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PH13-8Mo鋼異形模鍛件鍛造工藝設(shè)計(jì)及組織演變規(guī)律
精密鍛造具有生產(chǎn)效率高、成形質(zhì)量好、產(chǎn)品一致性高等優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)于非加工的表面或者異形構(gòu)件,采用精密鍛造不僅能夠滿足其非加工要求,同時(shí)可極大地減少機(jī)械加工量。結(jié)合PH13-8Mo 鍛件的設(shè)計(jì)形狀以及性能要求,優(yōu)化成形過程中制坯流程;采用有限元分析方法對(duì)制坯形狀進(jìn)行優(yōu)化,最終完成鍛件的優(yōu)質(zhì)高效成形。


PH13-8Mo 馬氏體沉淀強(qiáng)化不銹鋼以其超高的強(qiáng)度、優(yōu)良的抗沖擊腐蝕性能、較好的斷裂韌性、焊接性以及易加工性能,在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。但由于其價(jià)格昂貴和硬度高,采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式生產(chǎn)的PH13-8Mo 零件,不僅大幅度提高了零件的制造成本,同時(shí)也增加了其制造周期。


本文介紹了一種PH13-8Mo 鋼異形模鍛件控形控性一體化成形技術(shù),采用預(yù)制坯+鍛造方法完成最終鍛件成形,利用有限元計(jì)算軟件對(duì)制坯的形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化,然后對(duì)最終鍛件進(jìn)行組織和性能評(píng)價(jià),為異形PH13-8Mo 鍛件制坯+鍛造成形提供理論依據(jù)。


鍛件及模具設(shè)計(jì)

本文中試制的PH13-8Mo 鍛件如圖1 所示。鍛件分為上下結(jié)構(gòu),鍛件上部為帶有“T”字形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),下部為整體長方體。鍛件總高度為125mm,下部長方體高度為82mm,寬度僅為24mm;鍛件最大長度為193mm,最大寬度為131mm。設(shè)計(jì)單邊余量3mm,上部斜度為5°,下部斜度為7°,未注明倒角為R3mm。


有限元數(shù)值模擬計(jì)算邊界參數(shù)設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,確定有限元模擬計(jì)算過程邊界參數(shù)如表1 所示。

有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

PH13-8Mo 鍛件有限元數(shù)值模擬過程如圖2、圖3 所示,分別采用圓柱形坯料以及預(yù)制坯形狀坯料進(jìn)行有限元模擬。


如上述有限元計(jì)算結(jié)果,直接用圓柱形棒料成形,鍛件毛邊完全形成后,鍛件上部成形完整,鍛件下部分長方體頂角處仍然未充滿,圖2 中紅圈部分存在缺肉缺陷。如果繼續(xù)增大壓力,不僅對(duì)鍛件成形模具形成巨大沖擊力,造成模具損壞,同時(shí)也增加壓力機(jī)悶車的風(fēng)險(xiǎn)。而采用預(yù)制坯后,在上部分充型完整時(shí),下部也充型完整,整體鍛件質(zhì)量較好,故采用預(yù)制坯+模鍛方式制造。


預(yù)制坯方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述有限元結(jié)果,鍛件采用預(yù)制坯+模鍛方式完成最終成形,而模鍛過程中因模具型腔限制,變形量比較固定,對(duì)最終鍛件的組織以及性能無太大影響。故對(duì)成形鍛件影響比較大的過程在于預(yù)制坯制造環(huán)節(jié)。圖4 為不同溫度下采用圓棒直接鍛造制坯組織變化。

經(jīng)1100℃自由鍛制坯后的晶粒度為3~4 級(jí);1050℃制坯后的組織為4~5 級(jí);1020℃制坯后的晶粒度為5~6 級(jí)。為滿足晶粒度不粗于5 級(jí)的要求,選擇制坯溫度不大于1020℃。但是從圖4也可以看到,經(jīng)過1020℃制坯后,晶粒度接近5 級(jí),在后續(xù)的模鍛過程中,極易因鍛造變形量不夠,造成晶粒長大后粗于5 級(jí)。


圖5 顯示不同制坯方式下的組織變化。在制坯的工藝指導(dǎo)下,不僅考慮制坯工序的組織變化,同時(shí)也為后續(xù)的模鍛組織和性能準(zhǔn)備,在直接制坯的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了制坯工藝,先鐓拔一次后,再進(jìn)行制坯。

從圖5 中可以看到,原始材料的晶粒度約為7~8級(jí),1020 ℃直接制坯后,晶粒度約為5 ~6 級(jí),1020℃鐓拔一次后制坯,晶粒度約為7~8 級(jí),接近原始材料的晶粒度,組織明顯好于直接制坯。


工藝方案驗(yàn)證

按照上述工藝方案,采用鐓拔+制坯+模鍛工藝,生產(chǎn)的鍛件如圖6 所示。從圖中可以看到,采用預(yù)制坯成形的鍛件充填非常完好,證明了有限元計(jì)算軟件的可靠性。

圖7 為鍛件的晶粒度照片,從圖中可以看到鍛件的晶粒比較均勻,晶粒度約為6~7 級(jí)。

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