GH4169高強度精密螺栓成形工藝分析

引言

GH4169是一種鎳基單晶合金，具有較高的室溫及高溫強度、良好的蠕變性能和持久性能。該合金主要用于制造航空發動機渦輪葉片。在實際生產過程中，為了得到較好的機械性能，常采用調質處理或超細晶粒強化等工藝方法進行熱處理。

1、GH4169合金的概述

GH4169是一種高溫合金材料。它具有以下特點：高溫性能突出，能夠在高溫環境下長期穩定使用，并具有優異的高溫強度和抗氧化性能。此外，GH4169還具有良好的耐腐蝕性能，能夠抵御酸、堿、鹽等腐蝕介質的侵蝕，它的可加工性也非常好，可以通過熱處理、冷加工等方式進行成形和加工[1]。不僅如此，GH4169還具有高強度和韌性，即使在高溫下也能保持較高的強度，并具有一定的塑性。因此，GH4169被廣泛應用于航空航天、石油化工、核電、汽車制造等領域，承擔著重要作用。

2、GH4169高強度精密螺栓成形工藝

2.1螺栓成形模架結構

本文中GH4169高強度精密螺栓成形工藝中螺栓成型模具的模架結構主體材料使用合金鋼，確保足夠的支撐力和穩定性；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；下模材料為硬質合金（WC-Co），尺寸為120mm×120mm×50mm，具有螺紋成形凸塊[2]。

2.2模具結構設計與優化

在模具的設計中，其采用冷擠壓模具類型，使用凸模結構來進行設計，在本次設計中，GH4169高強度精密螺栓成形工藝中，外預應力圈的設計是為了提供足夠的預應力力量，確保螺栓在使用過程中的穩定性和性能[3]。GH4169在高溫下容易發生塑性變形，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高強度精密螺栓的直徑為d=10mm，外預應力圈的厚度為t=2mm。確定螺栓的直徑（d）和預應力圈的厚度（t），計算預應力圈的內徑（d1）和外徑（d2）。

預應力圈的內徑（d₁）=螺栓直徑（d）+2×預應力圈厚度（t）預應力圈的材料為彈性體，使用Hooke定律來計算所需的外預應力力值，預應力圈的截面積（A）為20mm2。計算預應力圈的外徑（d₂）：

預應力圈的外徑（d2）=螺栓直徑（d）+2×預應力圈厚度（t）+2×預應力圈內徑（d1），根據應用需求和材料特性，選擇適當的彈性體材料來制作預應力圈。計算預應力圈的內徑：d1=d+2mm，t=10mm+2mm×2mm=14mm，預應力圈的截面積A=20mm2，彈性模量E=200GPa（2×1011N/m2），原始長度L0=50mm。需要施加的拉伸變形ΔL=0.5mm，所需的外預應力力值：F=AEΔL/L0=20mm2×2×1011N/m2×(0.5mm/50mm)=4×107N。

模芯設計需要根據螺栓的外形和要求，設計適當的形狀，考慮到螺栓細長結構容易變形，可以增加鋼材支撐或冷卻系統以增強模芯剛度和降低溫度。在GH4169高強度精密螺栓成形工藝中，過盈量的計算是為了對模具鑲塊與各個預應力圈之間的直接尺寸差進行確認[5]。確定過盈系數（d）和內凹模外圈直徑（D），其中過盈系數d=0.005，內凹模外圈直徑D=12mm，過盈量（δ）計算公式為：

δ=Dd

因此最終可以得知過盈量為0.06mm。

根據上述設計，對模具進行改進設計。選擇優質合金鋼作為下模的材料，在高溫環境下能夠保持足夠的強度和壽命。在下模結構中設計散熱通道，采用冷卻水循環系統，通過冷卻水循環來降低模具溫度。將散熱通道布置均勻，確保在整個下模表面都有良好的冷卻效果，從而減少溫度梯度和應力集中現象。對下模采用耐高溫磨損的涂層，使用TiAlN或DLC（類鉆碳）涂層，提高表面硬度和耐磨性，延長模具使用壽命。

2.3滾壓方式

在滾壓方式的選擇中，由于冷滾壓螺紋會導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，并預熱至適當的溫度范圍，將預熱的螺紋模具與待滾壓的GH4169工件接觸，在施加適當的滾壓力和滾壓速度下進行滾壓加工[6]。這個過程中，由于高溫環境和滾壓力的作用，螺紋模具通過與GH4169工件接觸，使得工件表面發生塑性變形，逐漸形成所需的螺紋形狀。此時，模具的預熱溫度和滾壓參數的選擇十分關鍵，它們直接影響到滾壓過程中的熱傳導和塑性變形效果。

2.4有限元模擬仿真

本研究采用ABAQUS軟件對GH4169高強度精密螺栓在擠壓成形過程中的應力應變進行了有限元模擬計算，如圖1所示。

螺栓與模具接觸區域產生了較大的應力集中，形成了應力集中區。其中靠近螺母一側的應力值相對較高，而遠離螺母側的應力值相對較低。這是由于螺栓尾部尺寸小于模具內壁，導致尾部區域存在一定程度的凹陷變形。根據實際加工時的情況可知：當施加擠壓力時，螺栓尾部會產生少量的塑性變形；隨著擠壓力逐漸增加，螺栓尾部產生更多的塑性變形，并最終完成整個擠壓成形。為了提高生產效率，應盡量減少螺栓尾部的塑性變形量，因此本文設計了模具尾部形狀為凹曲面的模具結構[7]。

GH4169在室溫下的拉伸強度為900MPa、屈服強度為550MPa、延伸率為30%。根據收集到的材料性能數據，選擇合適的材料模型來描述GH4169的力學行為，我們選擇使用vonMises本構模型進行建模[8]。在模擬分析中，可以根據具體工藝要求和加載條件，進行拉伸、壓縮或扭轉等各種載荷情況下的應力、應變和變形分析。本文中材料的抗拉強度（σt）為900MPa，屈服強度（σy）為760MPa，延伸率（δ）為20%，其模型如下：

σ=σ_y+(σ_t-σ_y)×(ε/ε_t)n

式中：σ為螺栓所受應力，ε為螺栓的應變，ε_t為螺栓的塑性應變，n為材料的硬化指數。

類似地，根據延伸率數據，可以建立延伸率模型，可以使用二次多項式模型：

δ=a×ε₂₊b×ε+c

式中：δ為螺栓的延伸率，ε為螺栓的應變，a、b和c為擬合參數。

2.5實驗研究及結果分析

模擬結果表明，模具溫度的變化對應力狀態影響不大。當加熱時間為30s時，不同位置測得的應變值均在5%以內，表明材料塑性變形程度較低，可保證模具能均勻受力[9]。根據以上研究分析，結合公司現有設備，選用直徑Φ12.5mm的圓柱形擠壓模作為實驗裝置。模腔尺寸為Φ12.5mm×12.5mm，模芯材質為HT25鋼。材料工藝參數如下：坯料化學成分為（NiCrAlSi）9Cr4Mo7B1.5Si0.1，真空度為-80kPa，保溫溫度為950℃，保溫時間為1h，退火溫度為620℃，退火時間為2h，空冷溫度為500℃，空冷時間為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，內部未發現裂紋等缺陷。因此，所選用的實驗方法合理有效。

2.6成形過程及工藝方案的確定

GH4169合金螺栓采用了正弦曲線螺距，其理論尺寸為Φ32mm×2.6mm。由于加熱時金屬會吸收大量的熱而發生劇烈體積變化，故應將坯料在常溫下預熱至90～100℃，并保溫1h以上，以保證材料的組織結構均勻、晶粒細小，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特性。

根據螺栓的具體情況，可設計成形設備為一套雙輥擠壓機，如圖1所示。該設備包括3部分：即雙輥擠壓機輥筒（上輥和下輥）、傳動軸、液壓系統及PLC控制器等。雙軋機由兩個平行放置的擠壓機輥筒組成，其中一個作為上輥，另一個作為下輥。在螺栓實際生產中，一般采用單輥軋機進行加工成形，但是考慮到生產效率及加工成本，也有采用雙輥擠壓機進行加工成形的，這樣就存在一個問題，即對于同一塊坯料，如果用單輥軋機會出現兩種不同的軋制方向，導致產品成形不理想；而采用雙輥擠壓機進行加工成形時，則又必須要對模具進行相應的調整，以適應這種特殊的軋制方向，否則很難保證產品的最終尺寸精度[10]。因此，針對上述問題，本文采用有限元分析方法對雙輥軋機的軋制力和張力進行仿真，確定合理的參數，從而指導設備的參數設計。首先，建立螺栓三維模型，用Solidworks軟件完成相關的實體建模工作；然后利用ANSYS軟件對螺栓進行了有限元網格劃分，將螺栓置于整個裝配體中，并設置邊界條件。其次，根據螺栓在成形過程中的受力特點和工藝要求，設計出合理的壓邊力、壓下量以及張力。最后，基于上述理論計算，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%。由于在螺栓實際生產中，雙輥擠壓機可能存在因不同的操作模式產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，因而沒有對壓邊力和張力進行精確求解，而是給出了計算結果，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、結語

綜上所述，目前我國大多數企業都已經掌握了生產GH4169高強度精密螺栓的技術，但是在發展中，其成型工藝仍然需要不斷被改進，希望能夠借鑒國外先進技術，開發出具有自主知識產權的精軋機組，以降低生產成本，提高市場競爭力。

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