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7075铝合金防扭臂下接头等温体积成形工艺的研究 |
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作者：刘润广 刘芳 道淳志 |
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摘要：根据防扭臂下接头锻件技术条件要求，确定了等温成形工艺为最佳成形工艺方案。文中简要介绍了在5×104kN液压机上实现新工艺时模具结构特性。经工艺试验确定了变形温度约为430℃，应变速率为1.1×10-3/S～7.2×10-3/S，及较佳的坯料形状、尺寸及润滑剂。本文分析了该模锻件产生缺陷的原因和消除缺陷的方法。用新工艺研制的锻件冶金质量符合AIR3385、Z9-J冶-324、Z9-J冶-325技术条件要求，并且锻件的冶金质量有所提高，满足了生产要求。
关键词：防扭臂下接头；等温成形；粗晶；工艺参数
一、锻件的锤上模锻工艺分析
防扭臂下接头是直九飞机上的关键件，其材料是7075铝合金，见图1。它是直九飞机上的小型航空锻件，其形状特别复杂。该件原在1t锤上模锻，但由于其上带筋部位易出现粗晶，而且易穿筋，所以其晶粒度不符合Z9-J冶-325技术条件要求。 
图1防扭臂下接头模锻件图
有砧座模锻锤属冲击载荷型设备，行程不固定，承受偏载能力和导向性均较差等缺点。在该种设备上进行模锻，锻坯的变形速度、变形程度和变形温度很难控制，因而要求操作者水平较高。因锻坯的变形速度较快，铝合金来不及再结晶，其再结晶核心少，所以锻后锻件易形成粗晶。若打击力过大，锻坯的变形程度大，易出现锻坯的穿筋裂纹、折叠等缺陷。若打击力过小，将增加锤击次数，增大了能源消耗且设备的动力系统难以维护。因多次的重复加热和锻打，锻件表面也易形成折叠、穿筋裂纹、啃伤、层皮等缺陷，增加了消除表面缺陷的工作量。而且打击力过大或过小将使变形程度不易控制，锻件上的带筋部位易出现粗晶。锤上模锻铝合金时，因模具预热温度不均匀，只有200～250℃左右，而且其表面温度低，内部温度高。与铝锻坯接触时，铝锻坯表面温度低，内部温度高，又多次的重复加热与锻打，有可能使铝锻坯表面温度更低、内部温度更高，锻坯内部有可能因过热而产生粗晶。经过锤上试锻，合理的坯料形状、尺寸只能模锻出形状、尺寸与表面质量合格的锻件，而锻件的粗晶消除不了，即锻件的冶金质量不符合Z9-J冶-325技术条件要求。经过多方的论证和工艺试验，决定采用等温成形新工艺以解决该件的粗晶问题。
二、7075铝合金防扭臂下接头锻件等温成形工艺技术
1.等温成形工艺的特点
(1)极大的降低了金属的流变抗力。一般等温成形工艺的总压力相当于常规模锻的几分之一到几十分之一。如Z9-350A37-1127-91的防扭臂下接头锻件锤上模锻时，需在1t锤上(相当于压力机上10000kN模压力)模锻，而在液压机上等温模锻时，只需3000kN左右模锻压力，设备吨位降低3倍以上。
(2)显著地提高了7075铝合金材料的塑性，等温成形具有好的流动性和充填性，能使形状复杂且带筋的防扭臂下接头在一次模压中成形，因而能减少加热次数和模压次数。如果防扭臂下接头在锤上模锻，需在150kg空气锤上制坯，在1t模锻锤上3火次锤击，每次锤击5至6次。而等温模锻时，在液压机上等温自由锻制坯，坯料形状和尺寸见图2，且可在液压机上一次等温模压成形。但是考虑到铝合金的外摩擦系数较大，一次等温模压时变形量较大，新生面太多，模具型腔表面粘着很多铝屑，粘模较厉害，故起模较困难。同时一次等温模压成形，易在锻件表面上形成折叠的缺陷。现分3次等温模压，每次等温模压时留一定的变形量，模压后锻坯上折叠缺陷用风铲清除掉。第三次等温模压后锻件表面上无缺陷产生。
图2防扭臂下接头锻坯简图
(3)等温模锻要求设备的工作行程速度低，在慢速可调的液压机上模锻，对于再结晶速度慢的铝合金，可充分的进行动态再结晶，这是避免粗晶产生的充分必要条件。
(4)锻件质量好。采用等温成形新工艺研制的锻件，金相组织均匀，晶粒细小，其力学性能、纤维流线、电导率和锻件内、外表面质量均有所提高，尤其合金的屈服强度、低频疲劳和抗应力腐蚀性能均有所提高。
(5)可使锻件的尺寸精度提高和模具寿命延长。等温变形时，因模具的弹性变形小，变形温度波动小，使锻件冷却和热处理时减少变形，所以锻后尺寸精密，机械加工余量小，甚至不加工。在静载荷、低流变应力、无交变应力条件下工作的模具寿命得以延长。
(6)对于中、高温的等温变形，需具有高温强度和热稳定性好的昂贵模具材料。
(7)等温变形需要专门的加热装置和行程可调的适合慢速变形的液压设备。因此，等温变形适用于中、小批量的锻件生产。
2.模具工艺装备的设计
国产化Z9型飞机防扭臂下接头，如图1所示。等温模锻时，因锻件批量小，采用一套开式的紧固镶块的终锻模具。其型腔按等温模锻的热锻件图设计，型腔中的粗糙度RZ＜0.4μm。为了减少上、下模的错移，夹具上设计导向锁扣，镶块上设计导销装置。在夹具上设计测温孔，以便于测温。夹具分别固定在上、下垫板上。下垫板上设计了冷却水槽，用以通过冷却水来冷却垫板，防止设备系统过热。夹具上、下设计了一定尺寸和孔数的加热孔，孔中插入瓷管，瓷管中放入具有一定功率和升温快且节省电能的瓷件电阻丝用来加热模具，使得在一定时间内模具达到一定的温度。为便于保温，夹具上、下和四周皆用硅酸铝石棉板包扎。模具材料为5CrNiMo。锻模的回火温度在450～550℃之间，高于450℃时，机械性能有所降低。锻模的加热温度为430℃。图3为防扭臂下接头等温模锻工装图。
图3防扭臂下接头锻模工装图
3.等温成形工艺试验
(1)材质因素。7075铝合金与国产LC4超硬铝合金化学成分相近(见表1)。这类合金在变形铝合金中强度是最高的，在相同强度水平下，断裂韧性也优于硬铝，同时该合金具有很好的热加工性能，适合生产各种类型和规格的半成品。该合金主要缺点是抗疲劳性能差，对应力集中敏感，有明显的应力腐蚀倾向且耐热性低于硬铝。表17075铝合金和LC4铝合金的化学成分
| 合金 | 化学成分(%) | | 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)设备类型的选定。根据实验条件，用于研制的设备为5×104kN的液压机。该设备刚性好，行程速度低，在0.05～0.5mm/s的范围内可调。该设备还有三级吨位1×104kN、3×104kN、5×104kN可供选用，且设备有保险装置。
(3)等温成形工艺过程中工艺参数的控制
1)坯料形状和尺寸的选择。坯料形状和尺寸如图2所示，它是在5×104kN液压机上等温自由锻制的坯料。
2)坯料、模具加热和测控装置。坯料加热选用RJ-75-9型高温箱式电阻炉，用ULJ-100温控柜和JINAN型、EU-2型温控仪表控温。坯料自身控温仪器是UJ33a型直流电位差计。坯料加热温度为435℃，加热时间按1.5mm/min计算。模具加热到430℃时所需加热时间为4h左右，模具加热功率为40kW左右，用WZK可控硅温度控制器控温。
3)等温变形温度的确定。试验模具加热温度为430℃，坯料加热温度为435℃。
4)等温变形程度的确定。等温变形分3次等温模压成形(见表2)。为了避免粗晶的产生，要求每次等温模压过程中的变形程度大于或小于临界变形程度。经试验表明，分3次等温模压后，最终锻坯充满模具型腔而且无缺陷，锻件的质量均达到或超过AIR3385、Z9-J冶-324和Z9-J冶-325技术条件要求。表2防扭臂下接头等温变形时的变形程度
| 次数 | 第一次 | 第二次 | 第三次 | | 上下模之间的间隙(mm) | 14 | 6 | 0(压靠) | | 等温模压压力(kN) | 2.5×103 | 2.6×103 | 3.0×103 |
5)等温变形速度的确定。选用的5×104kN液压机，其工作行程速度在0.05～0.5mm/s范围内可调，在研制过程中选用工作行程速度为0.05mm/s。在等温模压过程中，随着坯料变形量的变化，变形速度也随着发生变化。经计算，其初始应变速率和最终应变速率分别为1.1×10-3/S～7.2×10-3/S。
6)润滑剂的选择和使用方法。如前所述，铝合金的外摩擦系数较大，又等温变形时变形速度较低，而较低的变形速度增加了摩擦系数，给金属充填模具型腔带来不利因素。因此，润滑剂的选择是等温变形过程中的关键问题之一。本课题选用MD-7型水基石墨乳，它在500℃以下长时间保温时脱模性和润滑性较好，使用时以一定比例将石墨和水混合，再加一定比例的水玻璃润滑剂。等温成形前，先将锻坯和模具预热至150℃左右，把调配好的润滑剂均匀地刷涂(或喷涂)在锻坯和模具型腔表面上，然后加热到指定的变形温度。
7)等温成形工艺试验。试验结果表明，当坯料被加热到指定变形温度后，迅速把坯料从电炉中取出放置在凹模型腔内，待温度稳定在430℃时即可模压。第一、二次等温模压后取出锻坯，铣、切飞边，酸洗和锻坯修伤，而后润滑锻坯和模具型腔，最终等温成形后，切边、酸洗清理锻件。
三、锻件的机械性能和金相组织检查
1.等温成形工艺流程
检查原材料→锯切下料→加热→制坯→酸洗→修伤→润滑、加热第一次等温模压→铣、切飞边→酸洗→修伤→润滑、加热→第二次等温模压→铣、切飞边→酸洗→修伤→润滑、加热→第三次等温模压→铣、切飞边→酸洗→修伤→打炉批号→荧光探伤→热处理→超声波探伤→性能检查→金相组织检查→盖胶印→终检→转入机加工车间。
2.锻件的机械性能和金相组织检查
锻件经淬火+人工时效热处理后进行了超声波探伤、机械性能和金相组织检查，其结果如表3所示。 表3锻件的机械性能与金相组织检查
| 机械性能 | 锻件
名称 | 试样
状态 | σｂ
(MPa) | σ0.2
(MPa) | δ(%) | HB(供
参考) | 防扭臂
下接头 | T6 | 490.492 | 422.426 | 14.11 | 139 | | 486.470 | 430.417 | 12.10 | | 490.493 | 419.417 | 10.80 | | 技术标准 | ≥455 | ≥385 | ≥7 | ≥125 | 金相组
织检查 | 低倍未见缺陷，流线沿零件外轮廓方向分布。显微组织未见过热、过烧，晶粒度级别为0级。 | | 结论 | 符合Z9-J冶-324和Z9-J冶-325的技术条件要求 |
*7075铝合金的淬火+人工时效状态。 四、结论
(1)试验结果表明，在变形温度430℃、应变速率为1.1×10-3S-1～7.2×10-3S-1范围内分3次等温模压时，金属的流动性和充填性好，变形抗力小，可等温模压出形状复杂的且满足尺寸精度要求的防扭臂下接头，避免了锻件的外表面和内部的冶金缺陷。所研制的锻件，其质量达到或超过法国锻件的技术要求，符合AIR3385、Z9-J冶-324和Z9-J冶-325的技术标准。
(2)采用新工艺研制的锻件质量高(见表3)。其屈服强度、低频疲劳强度及抗应力腐蚀性能都有所提高。另外，在静载荷、低流变应力和无交变热应力条件下，模具的工作寿命得到延长。
(3)与模锻锤上工艺相比，用新工艺研制的锻件替代了进口件，解决了锻件国产化问题。预计该项成果具有显著的经济效益。
作者单位：刘润广 刘芳 道淳志 哈尔滨工业大学(150001)
彭福林 李宏伟 高会 哈尔滨飞机制造公司
魏伟 哈尔滨汽轮机有限责任公司(end)
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(4/1/2007) |
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