鍛造成型技術論文

　　鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，下面是由小編整理的，謝謝你的閱讀。

　　篇一

　　GH4169合金渦輪盤鍛造成型的數值模擬和分析

　　摘要： 利用Gleeble3500型熱模擬試驗機研究GH4169合金在不同溫度和變形速度下的熱變形行為，建立該合金的高溫流變應力模型.用Deform3D對GH4169鎳基高溫合金渦輪盤鍛造成型過程進行數值模擬，比較不同變形速度和不同變形溫度下工件的變形行為.結果表明：相對於變形速度，變形溫度對鍛件效能的影響更加明顯;較高的變形溫度有利於材料的動態恢復和再結晶，使組織均勻，但過高的終鍛溫度會使晶粒尺寸變大，進而影響渦輪盤的機械效能.

　　關鍵詞： 航空發動機; 渦輪盤; 鎳基高溫合金; 鍛造成型; 變形溫度; 晶粒尺寸; 數值模擬

　　中圖分類號： V232.3;TB115.1文獻標誌碼： B

　　Abstract： The thermal deformation of GH4169 alloy is studied by the thermal simulation testing machine of Gleeble3500 under the condition of different temperature and deformation velocity， and the high temperature flow stress model of the alloy is built. The numerical simulation is performed on the forging deforming of GH4169 nickelbase superalloy turbine disc by Deform3D， and the different deformation behaviors of a workpiece are compared under different deformation velocity and temperature. The results show that， comparing with the deformation velocity， the effect of deformation temperature on the performance of the forging piece is more obvious; the higher deformation temperature is helpful for dynamic recovery and recrystallization of the material， which makes the organization more uniform; but the grain size becomes larger if the final forging temperature is too high， which weakens the mechanical performance of the turbine disc.

　　Key words： aeroengine; turbine disc; nickelbase superalloy; forging deforming; deformation temperature; grain size; numerical simulation

　　引言

　　GH4169作為一種常見的航空發動機用鎳基高溫合金，在-253～650 ℃下具有高強度、高疲勞效能和良好的塑性，是目前應用廣泛的一種高溫合金，佔世界上高溫合金產品的35%～40%.[1]但是，GH4169合金在鍛造成型時，具有高溫塑性低、變形抗力大、可鍛溫度範圍窄、導熱性差等缺點，且鍛件的晶粒尺寸無法由後期熱處理工藝進行改善，主要靠鍛造成型工藝進行控制.所以，GH4169合金鍛件的成型工藝直接決定鍛件的機械效能.[2]

　　本文利用Deform3D對某型號航空發動機渦輪盤鍛造成型過程進行模擬模擬研究，為優化渦輪盤鍛造工藝、研究GH4169的熱塑性變形行為提供理論依據.

　　模擬模具的初始溫度設定為980 ℃.在變形初始，模具與工件直接存在60 ℃的溫度差.在變形過程中，工件不斷向模具散熱，接觸表面溫度下降，同時塑性變形使工件的變形功轉化為熱能.模具和工件之間的摩擦也隨著接觸面積的增加而不斷增大，由摩擦引起的熱效應也增強，從而使工件溫度不斷上升，尤其是飛邊和輪緣這些變形最激烈的區域.變形速度的增加，使模具和工件的接觸時間縮短，熱傳遞時間也縮短，工件整體溫度升高.因此，在實際鍛造生產過程中，要合理選擇變形速度，避免區域性溫度過高，從而產生區域性粗晶現象，影響渦輪盤的機械效能.

　　當摩擦因子為0.3，溫度為1 040 ℃時不同變形速度對等效應力的影響見圖5，可知，隨著變形速度的增加，輪盤的等效應力明顯增加

　　由圖6可知，隨著溫度的升高，工件的等效應變不斷增加.當變形溫度從980 ℃升高到1 100 ℃時，等效應變也從4.55增加到7.21，即材料的流動性得到顯著改善.

　　當摩擦因子為0.3，變形速度為20 mm/s時不同的變形溫度對工件等效應力的影響見圖7，由圖7可知，等效應變隨變形溫度的升高而顯著降低.在變形結束時刻，當變形溫度為980，1 000，1 040和1 100 ℃時，工件的最高等效應力分別為496，426，407和370 MPa.等效應變和應力隨溫度的升高不斷髮生變化，這些都可以看做是材料變形能力的變化，其原因是：溫度的升高增強原子的擴散能力，增加晶界的遷移能力，使材料更容易發生動態回覆和再結晶，抵消由位錯產生的加工硬化，提高材料的塑性，使變形更容易.

　　通過對上述不同加工條件的分析可以看出，溫度對GH4169合金的變形影響更大.雖然當變形速度不同時，工件的等效應變、等效應力存在差異，但通常造成這種差異的原因除變形速度不同造成的溫度降不同以外，則是高應變速率使工件組織的回覆和再結晶過程不夠充分.在本次模擬過程中，工件與模具都處在較高的溫度中，散熱很少，導致工件的溫度降低和高應變速率的硬化機制不能發揮主導作用，從而顯著地影響工件的變形抗力. 　　因此，在GH4169合金渦輪盤的鍛造過程中，首先應考慮合理的鍛造溫度區間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發生普遍明顯的動態再結晶，使組織晶粒度均勻，避免出現混晶現象;另一方面要考慮晶粒的尺寸，避免溫度過高，使晶粒過分長大.其次，雖然變形速度對加工過程的影響相對變形溫度產生的影響較小，但因變形速率過高而造成工件區域性過熱，從而產生區域性粗晶現象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎上，選擇適當的變形速度能進一步改善變形的均勻性，提高工件的效能.

　　4結論

　　***1***通過GH4169合金的等溫恆應變速率壓縮試驗，確定該合金在高溫下的雙曲正弦流變應力模型，並通過例項模擬驗證該模型在數值模擬過程中能夠準確反映GH4169合金在不同加工條件下的變形規律.

　　***2***較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時間，使工件的散熱減少，溫度場分佈更均勻;但過大的變形速度會使工件產生區域性溫度過高，造成區域性粗晶現象.

　　***3***較高的變形溫度使材料的恢復與再結晶變得更容易，使工件塑性更好，變形更均勻充分;但過高的終鍛溫度會使再結晶後的晶粒增大，影響工件的機械效能.參考文獻：

　　[1]王會陽， 安雲岐， 李承宇， 等. 鎳基高溫合金材料的研究進展[J]. 材料導報， 2011***25***： 482486.

　　WANG Huiyang， AN Yunqi， LI Chengyu， et al. Research progress of Nibased superalloy[J]. Mat Rev， 2011***25***： 482486.

　　[2]劉潤廣， 蔣浩民， 姜勇， 等. GH4169合金超塑性變形及其力學行為的研究[J]. 航空材料工藝， 1998***2***： 3638.

　　LIU Runguang， JIANG Haomin， JIANG Yong， et al. Study on superplastic deformation and mechanical behavior of alloy GH4169[J]. Aerospace Materials & Technol， 1998***2***： 3638.

　　[3]SELLARS C M， MCTEGART W J. On the mechanism of hot deformation[J]. Acta Metallurgica， 1966， 14***9***： 11361138.

　　[4]Mc QUEEN H J， RYAN N D. Constitutive analysis in hot working[J]. Materials Science and Engineering A， 2002***322***： 4363.

　　篇二

　　試論自由鍛造

　　【摘要】自由鍛造是利用衝擊力或壓力使金屬在上下砧面間各個方向自由變形，不受任何限制而獲得所需形狀及尺寸和一定機械效能的鍛件的一種加工方法，簡稱自由鍛。

　　自由鍛造所用工具和裝置簡單，通用性好，成本低。同鑄造毛坯相比，自由鍛消除了縮孔、縮鬆、氣孔等缺陷，使毛坯具有更高的力學效能。鍛件形狀簡單，操作靈活。因此，它在重型機器及重要零件的製造上有特別重要的意義。

　　【關鍵詞】自由鍛，基本工序，特點

　　【中圖分類號】TG316.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158***2013***01―0194-02

　　自由鍛造的基本工序

　　自由鍛工序分：基本工序，輔助工序，精整工序。

　　一、基本工序

　　主要是使金屬產生一定程度的屬性變形，以達到所需要的形狀及尺寸。

　　如，鐓粗、拔長、衝孔、切割、彎曲、扭轉等

　　二、輔助工序

　　是為基本工序的操作方便而進行的一些預先變形工序。

　　如，壓鉗口、壓肩等。

　　三、精整工序

　　在終端溫度下進行。如清理鍛件表面的凸凹不平及整形等，主要用來減

　　少鍛件表面缺陷的工序。

　　【拔長】也稱延伸，它是使坯料橫斷面積減小、長度增加的鍛造工序。拔

　　長常用於鍛造杆、軸類零件。拔長的方法主要有兩種：

　　1、在平砧上拔長。

　　2、在芯棒上拔長。鍛造時，先芯棒插入衝好孔的坯料中，然後當作實心坯料進行拔長。拔長時，一般不是一次拔成，先將坯料拔成六角形，鍛到所需長度後，再倒角滾圓，取出芯棒。為便於取出芯棒，芯棒的工作部分應有1：100左右的斜度。這種拔長方法可使空心坯料的長度增加，壁厚減小，而內徑不變，常用於鍛造套筒類長空心鍛件。

　　鐓粗

　　【鐓粗】是使毛坯高度減小，橫斷面積增大的鍛造工序。鐓粗工序主要用於鍛造齒輪坯、圓餅類鍛件。鐓粗工序可以有效地改善坯料組織，減小力學效能的異向性。鐓粗與拔長的反覆進行，可以改善高合金工具鋼中碳化

　　物的形態和分佈狀態。

　　鐓粗主要有以下三種形式：

　　1、完全鐓粗。完全鐓粗是將坯料豎直放在砧面上，在上砧的錘擊下，使坯料產生高度減小，橫截面積增大的塑性變形。

　　2、端部鐓粗。將坯料加熱後，一端放在漏盤或胎模內，限制這一部分的塑性變形，然後錘擊坯料的另一端，使之鐓粗成形。用漏盤的鐓粗方法，多用於小批量生產;胎模鐓粗的方法，多用於大批量生產。在單件生產條件下，可將需要鐓粗的部分區域性加熱，或者全部加熱後將不需要鐓粗的部分在水中激冷，然後進行鐓粗。

　　3、中間鐓粗。這種方法用於鍛造中間斷面大，兩端斷面小的鍛件，例如雙面都有凸臺的齒輪坯就採用此法鍛造。坯料鐓粗前，需先將坯料兩端拔細，然後使坯料直立在兩個漏盤中間進行錘擊，使坯料中間部分鐓粗。

　　為了防止鐓粗時坯料彎曲，坯料高度h與直徑d之比h/d≤2.5。

　　衝孔

　　【衝孔】是在坯料上衝出透孔或不透孔的鍛造工序。衝孔的方法主要有以下兩種：

　　1、雙面衝孔法。用衝頭在坯料上衝至2/3-3/4深度時，取出衝頭，翻轉坯料，再用衝頭從反面對準位置，衝出孔來。

　　2、單面衝孔法。厚度小的坯料可採用單面衝孔法。衝孔時，坯料置於墊環上，一略帶錐度的衝頭大端對準衝孔位置，用錘擊方法打入坯料，直至孔穿透為止。

　　彎曲

　　【彎曲】採用一定的工模具將坯料彎成所規定的外形的鍛造工序，稱為彎曲。

　　常用的彎曲方法有以下兩種：

　　1、鍛錘壓緊彎曲法。坯料的一端被上、下砧壓緊，用大錘打擊或用吊車拉另一端，使其彎曲成形。

　　2、模彎曲法。在墊模中彎曲能得到形狀和尺寸較準確的小型鍛件。

　　切割

　　【切割】是指將坯料分成幾部分或部分地割開，或從坯料的外部割掉一部分，或從內部割出一部分的鍛造工序。

　　錯移

　　【錯移】是指將坯料的一部分相對另一部分平行錯開一段距離，但仍保持軸心平行的的鍛造工序，常用於鍛造麴軸零件。錯移時，先對坯料進區域性切割，然後在切口兩側分別施加大小相等、方法相反且垂直於軸線的衝擊力或壓力，使坯料實現錯移。

　　鍛接

　　【鍛接】是將坯料在爐內加熱至高溫後，用錘快擊，使兩者在固態結合的鍛造工序。鍛接的方法有搭接、對接、咬接等。鍛接後的接縫強度可達被

　　連線材料強度的70%-80%。

　　扭轉

　　【扭轉】是將毛料的一部分相對於另一部分繞其軸線旋轉一定角度的鍛造工序。該工序多用於鍛造多拐曲軸和校正某些鍛件。小型坯料扭轉角度不大時，可用錘擊方法。

　　自由鍛工藝規程的制定

　　1、分析零件圖設計繪製鍛件圖

　　鍛件圖即是在零件圖的基礎上+鍛件餘量+鍛件公差+餘塊所組成的圖紙

　　2、坯料質量的計算

　　鍛件坯料體積包括鍛件的體積和鍛造過程中的各種體積損失，如加熱時的表面氧化、燒損等。

　　鍛件坯料質量的計算可以按下公式計算M坯=M鍛+M燒損+M切+M芯

　　3、坯料尺寸計算

　　根據已算得鍛件質量和截面積大小定：坯料質量÷材料的比重=坯料體積。

　　4、選擇鍛造工序、確定鍛造溫度。

　　5、選擇確定鍛造裝置。

　　6、規定有關技術要求、編寫工藝卡等。

　　自由鍛造特點

　　1***軟體自動計算功能極大地提高工作效率：

　　軟體可自動給出下料重量、鍛件重量、及零件重量，十分迅速，使您省

　　去繁瑣的計算和查詢手冊的工作，極大地提高您的效率，60秒就可以輕鬆完成一張完整的工藝卡。 　　軟體還具有的鍛件鍛前加熱規範、鍛後熱處理工藝，給工藝人員在做熱處理工藝時一個很好的參考依據。一個工藝工程師可以做幾個人的工作量，可以節約很多人力資源成本。

　　2***特殊圖形和工藝：

　　任何複雜圖形及特殊的工藝都可以利用軟體的製圖功能進行自行製作並可以儲存，鍛造工藝卻可以自動生成，也可以自行修改工藝。

　　3***準確的材料利用率：

　　鍛前就可以準確地給出熱耗和工藝損耗***函式程式準確計算的***，可以使您在鍛打產品前就可以給出材料的成本核算，利於您的準確報價。

　　4***多級臺階軸的優化和法蘭胎膜製作功能：

　　多級臺階軸可以預先模擬出幾種各級的鍛件圖形進行比較，可以很直觀地觀察出哪一種方案最佳，取最佳方案進行鍛打，法蘭胎膜製作功能，在實際使用中效果也很顯著，鍛件還列有鍛打工步可作為工人師傅的鍛打依據。

　　5***減少了材料的浪費：

　　避免新產品的反覆試驗工藝而造成損失;避免人為因素的失誤和錯誤而造成損失;準確的材料重量計算可以提高材料利用率。

　　6***強大的自動計算和資料功能：

　　軟體包含的幾十類數千種鍛件的工藝、數萬種材料牌號、各類技術要求、所有噸位的鍛錘和水壓機、圖形的引數化都會給您帶來極大的方便***避免繁瑣的手冊查詢工作***。

　　7***方便管理及有利於提高企業形象：

　　工藝卡片可以根據您的客戶分類而自動存貯在軟體裡，可以隨時呼叫，不用另存其他地方，便於管理者和工藝人員檢視。規範化的設計和管理，也利於提高企業形象。

　　8***軟體具有很強的升級功能：

　　隨著貴公司的工藝水平的改進、或者各個時期不同工藝都可以取精華編制在軟體裡，使公司裡鍛造工藝具有連續性和升級性，不至於使工藝人為流失。

　　9***操作簡單：

　　使用十分方便，即使不熟悉計算機的人，也能很容易掌握;不用另製作工藝卡，可以直接用印表機打出和分類儲存在電腦裡。

　　結論

　　鍛造是機械製造中常用的成形方法。通過鍛造能消除金屬的鑄態疏鬆及焊合孔洞，鍛件的機械效能一般優於同樣材料的鑄件。機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋製的板材、型材或焊接件外，多采用鍛件。

　　鍛造按坯料在加工時的溫度可分為冷鍛和熱鍛。冷鍛一般是在室溫下加工，熱鍛是在高於坯料金屬的再結晶溫度上加工。有時還將處於加熱狀態，但溫度不超過再結晶溫度時進行的鍛造稱為溫鍛。不過這種劃分在生產中並不完全統一。

　　參考文獻

　　[1]劉潤廣，鍛造工藝學，哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.

　　[2]林法禹，特種鍛壓工藝，北京：機械工業出版社，1991.