1.前言
1.1 现状与问题
紧固件在航空领域应用广泛，在航空发动机高温、高速的工作环境下,质量要求高,需求量大。紧固件采用传统的机械加工存在加工工序多，效率低的问题.对于一些材料为高温合金（GH2132、GH4169、GH738、GH600）类型的紧固件,更加不便加工，不利于零件大批量生产，对于十二角螺栓、螺母如图1所示，头部尺寸复杂,以往采用冷镦的加工方式,加工效率不高,工序长,表面质量不好,甚至无法达到零件尺寸要求。
1.2 课题解决方案
随着热镦技术的成熟，且高温合金材料零件自身具有良好的耐热性能，因此可选择热镦的加工方式加工紧固件，能够大大节约成本,提高生产效率。
采用热镦技术对零件进行成型，急需一种结构简单，质量稳定的热镦模具，且模具具备耐磨性好，换取方便等优点。通过改进模具设计，提升加工效率，提高零件合格率。
2.研究（攻关）内容
2.1优化模具结构，增强通用性
目前公司热镦加工的紧固件类型主要分螺栓、螺母两大类，其中螺栓类紧固件根据镦锻比、螺栓长度、直径，模具尺寸取值有区别，因此不同类型的零件，热镦模具的尺寸取值不同。
不同人员设计的模具结构尺寸有差异，不具备通用性，制定模具的结构标准化设计方案，规范模具尺寸取值，对快速设计模具、快速换取具有重大意义。
2.2提升模具耐磨性，提升加工效率与加工质量
受模具材料、制造工艺影响，以往制造的模具在使用过程中非常容易磨损，单套模具加工零件数量不多，增加模具制造成本，影响生产效率，统计分析公司现有的零件材料，通过试验确定合适的模具材料迫在眉睫。
2.3解决模具易崩裂、顶杆断裂弯曲、热镦成型后零件有缺陷等问题。
零件镦制过程中，受模具尺寸取值的影响，导致模具镦制过程中会出现模芯崩裂的情况；零件坯料在加热过程中会膨胀，如果模芯与顶杆之间的间隙取值不合理，镦制过程中受力不均匀，导致顶杆断裂弯曲；模具设计精度要求不高，则会导致镦制的零件有缺陷，影响零件整体性能。
3 加工难点分析及攻关措施
3.1模具结构设计
确定合理的模具结构，制定标准化设计方案，增强模具互换性，对今后热镦模具设计提供了理论基础。通过改进，确定了热镦模具由以下六部分组成：热镦上模、热镦下模、上模顶杆、下模顶杆、垫块以及通用热镦模架。
热镦模架（图3-1）：用于支撑上模、下模，起到了定位、导向作用。根据设备结构，将模架设计成固定结构，增强通用性，不仅能够节约成本， 更能提高生产效率。
将热镦模架安装至设备上（冲床设备JH21-125），分别将热镦上模、下模安装至图3-1所示位置，将模架安装至设备上，固定牢靠，加工时，通过设备打杆带动件1顶杆向下运动，再通过热镦上模挤压零件得到要求尺寸，下半部分原理相似，通过件2顶杆的运动，同时带动热镦下模挤压零件，最终得到要求尺寸。
热镦上模与上模顶杆：用于螺栓类紧固件上端部尺寸成型，通过上模顶杆挤压坯料，配合模芯型腔成型。
热镦下模、下模顶杆、垫块：在螺母类紧固件中用于成型零件，通过下模顶杆挤压坯料，配合模芯型腔得到零件外形尺寸。在螺栓类紧固件中起定位、定长作用，通过下模顶杆与垫块，用于调整螺栓尾部长度。
3.2 模具材料选择
坯料加热后放入模具中，模具自身需要承受一定的温度，且要满足大批量的生产要求因此，对于模具材料必须选择耐高温、耐磨性好、热稳定性好且不易变形的材料。
如图3-5所示，通过查阅资料并经过多次试验，最终确定成型部分（模芯）的材料选择硬质合金YG20，外模的材料选择热作模具钢4Cr5MoSiV1,二者之间通过过盈配合结合在一起。
上下模顶杆受冲击力较大，且需要承受一定冲击载荷，故选用M42（热处理HRC65~68）材料为佳。
3.3 尺寸优化，提升零件合格率。
3.3.1 热镦上模、热镦下模与模架配合尺寸选择
模架设计本身具备定位、导向的作用，模体与模架装配时，采用的是间隙配合，如图3-6所示的装配视图，经过多次试验最终确定装配尺寸，在保证模体能够装配互换的前提下，缩小模架与模体配合处间隙值，大大提高加工精度与质量。
3.3.2 模体尺寸选择
1、通过多次加工验证，零件尺寸与模芯型腔尺寸相关，模芯型腔尺寸应根据零件公差选取，由于坯料加热后属于膨胀状态，加工完成后，零件冷却的过程中，热胀冷缩会导致尺寸变小，且模芯使用过程中会有一定磨损，因此模芯尺寸应接近零件上偏差，且各部分关联尺寸之间应该规定形位公差要求，尽可能减小模具自身误差，提高模具精度，具体尺寸示例见附件2。
2、对于上模顶杆而言，镦制时冲击挤压坯料，配合模芯使零件成型，为了让顶杆受力均匀，顶杆尺寸应设计与模芯型面相匹配。
多次试验表明，顶杆与模芯间隙值过大，会导致顶杆弯曲，热镦后成型的零件有缺陷，达不到零件设计要求，如果间隙值过小，会导致模芯碎裂、顶杆断裂等问题:因此，上模顶杆与模芯间隙值取值取0.15±0.04
3、下模顶杆与上模顶杆间隙值与零件杆部尺寸有关，原则确定为：
杆部尺寸d≤6mm，取0.12±0.04
杆部尺寸d≥6mm，取0.15±0.04
但需注意镦制后，由于零件尚有余温存在，还处于膨胀状态，导致零件取出不便，为了解决这一问题，做了以下两点改进：
3-1、如图3-7 A放大图所示，由于零件后续需要对法兰边进行加工，故可以增加4°的拔模角，不仅可以增加材料流动性，提高产品质量，有利方便地取出零件。
3-2、在下模顶杆下增加垫块如图3-7所示，保证下模顶杆与模体距离D大于零件定位部分长度2-3mm，下模顶杆的活动量M尺寸也保留一定距离，以保证热镦完成后，下模顶杆把零件完全顶出模芯。
4、垫块对于长度较短、尺寸较小的螺栓、螺母加工中，可以缓解顶杆承载压力：由于下模顶杆长度较长，顶杆承受载荷过高，容易造成顶杆弯曲，断裂，因此增加垫块，减小顶杆长度，提升顶杆使用寿命。并且垫块具备通用性能，长度L可以根据零件的长度进行制造，不同长度的零件，可以搭配不同长度的垫块。
4效果验证
进行热镦试验，首件镦制后将对零件进行理化试验，检测零件表面有无过热过烧现象，目视零件表面有缺陷的问题，如图4-1所示，检测标准为零件的晶粒度需大于4级。发现改制后的热镦模具，均能够通过理化试验测试，为零件后续加工提供了保障，且在后续加工过程中，零件均通过合格检验，经过改进后的热镦模具均未发生过模芯碎裂、顶杆断裂弯曲、过度磨损等现象。且热镦成型合格率达到了95%。
5结论
通过对热镦挤压模具的改进，确定标准化热镦模具设计方案、优化模具取值，解决了模具易磨损崩裂，换新、安装找正难等问题，大大缩短工序加工周期，对今后热镦模具设计提供了理论基础，提高了热镦模具设计质量与加工效率。
