GH4099合金整體模鍛件工藝優化設計

文/馮曉艷，王哲，張帥，郭明輝·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

本文采用曲面分模方式將GH4099合金上下殼體兩個零件設計成整體模鍛件，并采用數值模擬軟件進行成形模擬以及采用5t模鍛錘進行鍛件生產，結果表明：采用本文設計的曲面分模整體模具可同時生產GH4099合金上下殼體兩個零件的鍛件，該工藝合理可行；模鍛件加工余量較小，廢品率較低，材料利用率高，有效提高經濟效益；整體鍛造避免了由于上、下殼體焊接而產生的焊接缺陷，大大提高了整體使用性能。

GH4099是以Ni、Co為基體合金，采用W、Mo、Cr等合金元素進行固溶強化，Al、Ti元素為時效強化元素的一種典型的時效強化型鎳基高溫合金，該合金使用溫度可達1000℃，具有優異的綜合力學性能，主要應用于使用溫度不超過1000℃的航空航天發動機燃燒室零部件、加強筋以及飛行器固定件等零部件上。國內外對GH4099合金進行了深入研究，張海南對GH4099合金元素及固溶溫度對其組織與性能的影響關系進行了研究；孫心寶研究了Mg元素在GH4099合金中的分布形態；張延生對GH4099鎳基合金焊接熱裂紋形態進行了研究。

國內外對GH4099合金的研究僅限于組織與性能的演變，而對其鍛造成形性能的研究相關報道較少。本文采用整體模鍛件對原兩個GH4099合金零件進行鍛造生產，并采用曲面分模進行模具設計，對該GH4099合金鍛件成形性能進行研究，對該類型整體模鍛件的生產具有重要的指導意義。

GH4099合金零件特點及整體模鍛件設計思路

GH4099合金零件特點

圖1為GH4099上、下殼體零件數模，由圖可知，該零件為兩個三通結構，零件沿豎直軸線呈對稱結構，但下殼體的支管呈175°夾角，上、下殼體零件參數見表1。該零件原生產工藝采用兩個自由鍛件進行焊接而成，該工藝路線材料利用率低、焊接部位缺陷較多，且焊縫部位力學性能明顯低于母材性能、生產周期較長。

圖1 零件數模

表1 上、下殼體零件參數

GH4099合金零件特點整體模鍛件設計思路

基于自由鍛件材料利用率低、后續機加工序周期長、焊接缺陷較多的缺點，為優化鍛造工藝并避免焊接缺陷，縮短后續機加周期，本工藝采用模鍛方式將兩個零件進行整體成形。整體模鍛件分模面設計在模鍛件最大截面處，考慮到模具的充填情況以及鍛件的形狀，將幾何形狀復雜，型槽較深的部位置于上模，采用曲面分模方式設計鍛件成形，以利于充填型槽。將上、下殼體進行整體鍛造，整體模鍛件僅在上殼體端頭及下殼體底端面單邊增加2mm余量，其余均鍛造至零件圖尺寸。凸圓角選擇R2mm，凹圓角選擇R3mm，出模角5°，非加工尺寸公差按HB 6077-2008E級，錯移、翹曲均小于0.8mm，整體模鍛件如圖2所示。

圖2 整體模鍛件

整體模鍛件設計

整體模鍛件成形難度較高，一般自由鍛制坯的荒型難以達到最終鍛件要求，且GH4099合金熱塑性較差，在模鍛過程中金屬沿模具型腔進行流動。因此，為了使模鍛過程中更好地使金屬無缺陷流動，易于充填型槽，減小終鍛型槽磨損，該整體模鍛件的生產工藝采用預鍛和終鍛兩個步驟進行。

預鍛模鍛件圖設計

本工藝采用坯料在預鍛后再進行終鍛生產，坯料在終鍛型槽中以鐓粗方式成形，預鍛型槽的高度尺寸比終鍛型槽大2～5mm，寬度則比終鍛型槽小1～2mm，橫截面面積應比終鍛型槽相應處截面積大1%～3%。根據以上原則，繪制出預鍛數模圖，如圖3所示。

圖3 預鍛模鍛件

鍛模結構設計

GH4099合金整體模鍛件在5t模鍛錘上進行鍛造，由于在錘鍛過程中，模鍛錘打擊速度較快，模具受力較大，鍛模一般采用整體結構。而整體模鍛件對于錯移要求比較嚴格，模具的鎖扣設計為150mm×100mm×100mm的四角鎖扣，鎖扣垂直面為3°的斜面，鎖扣間隙取自下模為0.5～1.0mm，端頭60mm高度處為0°，即模具設計鎖扣時設計一截直壁鎖扣，用以防止上下模在打擊過程中發生錯移，鎖扣形狀如圖4所示。最終鍛件絕大部分為非加工，對于尺寸要求較為嚴格，考慮模具在使用過程中會發生磨損，在制作模具時尺寸按負公差一半計算并選擇1.3%的熱收縮率，延長模具壽命，模具設計如圖5所示。

圖4 預鍛型槽鎖扣

圖5 整體模鍛件模具圖

整體模鍛件成形數值模擬及鍛件生產

利用計算機輔助設計——制造技術，對鍛件成形過程進行模擬，可減少現場試驗成本，提高工裝、模具設計效率，降低生產和材料成本，縮短產品的研究生產周期。從鍛件數值模擬結果(圖6)可以得出，采用該模具成形可進行GH4099合金整體模鍛件生產。

圖6 GH4099整體模鍛件數值模擬

采用5t模鍛錘進行GH4099合金整體模鍛件生產，主要生產工藝為：下料后經天然氣爐加熱，在5t模鍛錘上先進行預成形，再最終成形。主要工藝參數有：鍛件的最大投影面積為0.235m2，體積為0.006m3，最終整體模鍛件重量G終鍛為47.26kg，預鍛件重量G預鍛為50.12kg，毛邊重量G毛約為4.17kg(注：按毛邊槽體積一半計算)，熱損量G損為1.74kg(注：加熱采用火焰加熱爐，按兩火計算燒損率，取1.50%×2)，下料重量G坯約為56.03kg，材料規格：φ180mm×260mm，材料利用率約為84.3%。

圖7為GH4099合金整體模鍛件實物，可以看出，采用本模具生產的GH4099合金鍛件表面無明顯裂紋、折疊等現象，且成形性能良好，滿足交付尺寸要求。

圖7 GH4099合金整體模鍛件實物

結束語

本文采用曲面分模方式將GH4099合金上下殼體兩個零件設計成整體模鍛件，并采用數值模擬軟件進行成形模擬以及采用5t模鍛錘進行鍛件生產，結果表明：采用曲面分模整體模具可同時生產GH4099合金上下殼體兩個零件，該工藝合理可行；采用本文設計的模具進行鍛件生產，模鍛件加工余量較小，材料利用率高，有效提高經濟效益；整體鍛造避免了由于上、下殼體焊接而產生的焊接缺陷，大大提高了整體使用性能。