镍基合金风口法兰是航空发动机上的重要零部件，它是进气道与发动机的连接部分，空气从进气道进入发动机来完成发动机工作周期的吸气过程。风口法兰的成型材料是718镍基高温合金，一方面该合金抗拉、抗弯强度高，成型加工难度大;另一方面该零件各处曲率半径由大到小，变化范围大，材料拉深、翻边成型困难，相关的加工工艺技术国内鲜有借鉴资料。经过科技人员三年的技术攻关，目前已完成了产品的成型模具、工装夹具、检测治具三方面设计与制造，并形成了完整的生产工艺资料，目前该产品已进入批量生产阶段。该项目已获得国家发明专利(专利号ZL201210395627．2)。
1产品技术分析
1．1产品的材料分析Inconel718合金是一种沉淀硬化型镍基耐热合金，它既具有不锈钢的耐蚀性和抗氧化性，高强度，可通过变形、铸造和焊接等形式制造出不同的产品［1－2］。由于风口法兰产品属于复杂曲面深拉件，为了获得较高的均匀变形伸长率δu数值，要求冷成型加工板材是固溶处理状态，同时考虑到变形速度的影响，应至少采用低速压力机，优先采用液压机。鉴于材料的强度高，成型过程中所需变形载荷大，故成型设备、模具寿命的要求均相应提高。其次，由于718材料的硬化指数较高，其加工硬化率比普通碳钢和不锈钢都高，在实施连续变形的冷加工过程中应有中间退火工序。此外，为了让板材在变形过程中不至于过早发生局部集中变形而导致材料报废，在成型过程中应尽量使应力、应变均匀化。
1．2产品结构及尺寸精度分析风口法兰呈不规则渐变曲面状，材料厚度1mm。该产品成型后要与另一厚壁零件通过焊接组成部件，焊接组件有严格的几何公差要求。因此该产品技术要求直径140mm圆孔处圆度控制在0．05mm之内。直径460mm对应的圆弧高度80mm端面处的平面度控制在0．1mm之内。
1．3产品成型工艺分析该产品为1mm厚的镍基合金板材，采用冲压成型工艺步骤如下:①落料成型，通过落料模具将1mm厚板材落料成一块圆形落料件;②拉深成型，通过拉深模具将圆形落料件经过数次拉深成喇叭形半成品件;③切边成型，通过切边模具将喇叭形半成品件上部边缘拉深皱纹区域切除;④翻边成型，通过翻边将喇叭形半成品件底部和顶部翻边，形成直通喇叭形状成品件，最终形成合格产品。
1．4产品成型技术难点分析(1)由于产品材料为镍基合金，该材料拉伸强度大，材料流动摩擦阻力大，易造成模具磨损，影响模具凸凹模之间的间隙，在产品拉深过程中易形成侧面皱纹，造成其成型加工难度大。(2)该产品呈大圆弧渐变曲面状，并在拉深和翻边过程中，材料流动不均匀、不稳定，产品易出现不规则扭曲和反弹。由于产品对平面度和圆度有严格要求，因此产品需要精确控制压边力。(3)该产品直径尺寸较大，并具有较大深度，因此板材在拉深过程中易产生拉深硬化，拉深件易破裂。
2产品成型技术难点解决方案
2．1针对第一难点的解决方案凸凹模具选用Cr12MoV材料，此材料具有良好的耐磨性和韧性，但Cr12MoV钢冷作模具仍易因磨损而发生失效，因此需要对模具表面进行技术处理来提高其硬度和耐磨性能。具体方法是应用PVD(物理气相沉积)技术对凸凹模表面进行改性处理，涂层材料为TiN，该涂层具有硬度高、摩擦系数低、导热性好、与钢材的热膨胀系数差异小以及耐粘着磨损等优点［5－6］，处理后表面硬度达2600HV以上，有效提高了模具的寿命。
2．2针对第二难点的解决方案压边圈下侧安装的压力弹簧其压力存在一些差异，所以在拉深模具和翻边模具压边圈下设置微调节氮气弹簧，因氮气弹簧具有体积小，弹力大，寿命长，弹压力恒定的特点，可以保持周边压边力的稳定性和一致性。另一方面在压边圈内置压力传感器，精确控制压边力的大小变化，确保拉深过程中材料流动的稳定性。
2．3针对第三难点的解决方案经过对拉深系数分析，结合经验总结得出材料拉深采用3次拉深，尺寸由大到小，由浅到深。考虑到718材料的加工硬化率较高，在3次拉深过程中材料易出现加工硬化，所以在前两步拉深之间，对半成品进行中间退火热处理，消除材料内应力，避免拉深过程中出现开裂现象］。
3成型模具设计
3．1落料模具设计模具工作过程:将板料放置在压边圈9上，上模向下运行，落料凹模11向下推动压边圈9，氮气弹簧8受压，压边圈压紧板料，凸凹模5伸出进入凹模11内约1mm，将板料冲裁下。同时，冲孔凸模4冲入凸凹模孔中，将板料中间冲成工艺孔。上模向上回行，氮气弹簧回复向上推动压边圈，将板料从凸凹模上卸下，同时上模弹力橡胶1回复反弹，向下推动推件块10，将落料件从凹模内推落，落料工序完成，图2为落料模具结构示意图。
3．2拉深模具设计模具工作过程:将圆形落料件放置在压边圈14上，上模向下运行，拉深凹模15与圆形落料件接触，凹模压紧压边圈并推动其下行，拉深凸模7伸出，将工件拉深至凹模内，此时推件块1被工件向上顶起，压力弹簧2被压缩。弹簧2反向推动推件块，将工件压紧到凸模上。压边圈在下行的过程中压紧弹簧8产生压边力，由于四个压力弹簧弹的力会存在一些差异，所以在压边圈下侧设置氮气弹簧13，微调弹力，补偿4个压力弹簧的差异，并在氮气弹簧下端安置压力传感器12，精确控制压边圈受压力大小，以保持压边力周边的稳定性和一致性。拉深结束，上模回行，压力机顶杆推动推板9上行，将工件从凸模上卸除。同时压力弹簧2回复推动推件块1向下运行，将拉深件从凹模内推落，完成拉深工序。
3．3切边模具设计模具工作过程:将拉深工件放置在切边凸模内，上模向下运行，切边凹模6接触拉深工件，并推动压边圈7向下运动，压力弹簧9受压产生弹力，从而反向推动压边圈压紧工件边缘区。切边凹模推动压边圈向下运行，压块2在弹力橡胶作用下压紧工件，凸模8伸出进入凹模内，将拉深件边缘起皱区域切除。上模回行，压力机顶杆推动推板12上行，将切除边料从凸模上卸除。同时压力弹簧3回复推动压块向下运行，将工件从凹模内推落，完成切边工序。见图4。
3．4翻边模具设计模具工作过程:将切边件放置在凸凹模8内，上模向下运行，翻边凹模6接触拉深工件，并推动压边圈7向下运动，压力弹簧9受压产生弹力，从而反向推动压边圈压紧工件。凸模2向下运行，将工件底部翻边，形成底部直径138mm通孔。同时翻边凹模6向下运行，将工件上部翻成喇叭口状。压边圈在下行的过程中压紧弹簧9产生压边力，由于4个压力弹簧弹力存在一些差异，所以在压边圈下侧设置氮气弹簧17，微调弹力，补偿4个压力弹9的差异，并在氮气弹簧下端安置压力传感器16，精确控制压边圈受压力大小，以保持压边力周边的稳定性和一致性。翻边结束，上模回行，压力机顶杆推动推板12上行，将工件从凸凹模上卸除。同时压力弹簧3回复推动凸模向下运行，将翻边件从凸模上推落，完成翻边工序。最终形成合格产品。见图5。
4结语
分析材料的特性和产品结构尺寸要求，通过落料、拉深、切边和翻边四道工序模具成型，将板材加工成产品。此四道工序系列模具经过严密设计、精心加工、细心装配，试模调模、间摄影艺术论文隙修正、压力调整，模具尺寸和装配调整到最佳状态，已投入大批量生产。经客户严格检测，产品尺寸精度和形位公差及外观要求均达到图纸要求。
作者:朱朝晖 单位: 苏州大学
