引言
GH4169是一種鎳基單晶合金，具有較高的室溫及高溫強(qiáng)度、良好的蠕變性能和持久性能。該合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了得到較好的機(jī)械性能，常采用調(diào)質(zhì)處理或超細(xì)晶粒強(qiáng)化等工藝方法進(jìn)行熱處理。
1、GH4169合金的概述
GH4169是一種高溫合金材料。它具有以下特點(diǎn)：高溫性能突出，能夠在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，并具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。此外，GH4169還具有良好的耐腐蝕性能，能夠抵御酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)的侵蝕，它的可加工性也非常好，可以通過(guò)熱處理、冷加工等方式進(jìn)行成形和加工[1]。不僅如此，GH4169還具有高強(qiáng)度和韌性，即使在高溫下也能保持較高的強(qiáng)度，并具有一定的塑性。因此，GH4169被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核電、汽車(chē)制造等領(lǐng)域，承擔(dān)著重要作用。
2、GH4169高強(qiáng)度精密螺栓成形工藝
2.1螺栓成形模架結(jié)構(gòu)
本文中GH4169高強(qiáng)度精密螺栓成形工藝中螺栓成型模具的模架結(jié)構(gòu)主體材料使用合金鋼，確保足夠的支撐力和穩(wěn)定性；上模座尺寸為150mm×150mm×60mm，固定在模架頂部；上模材料為硬質(zhì)合金（WC-Co），尺寸為100mm×100mm×30mm，具有螺紋成形凹槽；下模座為尺寸為180mm×180mm×80mm，固定在模架底部；下模材料為硬質(zhì)合金（WC-Co），尺寸為120mm×120mm×50mm，具有螺紋成形凸塊[2]。
2.2模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
在模具的設(shè)計(jì)中，其采用冷擠壓模具類(lèi)型，使用凸模結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)中，GH4169高強(qiáng)度精密螺栓成形工藝中，外預(yù)應(yīng)力圈的設(shè)計(jì)是為了提供足夠的預(yù)應(yīng)力力量，確保螺栓在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和性能[3]。GH4169在高溫下容易發(fā)生塑性變形，因此模具材料需要具有足夠的抗變形能力，選擇Cr12MoV作為主要的模具材料[4]。GH4169高強(qiáng)度精密螺栓的直徑為d=10mm，外預(yù)應(yīng)力圈的厚度為t=2mm。確定螺栓的直徑（d）和預(yù)應(yīng)力圈的厚度（t），計(jì)算預(yù)應(yīng)力圈的內(nèi)徑（d1）和外徑（d2）。
預(yù)應(yīng)力圈的內(nèi)徑（d1）=螺栓直徑（d）+2×預(yù)應(yīng)力圈厚度（t）預(yù)應(yīng)力圈的材料為彈性體，使用Hooke定律來(lái)計(jì)算所需的外預(yù)應(yīng)力力值，預(yù)應(yīng)力圈的截面積（A）為20mm2。計(jì)算預(yù)應(yīng)力圈的外徑（d2）：
預(yù)應(yīng)力圈的外徑（d2）=螺栓直徑（d）+2×預(yù)應(yīng)力圈厚度（t）+2×預(yù)應(yīng)力圈內(nèi)徑（d1），根據(jù)應(yīng)用需求和材料特性，選擇適當(dāng)?shù)膹椥泽w材料來(lái)制作預(yù)應(yīng)力圈。計(jì)算預(yù)應(yīng)力圈的內(nèi)徑：d1=d+2mm，t=10mm+2mm×2mm=14mm，預(yù)應(yīng)力圈的截面積A=20mm2，彈性模量E=200GPa（2×1011N/m2），原始長(zhǎng)度L0=50mm。需要施加的拉伸變形ΔL=0.5mm，所需的外預(yù)應(yīng)力力值：F=AEΔL/L0=20mm2×2×1011N/m2×(0.5mm/50mm)=4×107N。
模芯設(shè)計(jì)需要根據(jù)螺栓的外形和要求，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男螤睿紤]到螺栓細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)容易變形，可以增加鋼材支撐或冷卻系統(tǒng)以增強(qiáng)模芯剛度和降低溫度。在GH4169高強(qiáng)度精密螺栓成形工藝中，過(guò)盈量的計(jì)算是為了對(duì)模具鑲塊與各個(gè)預(yù)應(yīng)力圈之間的直接尺寸差進(jìn)行確認(rèn)[5]。確定過(guò)盈系數(shù)（d）和內(nèi)凹模外圈直徑（D），其中過(guò)盈系數(shù)d=0.005，內(nèi)凹模外圈直徑D=12mm，過(guò)盈量（δ）計(jì)算公式為：
δ=Dd
因此最終可以得知過(guò)盈量為0.06mm。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對(duì)模具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。選擇優(yōu)質(zhì)合金鋼作為下模的材料，在高溫環(huán)境下能夠保持足夠的強(qiáng)度和壽命。在下模結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)散熱通道，采用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)冷卻水循環(huán)來(lái)降低模具溫度。將散熱通道布置均勻，確保在整個(gè)下模表面都有良好的冷卻效果，從而減少溫度梯度和應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)下模采用耐高溫磨損的涂層，使用TiAlN或DLC（類(lèi)鉆碳）涂層，提高表面硬度和耐磨性，延長(zhǎng)模具使用壽命。
2.3滾壓方式
在滾壓方式的選擇中，由于冷滾壓螺紋會(huì)導(dǎo)致滾絲輪的壽命降低，因此需要選擇溫滾壓螺紋的方式。在溫滾壓螺紋工藝中，選定GH4169合金材料的螺紋模具，并預(yù)熱至適當(dāng)?shù)臏囟确秶?，將預(yù)熱的螺紋模具與待滾壓的GH4169工件接觸，在施加適當(dāng)?shù)臐L壓力和滾壓速度下進(jìn)行滾壓加工[6]。這個(gè)過(guò)程中，由于高溫環(huán)境和滾壓力的作用，螺紋模具通過(guò)與GH4169工件接觸，使得工件表面發(fā)生塑性變形，逐漸形成所需的螺紋形狀。此時(shí)，模具的預(yù)熱溫度和滾壓參數(shù)的選擇十分關(guān)鍵，它們直接影響到滾壓過(guò)程中的熱傳導(dǎo)和塑性變形效果。
2.4有限元模擬仿真
本研究采用ABAQUS軟件對(duì)GH4169高強(qiáng)度精密螺栓在擠壓成形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，如圖1所示。
螺栓與模具接觸區(qū)域產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，形成了應(yīng)力集中區(qū)。其中靠近螺母一側(cè)的應(yīng)力值相對(duì)較高，而遠(yuǎn)離螺母?jìng)?cè)的應(yīng)力值相對(duì)較低。這是由于螺栓尾部尺寸小于模具內(nèi)壁，導(dǎo)致尾部區(qū)域存在一定程度的凹陷變形。根據(jù)實(shí)際加工時(shí)的情況可知：當(dāng)施加擠壓力時(shí)，螺栓尾部會(huì)產(chǎn)生少量的塑性變形；隨著擠壓力逐漸增加，螺栓尾部產(chǎn)生更多的塑性變形，并最終完成整個(gè)擠壓成形。為了提高生產(chǎn)效率，應(yīng)盡量減少螺栓尾部的塑性變形量，因此本文設(shè)計(jì)了模具尾部形狀為凹曲面的模具結(jié)構(gòu)[7]。
GH4169在室溫下的拉伸強(qiáng)度為900MPa、屈服強(qiáng)度為550MPa、延伸率為30%。根據(jù)收集到的材料性能數(shù)據(jù)，選擇合適的材料模型來(lái)描述GH4169的力學(xué)行為，我們選擇使用vonMises本構(gòu)模型進(jìn)行建模[8]。在模擬分析中，可以根據(jù)具體工藝要求和加載條件，進(jìn)行拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)等各種載荷情況下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形分析。本文中材料的抗拉強(qiáng)度（σt）為900MPa，屈服強(qiáng)度（σy）為760MPa，延伸率（δ）為20%，其模型如下：
σ=σy+(σt-σy)×(ε/εt)n
式中：σ為螺栓所受應(yīng)力，ε為螺栓的應(yīng)變，εt為螺栓的塑性應(yīng)變，n為材料的硬化指數(shù)。
類(lèi)似地，根據(jù)延伸率數(shù)據(jù)，可以建立延伸率模型，可以使用二次多項(xiàng)式模型：
δ=a×ε2+b×ε+c
式中：δ為螺栓的延伸率，ε為螺栓的應(yīng)變，a、b和c為擬合參數(shù)。
2.5實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析
模擬結(jié)果表明，模具溫度的變化對(duì)應(yīng)力狀態(tài)影響不大。當(dāng)加熱時(shí)間為30s時(shí)，不同位置測(cè)得的應(yīng)變值均在5%以?xún)?nèi)，表明材料塑性變形程度較低，可保證模具能均勻受力[9]。根據(jù)以上研究分析，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備，選用直徑Φ12.5mm的圓柱形擠壓模作為實(shí)驗(yàn)裝置。模腔尺寸為Φ12.5mm×12.5mm，模芯材質(zhì)為HT25鋼。材料工藝參數(shù)如下：坯料化學(xué)成分為（NiCrAlSi）9Cr4Mo7B1.5Si0.1，真空度為-80kPa，保溫溫度為950℃，保溫時(shí)間為1h，退火溫度為620℃，退火時(shí)間為2h，空冷溫度為500℃，空冷時(shí)間為1h。試樣拉伸斷口形貌基本一致，截面呈橢圓形。其斷面輪廓清晰，剪切帶沿板條方向分布，內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。因此，所選用的實(shí)驗(yàn)方法合理有效。
2.6成形過(guò)程及工藝方案的確定
GH4169合金螺栓采用了正弦曲線(xiàn)螺距，其理論尺寸為Φ32mm×2.6mm。由于加熱時(shí)金屬會(huì)吸收大量的熱而發(fā)生劇烈體積變化，故應(yīng)將坯料在常溫下預(yù)熱至90～100℃，并保溫1h以上，以保證材料的組織結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小，減少顯微裂紋。然后在90～100℃的溫度下終溫450min，以獲得良好的綜合力學(xué)特性。
根據(jù)螺栓的具體情況，可設(shè)計(jì)成形設(shè)備為一套雙輥擠壓機(jī)，如圖1所示。該設(shè)備包括3部分：即雙輥擠壓機(jī)輥筒（上輥和下輥）、傳動(dòng)軸、液壓系統(tǒng)及PLC控制器等。雙軋機(jī)由兩個(gè)平行放置的擠壓機(jī)輥筒組成，其中一個(gè)作為上輥，另一個(gè)作為下輥。在螺栓實(shí)際生產(chǎn)中，一般采用單輥軋機(jī)進(jìn)行加工成形，但是考慮到生產(chǎn)效率及加工成本，也有采用雙輥擠壓機(jī)進(jìn)行加工成形的，這樣就存在一個(gè)問(wèn)題，即對(duì)于同一塊坯料，如果用單輥軋機(jī)會(huì)出現(xiàn)兩種不同的軋制方向，導(dǎo)致產(chǎn)品成形不理想；而采用雙輥擠壓機(jī)進(jìn)行加工成形時(shí)，則又必須要對(duì)模具進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)這種特殊的軋制方向，否則很難保證產(chǎn)品的最終尺寸精度[10]。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用有限元分析方法對(duì)雙輥軋機(jī)的軋制力和張力進(jìn)行仿真，確定合理的參數(shù)，從而指導(dǎo)設(shè)備的參數(shù)設(shè)計(jì)。首先，建立螺栓三維模型，用Solidworks軟件完成相關(guān)的實(shí)體建模工作；然后利用ANSYS軟件對(duì)螺栓進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，將螺栓置于整個(gè)裝配體中，并設(shè)置邊界條件。其次，根據(jù)螺栓在成形過(guò)程中的受力特點(diǎn)和工藝要求，設(shè)計(jì)出合理的壓邊力、壓下量以及張力。最后，基于上述理論計(jì)算，得到壓邊力矩為42（kN.m），壓下量為80mm，最大張力變化范圍為0.07%～0.08%。由于在螺栓實(shí)際生產(chǎn)中，雙輥擠壓機(jī)可能存在因不同的操作模式產(chǎn)生不同的壓邊力和張力，所以本文主要是為了探討其合理性，因而沒(méi)有對(duì)壓邊力和張力進(jìn)行精確求解，而是給出了計(jì)算結(jié)果，即壓邊力矩為42（kN.m），最大壓下量為80mm，最大張力變化范圍為0.07%～0.08%。
3、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，目前我國(guó)大多數(shù)企業(yè)都已經(jīng)掌握了生產(chǎn)GH4169高強(qiáng)度精密螺栓的技術(shù)，但是在發(fā)展中，其成型工藝仍然需要不斷被改進(jìn)，希望能夠借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精軋機(jī)組，以降低生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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