Inconel 718材料十二角沉頭螺栓的頭部成形加工方法

焦明輝，譚體偉，龍二龍，吳強，賈淑妍，袁娜，溫宇鑫

1.中航工業標準件制造有限責任公司 貴州貴陽 550014

2.貴州大學機械工程學院 貴州貴陽 550025

1 序言

Inconel 718是一種Ni-Cr-Fe-Nb系析出強化型鎳基高溫合金，強化相為體心四方的γ''相和面心立方的γ'相，國內牌號為GH4169。與其他高溫合金相比，Inconel 718具有良好的熱穩定性和耐蝕性，在650℃以下時疲勞、蠕變持久性能優異，因此，在航空發動機的各類熱端零件中得到了廣泛的應用[1-3]。

Inconel 718十二角沉頭螺栓是高溫高強度航空緊固件的代表性產品，其頭部通常采用熱鐓成形工藝，在加工時頭部變形量較大。由于Inconel 718材料的合金相成分復雜、組織多樣，工藝塑性較差，熱加工時的變形抗力較大，所以增加了熱成形難度[4-6]。特別是對于具有沉頭錐面的十二角沉頭螺栓，復雜的頭部形狀進一步加劇了熱加工時溫度場的不均勻性，使應力分布特征比常規十二角沉頭螺栓更加復雜，熱加工性能惡化，難以保證零件的尺寸、金相和性能要求。本文針對Inconel 718十二角沉頭螺栓的材料特性和結構特點，通過調整熱鐓工藝的模具結構和加熱溫度，改善頭部成形的加工質量，同時通過車削工藝保證頭部關鍵尺寸，提高螺栓的生產效率和合格率，以保證該零件的順利交付。

2 產品特點

2.1 產品結構和性能特點

中航工業標準件制造有限責任公司在某國際民用航空企業的全球招標中，獲得了某型號十二角沉頭螺栓的訂單，其零件結構如圖1所示，性能要求見表1。零件頭部由十二角頭和沉頭度面兩部分組成，十二角頭可以保證扳擰時受力均勻，防止扳手滑脫。零件的沉頭度面角度為60°～64°，外圓直徑為14.09+0-0.24mm。由于該螺栓頭部形狀復雜，加工精度要求較高，在采用熱鐓工藝加工頭部時，十二角頭和沉頭錐面部分難以滿足零件尺寸精度要求。由于在中航工業標準件制造有限責任公司生產的零件中，沒有相似結構的零件可以加工借鑒，所以對順利按期完成訂單造成不利影響。

圖1 Inconel 718十二角沉頭螺栓結構

表1 Inconel 718十二角沉頭螺栓性能要求

2.2 材料特性及成形難點

Inconel 718高溫合金的合金相成分復雜、組織多樣，降低了在熱加工時的工藝塑性，使得材料對熱加工工藝參數的變化十分敏感。較高的變形溫度可以得到均勻細小的再結晶顆粒，但若變形溫度過高時，則會造成變形后的冷卻時間延長，并且高溫停留時間也會導致晶粒異常長大，從而影響零件的力學性能[7-9]。另外，對于頭部形狀復雜的Inconel 718十二角沉頭螺栓，熱加工時存在明顯的溫度梯度，在變形溫度過低時，會導致頭部出現充型不飽滿的風險[10]。

3 加工工藝分析

3.1 加工方案

為保證加工成品符合圖樣要求，該螺栓頭部只能一次鐓制成形，并盡量減少鐓鍛比，以利于成形飽滿。根據沉頭度面部分的外圓尺寸，加工時選用φ9.1mm的棒材。由于十二角頭部分的對邊距離為7.95mm，無法直接采用φ9.1mm毛料進行鐓制，需將頭部十二角頭成形部分的物料直徑車削至φ7.7mm。熱鐓加工前的毛料結構如圖2所示。

圖2 熱鐓加工前毛料結構

通過上述工藝分析，制定該螺栓的主要工藝路線：下料→磨削→車削→熱鐓→固溶→車削端面和光桿→磨削光桿、滾絲徑→標記→冷滾圓角→滾螺紋→時效→熒光磁粉檢測→性能、金相組織檢測→包裝。

3.2 熱鐓工藝

（1）熱鐓模具 根據螺栓結構和尺寸特征，采用上下模組合式的熱鐓模具，結構如圖3所示。其中，上模為十二角頭模具，下模為帶角度斜臺，端面為上下模的分型面。

圖3 熱鐓模具結構

在采用該模具試鐓時，常出現頭部十二角充型不飽滿的現象，零件無法滿足圖樣要求。根據最小阻力定理，金屬材料在塑性變形時，內部質點沿著最小阻力方向，即該質點向變形周邊區域的最短法線方向位移，如圖4所示。對于十二角頭型，由于朝向凹角方向的法線長度比凸角方向短，因此質點向凹角方向位移的阻力更小，導致朝向凸角方向位移的金屬材料更少，凸角處熱鐓后充型不飽滿。通過改變材料變形速度，可以降低材料向凸角處位移的阻力，但是當材料變形速度過快時，變形時的沖擊力過大，將明顯增加模具的磨損速度，縮短模具的使用壽命。同時，過大的變形速度將造成材料變形不均勻，導致零件局部產生裂紋，因此需要合理調整材料的變形速度。

圖4 熱鐓時十二角頭內材料位移方向

表2 Inconel 718十二角沉頭螺栓頭部尺寸檢驗結果

圖5 上模具尺寸

（2）熱鐓溫度 當熱鐓溫度在900～1100℃時，Inconel 718高溫合金的塑性明細升高，同時強度迅速下降，有利于熱鐓時材料的變形。然而當溫度超過1100℃后，塑性開始下降，對熱鐓成形造成不利影響[6]。為了確定熱鐓加工的溫度范圍，選擇900℃、940℃、980℃、1020℃、1060℃和1100℃等6個溫度區間，分別進行熱鐓試驗，觀察不同溫度條件下零件頭部的金相組織，如圖6所示。從圖6可看出，材料在不同溫度下均發生了動態再結晶。

當變形溫度＜940℃時為混晶組織（見圖6a）；隨著變形溫度的提高，已經發生動態再結晶的晶粒繼續增大，形成等軸組織；而當溫度＞1020℃時，材料出現完全的動態再結晶現象（見圖6e、f）。結果表明，變形溫度的升高有利于再結晶現象的進行，并且動態再結晶程度和再結晶晶粒尺寸均隨著溫度的升高而增大。因此，為了得到均勻的等軸組織，選取熱鐓成形的加熱溫度為980～1040℃，即45°斜臺（見圖2）部分的加熱溫度＞980℃，φ（7.7±0.1）mm部分的加熱溫度＜1040℃。

圖6 不同熱鐓溫度零件的頭部金相組織

3.3 車削工藝

經熱鐓成形后的工件如圖7所示。由于該零件頭部形狀較復雜，因此熱鐓成形后零件的尺寸一致性較差，在法蘭端面（A面）出現厚度為0.3～0.5 mm的飛邊。由于法蘭端面接十二角頭的根部，不可進行車削加工，因此為了保證飛邊尺寸一致，通常需要在熱處理后對沉頭度面進行全型面磨削。然而在磨削后零件的重要尺寸φ14.09+0-0.24mm（見圖8）極易出現超差，影響產品的合格率。

圖7 熱鐓成形后工件的結構

圖8 車削沉頭錐面工序

為了解決該問題，在磨削之前增加一步車削工序。通過車削加工保證3個重要尺寸，避免熱鐓產生的飛邊尺寸差異影響重要尺寸φ14.09+0-0.24mm的合格率。在后續的磨削工序中，只需磨削沉頭度面與光桿相接處的圓角，并去除前工序車削光桿產生的接痕，不再磨削全型面。

經過工藝改進后，頭部尺寸完全符合設計圖樣要求，保證了零件的順利產出和交付。

3.4 研制試件評估

根據設計圖樣和產品規范要求，成品零件的平均晶粒度應為ASTM 4級或更小，頭部非支撐面的成形折疊應在產品規定的范圍內，并且除頭部非支撐面、第一個不完整螺紋和螺栓端點以外的晶間腐蝕及合金貧化深度不超過0.013mm。

選取同一爐批材料的成品零件，觀察零件頭部的金相組織如圖9所示。結果表明，成品零件的頭部流線沿零件輪廓分布且連續，平均晶粒度為ASTM 6級，未見折疊、晶間腐蝕及合金貧化等缺陷，滿足了技術要求。

圖9 成品零件頭部金相組織

根據產品規范要求，成品零件的力學性能試驗包括：硬度試驗、室溫拉伸試驗和高溫應力斷裂試驗，力學性能試驗結果見表3。從表3可看出，采用該頭部成形加工方案加工的螺栓能夠滿足產品規范的要求。

表3 成品零件力學性能試驗結果

4 結束語

本文介紹了某型號Inconel 718十二角沉頭螺栓的材料及結構，針對加工時十二角頭和沉頭錐面部分難以滿足零件尺寸精度要求的問題，對頭部成形工藝進行了改進。

1）通過調整熱鐓上模具的對凹角距離，降低熱鐓時的變形速度。同時選取熱鐓成形的加熱溫度為980～1040℃，改善了熱鐓效果，解決了十二角頭形狀不飽滿的問題，并且內部組織和力學性能滿足產品規范的要求。

2）在磨削之前增加一步車削工序，避免因熱鐓產生的飛邊尺寸差異而影響重要尺寸的合格率，保證了零件的順利產出和交付。