李蓬川

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司, 四川 德阳　618013)

中国第二重型机械集团公司的800MN液压机自投产以来，生产现场多次发生因锻模塑性变形造成的粘模、变形、塌陷等失效情况，严重影响了产品开发的效果和生产进度；在近年来投入现场的多套5CrNiMo锻模寿命很不理想。

根据目前的使用情况，5CrNiMo锻模无法满足压机上的小批生产，一般生产2～3件后锻模变形大于10 mm：毛边桥部磨损严重、凸台变形呈倒拔模状，造成卡模、变形等问题。在生产高温合金、超高强钢材质的产品时锻模变形情况尤为明显。以某锻模为例，采用5CrNiMo材料经锻造、调质及机械加工，在模锻生产2-3件锻件后，锻模型腔表面失效，如图1～图2所示。

为了改善800MN液压机用锻模寿命低、制造成本高等现状，采用重庆大学发明的双金属层堆焊强化方式再制造锻模方法(发明专利号：ZL200910104604X)[1-3]，对800MN液压机用某大飞机起落架锻模进行再制造，增强所制备锻模的综合性能，提高锻模使用寿命，降低锻模制造成本。

针对某大型飞机起落架锻模，运用专业有限元模拟软件DEFORM对工作过程进行模拟[4-5]，分析锻模服役过程的应力、应变、温度及磨损等情况对锻模使用寿命的影响，结合实验得到材料随温度变化的力学性能，最终制定出锻模再制造强化工艺，并在实际应用后与原5CrNiMo锻模失效情况进行对比。

1　有限元模拟

研究对象为飞机起落架，建立起落架锻造成形工艺模拟初始条件如下：

a) 坯料：A-100超高强度钢；

b) 锻模单元网格数量为200 000个，型腔部分按比例0.001局部细化，坯料网格数量100 000个；

c) 辐射系数0.3，热对流系数0.02 N /s·mm·℃，热传导系数11 N/(s·mm·℃)；

d) 模拟热传导(Heat Transfer)时间：200s，时间增量每步1s。压机工作速度：10 mm/s；

e) 摩擦边界条件：本模型采用常摩擦模型(剪切摩擦模型)，

τ=m·K

式中：K为金属的剪切屈服强度；m为剪切面上的摩擦因子，有润滑摩擦，此处m=0.3；τ为接触面上的摩擦切应力。

f) 模拟成形过程中，上模位移每步增量1 mm，每10步保存一次；

2　有限元模拟结果及分析

2.1　锻模应力场分析

图3、图4、图5为起落架上、下锻模模锻载荷最大时的应力场分布，从图中可知上下模等效应力值主要分布在650～1 300 MPa，且上模应力小于下模应力。最大应力均出现在起落架两端较复杂部位圆角处，均在1 200 MPa以上，主要因为随着金属逐渐充填型腔，金属流动阻力增大，在锻模圆角处金属难以充满，容易产生应力集中。为更好的反应锻模型腔圆角处的等效应力分布状态，对下模型腔剖切，观察模体等效应力分布可知，下模型腔圆角处应力较为集中，均在650 MPa以上，深度约为50 mm，最大应力值为2 210 MPa。因此，对于该处的再制造锻模材料的选取，其高温抗压缩强度应在650 MPa以上，同时，堆焊最小厚度值应不低于该值。

2.2　锻模温度场分析

热锻模的损伤结果表明：锻模型腔表面的温度波动区易出现裂纹，温度波动区即为循环热应力作用的区域，此区域受到的温度和应力非常复杂。因此，锻模的温度场分析主要集中研究温度波动区的温度变化。从实际生产锻造过程及模拟结果可知，下模因接触炽热锻件时间较久因而其温度较高，因此分析锻模在热模锻过程中的温度场分布，只需以下模为例。图6、图7表示的锻模温度场分布，从中可以看出最高温度出现在最早接触坯料的型腔边缘(桥部)处，锻件在摆料及空行程过程中，锻件接触锻模时间较少，压力较低，对锻模传热少，锻模温升小；锻压时锻件在高压状态与锻模贴合，模温上升加快；锻造阶段锻件与锻模在高压下接触，锻模温升剧烈。该部位的型腔表面易出现热疲劳裂纹，导致最终锻模失效。但温度影响深度只有约13.45 mm(如图8所示)，超过这个深度的部位温度只有锻模预热温度350 ℃，基本没有影响。在热渗透最深的型腔表面位置，温度梯度较大，最容易产生热应力和热疲劳失效等，为接下来的锻模再制造设计提供了理论依据。

2.3　锻模磨损分析

1) 有限元磨损模型

采用Archard理论磨损模型预测锻模在成形过程中的磨损量，其数学表达式如下：

式中: dw为磨损深度；P为锻模表面正压力；v为相对滑动速度；a、b、c为标准常数，对钢而言，通常a、b取1，c取2；H为锻模表面硬度，HRC；K为磨损系数；i为锻模型腔表面节点； dt为时间增量。

如果在锻造成形过程中，锻模在每模锻完一件产品后，都能进行充分的润滑和冷却，使锻模始终处于良好的工作状态，则可用公式大致估算锻模的寿命。

2) 磨损结果分析

由于下模工作环境较上模恶劣，在生产中下模寿命远低于上模，因此选取下模为研究对象分析锻模磨损情况。从图9可以看出，锻模最大磨损出现在锻模型腔大头处。起落架型腔周边亦有不同程度的磨损，主要集中在锻模型腔桥部及凸台处。说明在该处锻模材料的硬度、韧性及强度在模锻后有所变化，导致该部位材料产生变形。对于再制造锻模应具备高硬度、高韧性，同时还具备一定的耐高温性能。

从图10起落架锻模失效图中可以看出，锻模失效主要形式为由于坯料的挤压而使锻模桥部出现坍陷、桥部受挤压变形。主要失效部位同磨损较为严重部位均处于同一位置，说明该磨损结果可靠性较高，根据有限元磨损结果能够较好的预测锻模发生塑性变形的部位。

3　锻模再制造实施技术路线

以失效锻模为锻模基体，通过气刨方式去除失效部位，而后在其上采用不同的焊材进行双金属梯度堆焊，再回火去应力，最后机加工成型。该技术能较好满足锻模锻模在硬度、强度和韧性等方面的性能要求[6]，同时有效减少生产成本，可实现低成本、低能耗、短时间、高效率、高性能和高效益的制造锻模。其大致步骤如下：

a、采用失效锻模气刨型腔部位，预留堆焊余量；

b、在待焊锻模基体上沿预留堆焊余量处先一次堆焊强度和韧性稍好的过渡层，焊至锻模型腔轮廓线下方一定厚度;

c、在过渡层上二次堆焊强化层，焊至型腔轮廓线上一定尺寸；

d、将二次堆焊完毕后的锻模重复进行去应力回火；

e、对空冷后的锻模进行机械加工，使锻模各部分尺寸达到技术要求。

4　生产验证

锻模首先进行了两个批次共六件产品的模锻工作。并对模锻后锻模进行了检测，包括：外观、硬度、尺寸等。

模锻前后硬度检测：下模强化层硬度稳定并略有升高，上模强化层硬度略有降低，过渡层硬度略有降低，大约为1～2HRC。如图11、图12所示。

模锻前后采用三坐标尺寸检测：锻模最大磨损量为1.8 mm，如：图13、图14所示。

再制造锻模模锻六件后的检测结果表明：效果很好，基本无变形、磨损、刮擦等现象，局部表面呈金黄色。原模锻一件后的5CrNiMo锻模，桥部大面积变形15～20 mm，局部型腔凹陷。寿命预计能提高十倍左右。模锻前后效果对比如图15～图20所示。

至今，该修复的锻模已稳定生产30件，锻模使用情况良好，经尺寸检测锻模无变形，寿命明显提高。

5　结论

通过再制造强化方法修复失效锻模，节约了模具制造成本，与原5CrNiMo锻模相比，使用寿命有所提升，锻件品质合格，单件锻件成品的生产成本大大降低。如能在800MN液压机用大型锻模上广泛推广该技术，将产生显著的经济效益和社会效益，为行业的产能提升起到促进作用，也符合国家一再倡导的绿色再制造发展政策。

参考文献：

[1]周杰,卢顺,权国政,等.一种基于铸钢基体的双金属层堆焊制备锻模的方法:中国,200910104604.X[P],2011-01-02.

[2]周杰,卢顺.锻模喷堆复合焊再制造方法:中国,ZL2010

10102411.3[P].2012-05-02.

[3]周杰,卢顺.锻模堆喷复合焊制备方法:中国,ZL2010

10102393.9[P].2011-04-06.

[4]吕彦明,邵燃,腾树新.基于数值模拟的汽轮机叶片锻模设计[J].热加工工艺，2011，40(21):194-199.

[5]薛松,周杰,熊运森,等.TA15钛合金大型整框锻造成形数值模拟与实验研究[J].热加工工艺，2011，40(11):73-75.

[6]徐灏.机械强度设计中的安全系数和许用应力[J].机械强度,1981(2):39-45.

[7]李蓬川.大型航空模锻件的生产现状及发展趋势[J].大型铸锻件,2011(2)：39-45.