GH4169高强度精密螺栓成形工艺分析

引言

GH4169是一种镍基单晶合金，具有较高的室温及高温强度、良好的蠕变性能和持久性能。该合金主要用于制造航空发动机涡轮叶片。在实际生产过程中，为了得到较好的机械性能，常采用调质处理或超细晶粒强化等工艺方法进行热处理。

1、GH4169合金的概述

GH4169是一种高温合金材料。它具有以下特点：高温性能突出，能够在高温环境下长期稳定使用，并具有优异的高温强度和抗氧化性能。此外，GH4169还具有良好的耐腐蚀性能，能够抵御酸、碱、盐等腐蚀介质的侵蚀，它的可加工性也非常好，可以通过热处理、冷加工等方式进行成形和加工[1]。不仅如此，GH4169还具有高强度和韧性，即使在高温下也能保持较高的强度，并具有一定的塑性。因此，GH4169被广泛应用于航空航天、石油化工、核电、汽车制造等领域，承担着重要作用。

2、GH4169高强度精密螺栓成形工艺

2.1螺栓成形模架结构

本文中GH4169高强度精密螺栓成形工艺中螺栓成型模具的模架结构主体材料使用合金钢，确保足够的支撑力和稳定性；上模座尺寸为150mm×150mm×60mm，固定在模架顶部；上模材料为硬质合金（WC-Co），尺寸为100mm×100mm×30mm，具有螺纹成形凹槽；下模座为尺寸为180mm×180mm×80mm，固定在模架底部；下模材料为硬质合金（WC-Co），尺寸为120mm×120mm×50mm，具有螺纹成形凸块[2]。

2.2模具结构设计与优化

在模具的设计中，其采用冷挤压模具类型，使用凸模结构来进行设计，在本次设计中，GH4169高强度精密螺栓成形工艺中，外预应力圈的设计是为了提供足够的预应力力量，确保螺栓在使用过程中的稳定性和性能[3]。GH4169在高温下容易发生塑性变形，因此模具材料需要具有足够的抗变形能力，选择Cr12MoV作为主要的模具材料[4]。GH4169高强度精密螺栓的直径为d=10mm，外预应力圈的厚度为t=2mm。确定螺栓的直径（d）和预应力圈的厚度（t），计算预应力圈的内径（d1）和外径（d2）。

预应力圈的内径（d₁）=螺栓直径（d）+2×预应力圈厚度（t）预应力圈的材料为弹性体，使用Hooke定律来计算所需的外预应力力值，预应力圈的截面积（A）为20mm²。计算预应力圈的外径（d₂）：

预应力圈的外径（d2）=螺栓直径（d）+2×预应力圈厚度（t）+2×预应力圈内径（d1），根据应用需求和材料特性，选择适当的弹性体材料来制作预应力圈。计算预应力圈的内径：d1=d+2mm，t=10mm+2mm×2mm=14mm，预应力圈的截面积A=20mm²，弹性模量E=200GPa（2×1011N/m²），原始长度L0=50mm。需要施加的拉伸变形ΔL=0.5mm，所需的外预应力力值：F=AEΔL/L0=20mm²×2×1011N/m²×(0.5mm/50mm)=4×107N。

模芯设计需要根据螺栓的外形和要求，设计适当的形状，考虑到螺栓细长结构容易变形，可以增加钢材支撑或冷却系统以增强模芯刚度和降低温度。在GH4169高强度精密螺栓成形工艺中，过盈量的计算是为了对模具镶块与各个预应力圈之间的直接尺寸差进行确认[5]。确定过盈系数（d）和内凹模外圈直径（D），其中过盈系数d=0.005，内凹模外圈直径D=12mm，过盈量（δ）计算公式为：

δ=Dd

因此最终可以得知过盈量为0.06mm。

根据上述设计，对模具进行改进设计。选择优质合金钢作为下模的材料，在高温环境下能够保持足够的强度和寿命。在下模结构中设计散热通道，采用冷却水循环系统，通过冷却水循环来降低模具温度。将散热通道布置均匀，确保在整个下模表面都有良好的冷却效果，从而减少温度梯度和应力集中现象。对下模采用耐高温磨损的涂层，使用TiAlN或DLC（类钻碳）涂层，提高表面硬度和耐磨性，延长模具使用寿命。

2.3滚压方式

在滚压方式的选择中，由于冷滚压螺纹会导致滚丝轮的寿命降低，因此需要选择温滚压螺纹的方式。在温滚压螺纹工艺中，选定GH4169合金材料的螺纹模具，并预热至适当的温度范围，将预热的螺纹模具与待滚压的GH4169工件接触，在施加适当的滚压力和滚压速度下进行滚压加工[6]。这个过程中，由于高温环境和滚压力的作用，螺纹模具通过与GH4169工件接触，使得工件表面发生塑性变形，逐渐形成所需的螺纹形状。此时，模具的预热温度和滚压参数的选择十分关键，它们直接影响到滚压过程中的热传导和塑性变形效果。

2.4有限元模拟仿真

本研究采用ABAQUS软件对GH4169高强度精密螺栓在挤压成形过程中的应力应变进行了有限元模拟计算，如图1所示。

螺栓与模具接触区域产生了较大的应力集中，形成了应力集中区。其中靠近螺母一侧的应力值相对较高，而远离螺母侧的应力值相对较低。这是由于螺栓尾部尺寸小于模具内壁，导致尾部区域存在一定程度的凹陷变形。根据实际加工时的情况可知：当施加挤压力时，螺栓尾部会产生少量的塑性变形；随着挤压力逐渐增加，螺栓尾部产生更多的塑性变形，并最终完成整个挤压成形。为了提高生产效率，应尽量减少螺栓尾部的塑性变形量，因此本文设计了模具尾部形状为凹曲面的模具结构[7]。

GH4169在室温下的拉伸强度为900MPa、屈服强度为550MPa、延伸率为30%。根据收集到的材料性能数据，选择合适的材料模型来描述GH4169的力学行为，我们选择使用vonMises本构模型进行建模[8]。在模拟分析中，可以根据具体工艺要求和加载条件，进行拉伸、压缩或扭转等各种载荷情况下的应力、应变和变形分析。本文中材料的抗拉强度（σt）为900MPa，屈服强度（σy）为760MPa，延伸率（δ）为20%，其模型如下：

σ=σ_y+(σ_t-σ_y)×(ε/ε_t)n

式中：σ为螺栓所受应力，ε为螺栓的应变，ε_t为螺栓的塑性应变，n为材料的硬化指数。

类似地，根据延伸率数据，可以建立延伸率模型，可以使用二次多项式模型：

δ=a×ε₂₊b×ε+c

式中：δ为螺栓的延伸率，ε为螺栓的应变，a、b和c为拟合参数。

2.5实验研究及结果分析

模拟结果表明，模具温度的变化对应力状态影响不大。当加热时间为30s时，不同位置测得的应变值均在5%以内，表明材料塑性变形程度较低，可保证模具能均匀受力[9]。根据以上研究分析，结合公司现有设备，选用直径Φ12.5mm的圆柱形挤压模作为实验装置。模腔尺寸为Φ12.5mm×12.5mm，模芯材质为HT25钢。材料工艺参数如下：坯料化学成分为（NiCrAlSi）9Cr4Mo7B1.5Si0.1，真空度为-80kPa，保温温度为950℃，保温时间为1h，退火温度为620℃，退火时间为2h，空冷温度为500℃，空冷时间为1h。试样拉伸断口形貌基本一致，截面呈椭圆形。其断面轮廓清晰，剪切带沿板条方向分布，内部未发现裂纹等缺陷。因此，所选用的实验方法合理有效。

2.6成形过程及工艺方案的确定

GH4169合金螺栓采用了正弦曲线螺距，其理论尺寸为Φ32mm×2.6mm。由于加热时金属会吸收大量的热而发生剧烈体积变化，故应将坯料在常温下预热至90～100℃，并保温1h以上，以保证材料的组织结构均匀、晶粒细小，减少显微裂纹。然后在90～100℃的温度下终温450min，以获得良好的综合力学特性。

根据螺栓的具体情况，可设计成形设备为一套双辊挤压机，如图1所示。该设备包括3部分：即双辊挤压机辊筒（上辊和下辊）、传动轴、液压系统及PLC控制器等。双轧机由两个平行放置的挤压机辊筒组成，其中一个作为上辊，另一个作为下辊。在螺栓实际生产中，一般采用单辊轧机进行加工成形，但是考虑到生产效率及加工成本，也有采用双辊挤压机进行加工成形的，这样就存在一个问题，即对于同一块坯料，如果用单辊轧机会出现两种不同的轧制方向，导致产品成形不理想；而采用双辊挤压机进行加工成形时，则又必须要对模具进行相应的调整，以适应这种特殊的轧制方向，否则很难保证产品的最终尺寸精度[10]。因此，针对上述问题，本文采用有限元分析方法对双辊轧机的轧制力和张力进行仿真，确定合理的参数，从而指导设备的参数设计。首先，建立螺栓三维模型，用Solidworks软件完成相关的实体建模工作；然后利用ANSYS软件对螺栓进行了有限元网格划分，将螺栓置于整个装配体中，并设置边界条件。其次，根据螺栓在成形过程中的受力特点和工艺要求，设计出合理的压边力、压下量以及张力。最后，基于上述理论计算，得到压边力矩为42（kN.m），压下量为80mm，最大张力变化范围为0.07%～0.08%。由于在螺栓实际生产中，双辊挤压机可能存在因不同的操作模式产生不同的压边力和张力，所以本文主要是为了探讨其合理性，因而没有对压边力和张力进行精确求解，而是给出了计算结果，即压边力矩为42（kN.m），最大压下量为80mm，最大张力变化范围为0.07%～0.08%。

3、结语

综上所述，目前我国大多数企业都已经掌握了生产GH4169高强度精密螺栓的技术，但是在发展中，其成型工艺仍然需要不断被改进，希望能够借鉴国外先进技术，开发出具有自主知识产权的精轧机组，以降低生产成本，提高市场竞争力。

参考文献：

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[10]汤涛,王熔.GH4169合金十二角头螺栓热镦成形数值仿真及参数优化[J].锻压技术,2021,46(12):20-26.