中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 蔣佳華 黃樂 李松 王帥

基于PAM-STAMP的進(jìn)油管成形有限元分析

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 蔣佳華 黃樂 李松 王帥

航空發(fā)動機(jī)加力總管的進(jìn)油管結(jié)構(gòu)較為特殊，發(fā)動機(jī)導(dǎo)管成形時由于受設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料等因素影響，常常產(chǎn)生難以成形、加工質(zhì)量較差等問題。本文以某型發(fā)動機(jī)加力燃油總管的進(jìn)油管為例，借助專業(yè)金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAM-STAMP，對其彎曲成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對軟件計算得到的成形結(jié)果進(jìn)行分析，為實(shí)際加工工藝的制定和模具的設(shè)計提供了重要指導(dǎo)。

一、引言

導(dǎo)管彎曲成形是管子完成所需形狀尺寸的二次塑性加工，是一種典型的材料非線性、幾何非線性且邊界條件非線性的多重非線性耦合變形，其彎曲過程屬于三維非穩(wěn)定變形。彎曲時管子大部分形面為無約束自由表面，沿彎曲半徑方向材料中斷而失去相互約束和支撐，材料流動變形易于形成壁厚減薄、波紋度超差及圓度超差等彎曲缺陷。加力總管的成形質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)裝配質(zhì)量以及使用性能。以某型加力總管的進(jìn)油管為例，利用專業(yè)金屬板料成形有限元模擬分析軟件PAM-STAMP對其彎曲成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以得到工藝可行性、工裝可行性以及成形危險區(qū)域等結(jié)果，為后續(xù)的工藝制定提供了重要指導(dǎo)。

二、有限元仿真分析在導(dǎo)管彎曲中的應(yīng)用

采用傳統(tǒng)的導(dǎo)管彎曲成形工藝設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，或根據(jù)簡單的成形極限規(guī)則能夠預(yù)估彎管生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，如管子拉裂、褶皺、圓度超差和回彈等，但此類質(zhì)量問題是否發(fā)生、何時發(fā)生或發(fā)生程度等都需要大量的重復(fù)實(shí)測得來。這樣不僅導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長，還會產(chǎn)生大量廢品，造成不必要的浪費(fèi)。

目前，在導(dǎo)管成形工藝的評審編制階段引入有限元仿真分析技術(shù)，可以快速地模擬分析出成形過程中可能發(fā)生的缺陷。通過將分析結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，可以合理有效地調(diào)整工藝參數(shù)和成形條件以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，從而很大程度上減少模具調(diào)試和產(chǎn)品試制周期，不僅節(jié)約了大量的開發(fā)成本，也更符合現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的發(fā)展需求。隨著導(dǎo)管彎曲理論研究的不斷深入，以及各種仿真軟件中彎管成形模塊的建立，導(dǎo)管彎曲成形的仿真精度也越來越高。有限元仿真技術(shù)已經(jīng)嵌入到彎管零件的前期開發(fā)和后期改進(jìn)中，在彎管類零件的生產(chǎn)制造領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的輔助分析和指導(dǎo)作用。

三、進(jìn)油管的成形特點(diǎn)分析

進(jìn)油管位于加力筒體內(nèi)，是連接加力泵與加力總管的重要零件。為了提高進(jìn)油的穩(wěn)定性以及后續(xù)的使用強(qiáng)度，進(jìn)油管必須具有良好的圓度以及力學(xué)強(qiáng)度。

進(jìn)油管的成形工藝特點(diǎn)：（1）兩個折彎半徑不一致，分別為40mm和60mm，如圖1所示。（2）兩個折彎連續(xù)相切，折彎之間無直線段。基于以上成形特點(diǎn)，傳統(tǒng)的彎曲手段無法實(shí)現(xiàn)，因此需要開發(fā)專用模具進(jìn)行制造。

四、工藝方案的制定

如圖1所示，該進(jìn)油管導(dǎo)管外徑尺寸為Φ14mm，壁厚為1.1mm，材料牌號為GH536，使用伊頓公司的數(shù)控彎管機(jī)VB25進(jìn)行彎曲，工藝流程為首先對折彎半徑40mm，按圓心角度61°28'進(jìn)行彎曲。再重新裝夾，對折彎半徑60mm，折彎圓心角度為71°28'。

根據(jù)成形順序及零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合彎曲順序以及半成品狀態(tài)，設(shè)計了兩套數(shù)控彎模，使用UG軟件對工裝進(jìn)行建模，如圖2、圖3所示。

使用圖2所示結(jié)構(gòu)彎模對第一個折彎進(jìn)行彎曲，再使用圖3所示結(jié)構(gòu)彎模對第二個折彎進(jìn)行彎曲。

圖1

圖2

圖3

五、彎曲成形仿真模擬

1.模型的導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

在完成了模具及直管料的創(chuàng)建后，將模型從UG中以IGS格式導(dǎo)出，導(dǎo)出時注意坐標(biāo)系的選定。

在PAM-STAMP中將模具模型及導(dǎo)管模型分開導(dǎo)入。網(wǎng)格劃分是有限元分析過程極其重要的環(huán)節(jié)，合理控制網(wǎng)格密度是合理劃分網(wǎng)格的關(guān)鍵。劃分的網(wǎng)格越密，計算結(jié)果的精度就越高，但也同時會增加計算時間。在本例中，網(wǎng)格劃分時模具網(wǎng)格比例系數(shù)設(shè)定為0.5，直管料的比例系數(shù)設(shè)定為0.1，管子網(wǎng)格最大自適應(yīng)劃分系數(shù)為2，如圖4、圖5所示。

圖4

圖5

2.精確成形模擬

彎曲過程采用回轉(zhuǎn)牽引彎曲方式。摩擦條件對導(dǎo)管彎曲工藝具有重要的影響，因此在仿真過程中有必要引入合理的摩擦模型，在導(dǎo)管成形過程中，各模具與導(dǎo)管管胚的接觸主要有以下幾種：導(dǎo)管-彎模、導(dǎo)管-鉗夾和導(dǎo)管-壓力模等。在本例中將導(dǎo)管與模具之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

有限元仿真模型中的邊界條件主要為約束，約束模型保持固定不變即為零位移，或非零位移時僅能移動規(guī)定量的位移，在導(dǎo)管彎曲成形過程中，管子實(shí)際完全處于自由狀態(tài)，約束均定義在模具上，有限元模型中各模具的運(yùn)動方式要依據(jù)實(shí)際彎曲加工時進(jìn)行設(shè)置。其中，彎模只具有圍繞彎曲旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動運(yùn)動，具有一定的旋轉(zhuǎn)速度。鉗夾在加工時與彎模保持一致，即隨著彎模一起旋轉(zhuǎn)。壓力模在只進(jìn)行壓緊時，不具有任何自由度，但當(dāng)其具有助推作用時，應(yīng)具有助推一側(cè)的運(yùn)動自由度，并具有一定的助推速度。需要特殊注意的是，不管彎模、鉗夾的旋轉(zhuǎn)角速度還是壓模的助推移動速度，都應(yīng)盡量使用參數(shù)曲線進(jìn)行定義，以便保證在速度加載過程中不會發(fā)生慣性效應(yīng)。

在本例中我們參照伊頓公司的VB25型數(shù)控彎管機(jī)的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)結(jié)合以往的彎曲成形過程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對PAMSTAMP內(nèi)相對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值，將彎模、鉗夾的回轉(zhuǎn)速度設(shè)定為0.124rad/s，壓力模移動速度設(shè)定為4mm/s。成形過程分為兩個階段，分別對應(yīng)折彎半徑為40mm，圓心角度為61°28'以及折彎半徑為60mm，圓心角度為71°28'的兩個成形過程，如圖6所示。

使用求解器對彎曲過程進(jìn)行求解，本例使用PAMAUTO STAMP顯示算法求解器，能夠提供在實(shí)際工業(yè)環(huán)境下，如考慮重力影響、壓料過程、多步成形、各種拉延、切邊、翻邊和回彈等復(fù)雜情況下可視化的沖壓成形模擬。能夠提供非常精確的成形結(jié)果，幫助技術(shù)人員在公差范圍內(nèi)對模具進(jìn)行全面質(zhì)量控制，有效地解決了昂貴而又耗時的修模調(diào)試時間。

在成形分析過程中我們一般選用罰函數(shù)接觸算法，該方法在成形模擬中是最為有效、最為穩(wěn)定的接觸問題處理方法，具有允許初始穿透、能夠適應(yīng)模具網(wǎng)格質(zhì)量低等特點(diǎn)。

圖6

3.仿真結(jié)果分析

使用求解器對彎曲過程進(jìn)行求解，求解后分別得到兩個過程的仿真結(jié)果。通過軟件的后處理分析功能，我們可以很方便地得到導(dǎo)管形變后彎曲部位的圓度值、彎曲部位的壁厚減薄情況，以及應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的變化情況。通過分析可知，在完成第一個折彎（折彎半徑40mm，圓心角度61°28'）后，導(dǎo)管的圓度值為0.45mm，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（不大于0.75mm），如圖7所示。

圖7

從壁厚變化分布云圖我們可以查知導(dǎo)管背側(cè)壁厚減薄量為0.08mm，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（不大于壁厚值的20%），如圖8所示。對管子截面進(jìn)行剖視后，未見可測量褶皺產(chǎn)生，彎曲內(nèi)側(cè)過渡光滑，未產(chǎn)生褶皺堆積，波紋度合格，如圖9所示。

圖8

圖9

依據(jù)以上分析結(jié)果，我們可得第一個折彎彎曲后，管子三項檢驗(yàn)指標(biāo)均合格。

對第二個折彎進(jìn)行同樣的三項檢驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析。第二處折彎圓度值為0.25mm，壁厚減薄量最大值為0.8mm，如圖10所示，剖視圖未見可測量褶皺產(chǎn)生，彎曲內(nèi)側(cè)過渡光滑。通過對成形極限圖進(jìn)行分析可知，整根導(dǎo)管均處在安全區(qū)域內(nèi)，如圖11所示。

圖10

圖11

六、結(jié)語

通過分析以上的仿真結(jié)果我們可得出結(jié)論，對于該型進(jìn)油管，采用特殊結(jié)構(gòu)的成套數(shù)控彎模進(jìn)行分步數(shù)控彎曲，能夠滿足彎曲要求，其各項質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容均符合相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)的模具設(shè)計可按仿真時的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、制造，相應(yīng)的工藝內(nèi)容參數(shù)亦可參照前處理設(shè)置的參數(shù)。

目前，我國的航空產(chǎn)品研制、批產(chǎn)周期不斷地縮短，這就需要相關(guān)的設(shè)計人員、工藝人員對出現(xiàn)的問題做出快速的反應(yīng)，這也突顯了有限元分析技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)階段的重要作用。通過采用有限元分析法在對零件成形的工藝進(jìn)行評判，來提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，設(shè)計、工藝人員能夠快速準(zhǔn)確地敲定設(shè)計結(jié)構(gòu)以及工藝制造方案，縮短工裝調(diào)試、零件試制周期，進(jìn)而有效地提高工藝穩(wěn)定性、降低生產(chǎn)成本。