飞机30CrMnSiNi2A 钢摇臂的锻造工艺研究与模具设计

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文/张瑞丽，安苏娟·陕西宏远航空锻造有限责任公司

为解决外形为长条T形带有高台，且四周为封闭筋型的结构钢摇臂锻件在模锻成形过程中表面缺陷频出问题，基于Deform数值模拟软件对型号飞机结构钢摇臂锻造工艺进行研究。结果表明：通过制坯+预锻+终锻的工艺方案，可以保证锻件封闭筋根部圆角处无缺陷，同时能保证高台充满尺寸符合要求；能有效的提高模具寿命。设计工艺试制结果与数值模拟结果吻合良好，锻件表面质量，尺寸以及理化检测结果均满足产品各项要求指标。

飞机操纵系统通常包括主操纵系统和辅助操纵系统两部分。在主操纵系统中，被称为中央操纵机构(或称为座舱操纵机构)，它是由手操纵机构和脚操纵机构所组成。将操纵机构的动作传到舵面的部分，叫做传动机构(或称为传动装置)。摇臂是飞机传动机构的一个重要组成部分。

30CrMnSiNi2A是一种合金结构钢，属于Cr-Mn-Si-Ni系合金结构钢，是在30CrMn钢的基础上加入Si、Ni元素研制成的，常用于制造重要结构件。经过热处理后，30CrMnSiNi2A钢能获得高强度、良好的塑性和韧性、抗疲劳性能以及断裂韧度。在航空领域，30CrMnSiNi2A钢经常用于制造飞机起落架、机身、机翼等关键部位。其超高强度和良好的韧性确保了这些部件能够在复杂的环境下安全可靠地工作。

本文选取某型号飞机30CrMnSiNi2A钢摇臂作为研究对象，基于Deform有限元数值模拟分析对其锻造工艺以及模具设计进行研究，为后续该类型产品的设计给出参考方向。

某型号航空飞机30CrMnSiNi2A摇臂锻件(图1)。锻件由一个高圆柱以及中间带有封闭筋腹板组成。锻件整体沿纵向截面变化较大。中间带有封闭筋的腹板尺寸为6mm，公差为(+2.5，-0.6)，筋部呈“斜坡”状。一端头圆柱部分高度尺寸为140±31mm。整体来看锻件不仅有封闭筋，薄腹板，还有高台，所以给锻件成形及表面质量控制增加了难度。

图130CrMnSiNi2A钢摇臂锻件示意图

图230CrMnSiNi2A钢摇臂三维造型图

30CrMnSiNi2A钢摇臂锻件同时具有封闭筋、薄腹板、高圆柱，整个纵向截面落差较大，在锻件生产过程中存在以下两个难点。

⑴因锻件沿纵向截面变化大，中间腹板带有封闭筋，在锻造过程中，为保证高圆柱成形的剧烈变形，中间封闭筋在筋根部圆弧部分极易产生折叠，严重时“穿筋”，前者锻件表面清理工作量大，表面质量差；后者直接造成锻件报废。

⑵因锻件小头部分呈弯曲状，坯料放置稍有偏差或模具安装有偏差时，锻件小圆柱及弯曲圆弧部分极易出现“缺肉”现象，对最终成形造成严重影响。

对锻件进行工艺分析，并结合锻造生产的实际状况，制定了30CrMnSiNi2A钢摇臂锻件“制坯+预锻+终锻”的锻造工艺方案，即先在自由锻锤上制坯，再在预锻型腔上进行锻造，最后在终锻型腔上锻造成形。

分模面设定：因锻件小头部分呈弯曲状，考虑到生产过程中因坯料放置误差导致的锻件缺陷，将预锻件分模面进行调整，见图3。终锻模分模面与图纸保持一致。

图3预锻件分模面示意图

锻件成形：因锻件沿纵向截面变化大，中间腹板带有封闭筋，考虑到操作过程中会“顾此失彼”，预锻先保证高圆柱成形，为防止封闭筋部出现缺陷，预锻模型腔腹板处设计成平的，没有封闭筋，如图4所示。

图4预锻模腹板处示意图

设备选择：根据锻件结构，优先选择模锻锤，因模锻锤主要以冲击载荷为主要的成形驱动力，刚好30CrMnSiNi2A钢摇臂锻件截面变化大，模锻锤在锻造成形设备上都能满足要求，综合考虑，再根据锻件投影面积及体积，锻造设备选择3t模锻锤，制坯选择2t自由锻锤。

毛坯尺寸的确定：锻造毛坯形状、尺寸的确定对锻件最终成形、产品质量尤为重要，毛坯尺寸偏小，容易造成锻件充不满缺肉；毛坯尺寸偏大，容易造成锻件打不靠，材料利用率低；且尺寸偏大时，封闭筋处多余金属在打击力的作用下直接穿过筋的根部向毛边流动，导致封闭筋类件极易出现“穿筋”现象。毛坯形状与锻件相差太大，容易造成锻件成形困难。综合考虑材料变形等因素，毛坯形状及尺寸确定，如图5所示。

图530CrMnSiNi2A钢摇臂锻件毛坯图

坯料尺寸根据计算毛坯图的截面来确定，综合考虑材料变形等因素，原始棒料尺寸定为φ100mm×180mm。锻造工艺方案过程：下料→2t自由锻制坯→3t模锻锤锻造(预锻)→3t模锻锤锻造(终锻)→表面处理→热处理→理化检测→表面处理→终检。

热锻件图是根据锻件图来设计的，需要考虑锻件后续打磨量以及热胀系数，其中热锻件的尺寸=(冷锻件尺寸+余量)×热胀系数，从而设计出30CrMnSiNi2A钢摇臂锻件热锻件图。生产30CrMnSiNi2A钢摇臂锻件模具的终锻型腔是根据热锻件图加工的。

预锻型腔主要是根据终锻型腔来设计的，预锻的主要目的是为了保证终锻成形，减少终锻成形过程中的缺陷以及型腔的磨损，所以预锻的设计主要针对了腹板封闭筋部分及分模面，填平腹板，改变分模面位置，增大预锻的凹圆角，使预锻充填完整，满足终锻成形要求。30CrMnSiNi2A钢摇臂热锻件图(预锻)见图6。

图630CrMnSiNi2A钢摇臂热锻件图

采用图5形状尺寸的毛坯进行Deform有限元数值模拟，模拟基本参数见表1，30CrMnSiNi2A钢摇臂锻件成形过程。通过图7、图8可以看出，锻件充填良好，毛边均匀，在有限元数值模拟过程中没有明显折叠、穿筋等锻造缺陷产生。

表1数值模拟基本参数

图730CrMnSiNi2A钢摇臂锻造成形过程(预锻)

图830CrMnSiNi2A钢摇臂锻造成形过程(终锻)

基于Deform有限元数值模拟软件对成形过程的纵截面金属流线进行后处理分析，及理化检测低倍分析，通过纵截面流线结果可以看出，金属流线沿外轮廓分布且金属流动均匀，通过该工艺方案锻造的锻件没有产生流线紊乱。

根据模拟结果，采用2t自由锻锤制坯加3t模锻锤预锻+3t模锻锤终锻的成形方案对30CrMnSiNi2A钢摇臂进行试制。棒料经制坯+预锻+终锻后锻造成功。该锻件已经生产多个批次，尺寸满足图纸要求，图9为30CrMnSiNi2A钢摇臂实物照片。经理化检测，锻件的力学性能及低倍均满足标准要求。

图930CrMnSiNi2A钢摇臂实物照片

根据上述分析、模拟以及工艺试制可以得出：基于Deform数值模拟结果对模具结构、锻造工艺方案进行了设计后进行工艺试制，试制结果与数值模拟结果相吻合，实际生产验证了模拟结果的准确性。采用制坯+预锻+终锻的锻造方式生产30CrMnSiNi2A钢摇臂的工艺方案合理可行，为后续同类型锻件的锻造工艺提供了设计思路。

审核：冯忠

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