模的錯(cuò)移，夾具上設(shè)計(jì)導(dǎo)向鎖扣，鑲塊上設(shè)計(jì)導(dǎo)銷(xiāo)裝置。在夾具上設(shè)計(jì)測(cè)溫孔，以便于測(cè)溫。夾具分別固定在上、下墊板上。下墊板上設(shè)計(jì)了冷卻水槽，用以通過(guò)冷卻水來(lái)冷卻墊板，防止設(shè)備系統(tǒng)過(guò)熱。夾具上、下設(shè)計(jì)了一定尺寸和孔數(shù)的加熱孔，孔中插入瓷管，瓷管中放入具有一定功率和升溫快且節(jié)省電能的瓷件電阻絲用來(lái)加熱模具，使得在一定時(shí)間內(nèi)模具達(dá)到一定的溫度。為便于保溫，夾具上、下和四周皆用硅酸鋁石棉板包扎。模具材料為5CrNiMo。鍛模的回火溫度在450～550℃之間，高于450℃時(shí)，機(jī)械性能有所降低。鍛模的加熱溫度為430℃。圖3為防扭臂下接頭等溫模鍛工裝圖。

圖3防扭臂下接頭鍛模工裝圖

3.等溫成形工藝試驗(yàn)

(1)材質(zhì)因素。7075鋁合金與國(guó)產(chǎn)LC4超硬鋁合金化學(xué)成分相近(見(jiàn)表1)。這類(lèi)合金在變形鋁合金中強(qiáng)度是最高的，在相同強(qiáng)度水平下，斷裂韌性也優(yōu)于硬鋁，同時(shí)該合金具有很好的熱加工性能，適合生產(chǎn)各種類(lèi)型和規(guī)格的半成品。該合金主要缺點(diǎn)是抗疲勞性能差，對(duì)應(yīng)力集中敏感，有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向且耐熱性低于硬鋁。

表17075鋁合金和LC₄鋁合金的化學(xué)成分
合金 化學(xué)成分(%) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Ti+Zr Al 7075 0.4 0.5 1.2
～2.0 0.3 2.1
～
2.9 0.18
～
0.28 5.1
～
6.1 0.2 0.25 其余 LC4 0.5 0.5 1.4
～
2.0 0.2
～
0.6 1.8
～
2.8 0.1
～
0.25 5.0
～
7.0 - 其余

(2)設(shè)備類(lèi)型的選定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，用于研制的設(shè)備為5×104kN的液壓機(jī)。該設(shè)備剛性好，行程速度低，在0.05～0.5mm/s的范圍內(nèi)可調(diào)。該設(shè)備還有三級(jí)噸位1×104kN、3×104kN、5×104kN可供選用，且設(shè)備有保險(xiǎn)裝置。

(3)等溫成形工藝過(guò)程中工藝參數(shù)的控制

1)坯料形狀和尺寸的選擇。坯料形狀和尺寸如圖2所示，它是在5×104kN液壓機(jī)上等溫自由鍛制的坯料。

2)坯料、模具加熱和測(cè)控裝置。坯料加熱選用RJ-75-9型高溫箱式電阻爐，用ULJ-100溫控柜和JINAN型、EU-2型溫控儀表控溫。坯料自身控溫儀器是UJ33a型直流電位差計(jì)。坯料加熱溫度為435℃，加熱時(shí)間按1.5mm/min計(jì)算。模具加熱到430℃時(shí)所需加熱時(shí)間為4h左右，模具加熱功率為40kW左右，用WZK可控硅溫度控制器控溫。

3)等溫變形溫度的確定。試驗(yàn)?zāi)＞呒訜釡囟葹?30℃，坯料加熱溫度為435℃。

4)等溫變形程度的確定。等溫變形分3次等溫模壓成形(見(jiàn)表2)。為了避免粗晶的產(chǎn)生，要求每次等溫模壓過(guò)程中的變形程度大于或小于臨界變形程度。經(jīng)試驗(yàn)表明，分3次等溫模壓后，最終鍛坯充滿(mǎn)模具型腔而且無(wú)缺陷，鍛件的質(zhì)量均達(dá)到或超過(guò)AIR3385、Z9-J冶-324和Z9-J冶-325技術(shù)條件要求。

表2防扭臂下接頭等溫變形時(shí)的變形程度
次數(shù) 第一次 第二次 第三次 上下模之間的間隙(mm) 14 6 0(壓靠) 等溫模壓壓力(kN) 2.5×10³ 2.6×10³ 3.0×10³

5)等溫變形速度的確定。選用的5×104kN液壓機(jī)，其工作行程速度在0.05～0.5mm/s范圍內(nèi)可調(diào)，在研制過(guò)程中選用工作行程速度為0.05mm/s。在等溫模壓過(guò)程中，隨著坯料變形量的變化，變形速度也隨著發(fā)生變化。經(jīng)計(jì)算，其初始應(yīng)變速率和最終應(yīng)變速率分別為1.1×10-3/S～7.2×10-3/S。

6)潤(rùn)滑劑的選擇和使用方法。如前所述，鋁合金的外摩擦系數(shù)較大，又等溫變形時(shí)變形速度較低，而較低的變形速度增加了摩擦系數(shù)，給金屬充填模具型腔帶來(lái)不利因素。因此，潤(rùn)滑劑的選擇是等溫變形過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本課題選用MD-7型水基石墨乳，它在500℃以下長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)脫模性和潤(rùn)滑性較好，使用時(shí)以一定比例將石墨和水混合，再加一定比例的水玻璃潤(rùn)滑劑。等溫成形前，先將鍛坯和模具預(yù)熱至150℃左右，把調(diào)配好的潤(rùn)滑劑均勻地刷涂(或噴涂)在鍛坯和模具型腔表面上，然后加熱到指定的變形溫度。

7)等溫成形工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)坯料被加熱到指定變形溫度后，迅速把坯料從電爐中取出放置在凹模型腔內(nèi)，待溫度穩(wěn)定在430℃時(shí)即可模壓。第一、二次等溫模壓后取出鍛坯，銑、切飛邊，酸洗和鍛坯修傷，而后潤(rùn)滑鍛坯和模具型腔，最終等溫成形后，切邊、酸洗清理鍛件。

三、鍛件的機(jī)械性能和金相組織檢查

1.等溫成形工藝流程

檢查原材料→鋸切下料→加熱→制坯→酸洗→修傷→潤(rùn)滑、加熱第一次等溫模壓→銑、切飛邊→酸洗→修傷→潤(rùn)滑、加熱→第二次等溫模壓→銑、切飛邊→酸洗→修傷→潤(rùn)滑、加熱→第三次等溫模壓→銑、切飛邊→酸洗→修傷→打爐批號(hào)→熒光探傷→熱處理→超聲波探傷→性能檢查→金相組織檢查→蓋膠印→終檢→轉(zhuǎn)入機(jī)加工車(chē)間。

2.鍛件的機(jī)械性能和金相組織檢查

鍛件經(jīng)淬火+人工時(shí)效熱處理后進(jìn)行了超聲波探傷、機(jī)械性能和金相組織檢查，其結(jié)果如表3所示。

表3鍛件的機(jī)械性能與金相組織檢查
機(jī)械性能 鍛件
名稱(chēng) 試樣
狀態(tài) σ_ｂ
(MPa) σ_0.2
(MPa) δ(%) HB(供
參考) 防扭臂
下接頭 T^��₆ 490.492 422.426

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