引言

GH4169是一种镍基单晶合金，拥有较高的室温及高温强度、优良的蠕变机能和悠久机能。该合金重要用于造作航空发起机涡轮叶片。在现实出产过程中，为了得到较好的机械机能，常选取调质处置或超细晶粒强化等工艺步骤进行热处置。

1、GH4169合金的概述

GH4169是一种高温合金资料。它拥有以下特点：高温机能凸起，可能在高温环境下持久不变使用，并拥有优异的高温强度和抗氧化机能。此表，GH4169还拥有优良的耐侵蚀机能，可能招架酸、碱、盐等侵蚀介质的侵蚀，它的可加工性也极度好，能够通过热处置、冷加工等方式进行成形和加工[1]。不仅如此，GH4169还拥有高强度和韧性，即便在高温下也能维持较高的强度，并拥有肯定的塑性。因而，GH4169被宽泛利用于航空航天、石油化工、核电、汽车造作等领域，承担着沉要作用。

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资料使用合金钢，确保足够的支持力和不变性；上模座尺寸为150mm×150mm×60mm，固定在模架顶部；上模资料为硬质合金（WC-Co），尺寸为100mm×100mm×30mm，拥有螺纹成形凹槽；下模座为尺寸为180mm×180mm×80mm，固定在模架底部；下模资料为硬质合金（WC-Co），尺寸为120mm×120mm×50mm，拥有螺纹成形凸块[2]。

2.2模具结构设计与优化

在模具的设计中，其选取冷挤压模具类型，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，表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不变性和机能[3]。GH4169在高温下容易产生塑性变形，因而模具资料必要拥有足够的抗变形能力，选择Cr12MoV作为重要的模具资料[4]。GH4169高强度精密螺栓的直径为d=10mm，表预应力圈的厚度为t=2mm。确定螺栓的直径（d）和预应力圈的厚度（t），推算预应力圈的内径（d1）和表径（d2）。

预应力圈的内径（d₁）=螺栓直径（d）+2×预应力圈厚度（t）预应力圈的资料为弹性体，使用Hooke定律来推算所需的表预应力力值，预应力圈的截面积（A）为20mm?。推算预应力圈的表径（d₂）：

预应力圈的表径（d2）=螺栓直径（d）+2×预应力圈厚度（t）+2×预应力圈内径（d1），凭据利用需要和资料个性，选择适当的弹性体资料来造作预应力圈。推算预应力圈的内径：d1=d+2mm，t=10mm+2mm×2mm=14mm，预应力圈的截面积A=20mm?，弹性模量E=200GPa（2×1011N/m?），原始长度L0=50mm。必要施加的拉伸变形ΔL=0.5mm，所需的表预应力力值：F=AEΔL/L0=20mm?×2×1011N/m?×(0.5mm/50mm)=4×107N。

模芯设计必要凭据螺栓的表形和要求，设计适当的状态，思考到螺栓细长结构容易变形，能够增长钢材支持或冷却系统以加强模芯刚度和降低温度。在GH4169高强度精密螺栓成形工艺中，过盈量的推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）和内凹模表圈直径（D），其中过盈系数d=0.005，内凹模表圈直径D=12mm，过盈量（δ）推算公式为：

δ=Dd

因而最终能够得知过盈量为0.06mm。

凭据上述设计，对模具进行改进设计。选择优质合金钢作为下模的资料，在高温环境下可能维持足够的强度和寿命。鄙人模结构中设计散热通路，选取冷却水循环系统，通过冷却水循环来降低模具温度。将散热通路安插均匀，确保在整个下模表表都有优良的冷却成效，从而削减温度梯度和应力集中景象。对下模选取耐高温磨损的涂层，使用TiAlN或DLC（类钻碳）涂层，提高表表硬度和耐磨性，耽搁模具使用寿命。

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，因而必要选择温滚压螺纹的方式。在温滚压螺纹工艺中，选定GH4169合金资料的螺纹模具，并预热至适当的温度领域，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，使得工件表表产生塑性变形，逐步形成所需的螺纹状态。此时，模具的预热温度和滚压参数的选择极度关键，它们直接影响到滚压过程中的热传导和塑性变形成效。

2.4有限元仿照仿真

本钻研选取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仿照推算，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幼于模具内壁，导致尾部区域存在肯定水平的凹陷变形。凭据现实加工时的情况可知：当施加挤压力时，螺栓尾部会产生少量的塑性变形；随着挤压力逐步增长，螺栓尾部产生更多的塑性变形，并最终实现整个挤压成形。为了提逾越产效能，应尽量削减螺栓尾部的塑性变形量，因而本文设计了模具尾部状态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、延长率为30%。凭据网络到的资料机能数据，选择相宜的资料模型来描述GH4169的力学行为，我们选择使用vonMises本构模型进行建模[8]。在仿照分析中，能够凭据具体工艺要求和加载前提，进行拉伸、压缩或旋转等各类载荷情况下的应力、应变和变形分析。本文中资料的抗拉强度（σt）为900MPa，屈服强度（σy）为760MPa，延长率（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为资料的硬化指数。

类似地，凭据延长率数据，能够成立延长率模型，能够使用二次多项式模型：

δ=a×ε₂₊b×ε+c

式中：δ为螺栓的延长率，ε为螺栓的应变，a、b和c为拟合参数。

2.5尝试钻研及了局分析

仿照了局批注，模具温度的变动对应力状态影响不大。当加热功夫为30s时，分歧地位测得的应变值均在5%以内，批注资料塑性变形水平较低，可保障模具能均匀受力[9]。凭据以上钻研分析，结合公司现有设备，选用直径Φ12.5mm的圆柱形挤压模作为尝试装置。模腔尺寸为Φ12.5mm×12.5mm，模芯材质为HT25钢。资料工艺参数如下：坯料化学成分为（NiCrAlSi）9Cr4Mo7B1.5Si0.1，真空度为-80kPa，保温温度为950℃，保温功夫为1h，退火温度为620℃，退火功夫为2h，空冷温度为500℃，空冷功夫为1h。试样拉伸断口描摹根基一致，截面呈椭圆形。其断面概括清澈，剪切带沿板条方向散布，内部未发现裂纹等缺点。因而，所选用的尝试步骤合理有效。

2.6成形过程及工艺规划简直定

GH4169合金螺栓选取了正弦曲线螺距，其理论尺寸为Φ32mm×2.6mm。由于加热时金属会吸收大量的热而产生剧烈体积变动，故应将坯料在常温下预热至90～100℃，并保温1h以上，以保障资料的组织结构均匀、晶粒藐幼，削减显微裂纹。而后在90～100℃的温度下终温450min，以获得优良的综合力学个性。

凭据螺栓的具体情况，可设计成形设备为一套双辊挤压机，如图1所示。该设备蕴含3部门：即双辊挤压机辊筒（上辊和下辊）、传动轴、液压系统及PLC节造器等。双轧机由两个平行搁置的挤压机辊筒组成，其中一个作为上辊，另一个作为下辊。在螺栓现实出产中，通常选取单辊轧机进行加工成形，但是思考到出产效能及加工成本，也有选取双辊挤压机进行加工成形的，这样就存在一个问题，即对于统一块坯料，若是用单辊轧机遇出现两种分歧的轧造方向，导致产品成形不梦想；而选取双辊挤压机进行加工成形时，则又必必要对模具进行相应的调整，以适应这种特殊的轧造方向，不然很难保障产品的最终尺寸精度[10]。因而，针对上述问题，本文选取有限元分析步骤对双辊轧机的轧造力和张力进行仿真，确定合理的参数，从而领导设备的参数设计。首先，成立螺栓三维模型，用Solidworks软件实现有关的实体建模工作；而后利用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，并设置天堑前提。其次，凭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，基于上述理论推算，得到压边力矩为42（kN.m），压下量为80mm，最大张力变动领域为0.07%～0.08%。由于在螺栓现实出产中，双辊挤压机可能存在因分歧的操作模式产生分歧的压边力和张力，所以本文重要是为了探淘熹合理性，因而没有对压边力和张力进行精确求解，而是给出了推算了局，即压边力矩为42（kN.m），最大压下量为80mm，最大张力变动领域为0.07%～0.08%。

3、结语

综上所述，目前我国大无数企业都已经把握了出产GH4169高强度精密螺栓的技术，但是在发展中，其成型工艺依然必要不休被改进，但愿可能借鉴国表先进技术，开发出拥有自主知识产权的精轧机组，以降低出产成本，提高市场竞争力。

参考文件：

[1]雷雪雪,刘芳,崔元元,等.残存应力与拘谨对GH4169合金委顿及蠕变-委顿裂纹扩大速度影响钻研[J].上海理工大学学报,2024,46(1):60-68.

[2]吴统一,黎向锋,周玉宝,等.GH4169表螺纹滚压过程ABAQUS有限元仿真模型成立及验证[J].机械造作与自动化,2023,52(6):77-80.

[3]王碧波.GH4169合金大锻件成形技术钻研[D].克拉玛依:克拉玛依铁路大学,2023.

[4]程鹏.高强度GH4169螺栓温成形机理与工艺钻研[D].北京:北京科技大学,2023.

[5]金宏,殷银银,刘乐,等.航天用超大规格GH4169高温合金螺栓热镦工艺[J].锻压技术,2022,47(6):55-60.

[6]刘乐,殷银银,金宏,等.超大规格GH4169高温合金螺栓成形工艺及模具结构优化[J].造作技术与机床,2022,(4):110-115.

[7]方军,吴敏,张涛,等,靳凯.GH4169高温合金螺栓热锻成形工艺[J].锻压技术,2022,47(3):8-22.

[8]张盼霖.GH4169高温合金螺栓高温委顿载荷理论值的选择钻研[J].科技创新与利用,2022,12(4):20-22,25.

[9]王智春,彭波,付铁,等.超超临界机组GH4169螺栓高温运行后显微组织与力学机能的钻研[J].热加工工艺,2022,51(14):54-59.

[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.