岑澤偉, 束學道*, 葉博海,徐振威

工藝參數(shù)對GH4169壁厚漸變錐形回轉件熱強旋成形壁厚均勻性的影響

岑澤偉1,2, 束學道1,2*, 葉博海1,2,徐振威3

（1.寧波大學 機械工程與力學學院, 浙江 寧波 315211; 2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室, 浙江 寧波 315211; 3.寧波雄獅機械制造有限公司, 浙江 寧波 315400）

以GH4169高溫合金為材料, 在Deform-3D軟件中建立了壁厚漸變錐形回轉件熱強力旋壓有限元模型. 通過正交試驗法, 研究分析各工藝參數(shù)對工件整體壁厚偏差影響程度的先后次序, 并得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合. 結果表明, 各工藝參數(shù)對工件整體的壁厚偏差影響的主次關系依次為: 旋輪圓角半徑、旋壓溫度、旋輪進給比、芯模轉速; 最優(yōu)工藝參數(shù)組合為: 旋壓溫度1000℃, 旋輪圓角半徑4mm, 芯模轉速240r·min-1, 旋輪進給比0.3mm·r-1. 通過熱強力旋壓實驗, 對比分析實驗結果和仿真結果發(fā)現(xiàn), 兩者趨勢相同, 整體壁厚偏差平均值誤差為14%, 表明仿真模擬可靠, 可為壁厚漸變錐形回轉件精確成形提供參考.

GH4169; 熱強力旋壓; 壁厚漸變錐形回轉件; 壁厚均勻性

航空發(fā)動機鈑金機匣作為發(fā)動機的外部承載件, 具有結構復雜、加工難、壁薄等特點[1], 制約著航空發(fā)動機的發(fā)展, 故對鈑金機匣成形工藝和質量的研究一直是業(yè)界研究的熱點之一. 壁厚漸變錐形回轉件作為航空發(fā)動鈑金機匣零件的一種, 其材料多為鈦鎂合金、高溫合金, 這些材料在常溫下存在屈服比高、彈性模量低、回彈嚴重、材料彎曲能力差、受壓時穩(wěn)定性差等缺點, 而熱強力旋壓技術可提高室溫下難成形材料的塑性, 改善其加工性能, 減小旋壓力, 提高產(chǎn)品的表面質量及生產(chǎn)效率[2]. 為了有效地控制壁厚漸變錐形回轉件的精確成形, 滿足航空航天工業(yè)發(fā)展的需求, 有必要展開工藝參數(shù)對成形質量影響及其優(yōu)化等研究.

目前, Fazeli等[3]通過方差分析(Anova)研究實驗數(shù)據(jù), 建立了表面粗糙度的經(jīng)驗模型, 研究了熱機管旋壓工藝參數(shù)對2024鋁細管制造表面粗糙度的影響. 張晉輝等[4]基于ABAQUS有限元仿真軟件, 研究了工藝參數(shù)對錐形件強力旋壓壁厚差和旋壓力的影響, 得到了工藝參數(shù)的影響規(guī)律. 杜勇等[5]通過有限元仿真模擬, 研究了工藝參數(shù)對鋁合金輪轂內徑和壁厚偏差的影響, 結果表明旋輪圓角半徑對壁厚偏差和輪轂內徑的影響最大. 束學道等[6]利用有限元仿真模擬, 分析了旋輪進給比、芯模轉速、摩擦系數(shù)對5CrNiMo18變截面錐形薄壁回轉件的壁厚均勻性的影響. 夏琴香等[7]通過ABAQUS軟件對PD600高強度鋼進行剪切旋壓的有限元仿真模擬, 分析了旋輪進給比和芯模與旋輪間的間隙對PD600高強鋼圓度和壁厚偏差的影響. 蘇楠等[8]對工業(yè)純鈦管筒件進行了熱強力旋壓試驗, 分析了芯模轉速和溫度對成形質量的影響, 優(yōu)化了工藝參數(shù)組合. Long等[9]通過對鎳基高溫合金進行高溫平面應變壓縮試驗和熱旋壓試驗, 證明模擬的平均晶粒尺寸與理論計算值吻合較好. Molladavoudi等[10]研究了減小工件厚度對7075-O鋁管的旋壓成形質量、伸長率、屈服強度等影響規(guī)律. Luo等[11]對帶有橫向內筋的大型薄壁工件提出了新的旋壓工藝, 探明了工藝參數(shù)對橢圓度的影響. 現(xiàn)階段熱強力旋壓技術的研究主要集中在鈦鎂合金、鋁合金及高碳鋼上, 對高溫合金的熱旋壓成形研究較少. 在熱強旋過程中, 研究工藝參數(shù)對旋壓件成形質量的影響大多只考慮單因素變量, 而工藝參數(shù)對旋壓件成形質量的影響是交互的.

本文以GH4169高溫合金為研究材料, 在Deform-3D有限元軟件中建立壁厚漸變錐形回轉件熱強力旋壓成形的有限元模型, 通過正交試驗法, 研究各工藝參數(shù)對工件整體壁厚偏差影響程度的主次順序, 并得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合, 可為變壁厚回轉件的精確成形提供參考.

1 GH4169高溫合金壁厚漸變錐形回轉件熱強旋模型的建立

1.1 GH4169合金材料模型的建立

由于Deform-3D有限元仿真軟件的材料庫中沒有GH4169高溫合金的材料模型, 因此需要建立GH4169高溫合金的材料模型, 并將其key文件保存后導入Deform-3D軟件進行前處理, 然后用于工件熱強力旋壓仿真模擬. 本文選取的GH4169高溫合金本構方程的計算公式為[12]:

1.2 坯料的設計計算

確定合理的工件和毛坯尺寸有助于改善工件在旋壓成形過程中等效應力和應變的分布, 避免出現(xiàn)破裂、卷邊、起皺等成形缺陷, 達到節(jié)能、高效、工件成形質量優(yōu)化等目的. 本文以設計壁厚漸變錐形回轉件為目標, 其成形件結構如圖1所示.

圖1 目標成形件結構簡圖(單位: mm)

變壁厚錐形回轉件在不同直徑上的軸向壁厚都不相同, 變壁厚板坯在各直徑上的壁厚計算公式為:

由于變壁厚錐形回轉件的形狀復雜, 計算坯料體積困難, 因此采用ProE軟件自帶的體積測量工具, 通過在軟件中建立目標成形件的三維數(shù)模, 結合體積計算法, 得到毛坯尺寸. 坯料理論直徑的計算公式為:

坯料尺寸計算完成后, 適當增加了加工余量, 坯料實際直徑計算公式為:

1.3 有限元模型建立

根據(jù)目標成形件結構, 在ProE軟件中建立有坯料、芯模、尾頂、旋輪1和旋輪2共5部分的三維模型, 完成模型的裝配工作. 選取工藝參數(shù)為: 溫度1050℃, 旋輪圓角半徑6mm, 旋輪進給比0.6mm·r-1, 芯模轉速300r·min-1.

根據(jù)上述工藝參數(shù), 在有限元軟件前處理中進行設置: 坯料和芯模的初始溫度分別為1050、500℃; 坯料網(wǎng)格采用四面體相對網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格數(shù)60000; 模擬步數(shù)1000步, 每步運動時間0.013 s; 補償體積15706.9mm3; 平均應變率1, 限制應變率0.01; 芯模和尾頂?shù)慕撬俣?r·s-1, 旋輪與坯料的摩擦類型為剪切摩擦, 摩擦系數(shù)0.12; 坯料與模具的熱傳導率2.5×104W·(m2·K)-1.

導入材料模型和裝配模型, 在Deform-3D有限元仿真軟件中完成仿真參數(shù)設置, 建立GH4169高溫合金變壁厚漸變錐形回轉件熱強力旋壓成形的有限元仿真模型(圖2).

圖2 熱強力旋壓成形有限元仿真模型

2 正交試驗方案設計

正交試驗設計是利用正交表科學地安排和分析多因素試驗的方法[13-14]. 考慮到各工藝參數(shù)之間的交互作用對各質量評價指標的影響, 因此采用正交試驗法.

2.1 正交表因素水平與試驗指標的選定

考慮到芯模轉速、旋壓溫度、旋輪圓角半徑和旋輪進給比可能對壁厚漸變回轉件的成形質量產(chǎn)生影響, 故選取這4個工藝參數(shù)作為影響因素, 每個因素選取4個水平進行有限元仿真模擬. 將工件整體壁厚偏差作為評價錐形回轉件成形質量好壞的指標. 試驗選取的因素水平見表1.

表1 正交試驗因素水平

2.2 試驗指標測量方法

工件整體壁厚偏差測量取點方案如圖3所示. 在成形的旋壓件錐形筒身處沿旋壓件軸線方向等距離選取20個截面, 通過有限元軟件后處理可以得到每個圓截面內外壁交點的軸坐標值, 根據(jù)內外壁交點坐標值的差, 可以得到各圓截面的實際壁厚尺寸.

圖3 工件壁厚偏差評估的圓截面布局

2.3 正交試驗方案設計

根據(jù)4因素4水平設置正交試驗[16], 正交試驗方案和結果見表2.

表2 正交試驗方案和試驗結果

表2中多設1列空列是為了避免重復試驗; 括號中數(shù)字代表因素各水平.

2.4 極差分析

對正交試驗方案表中的直線度偏差進行分析計算, 得到錐筒外表面直線度的極差結果(表3), 計算公式為:

表3 工件整體壁厚偏差的極差分析

由T的大小可以判斷因素的優(yōu)水平, 本次試驗指標為工件整體的壁厚類標準差, 指標越小, 工件整體的壁厚偏差越小, 故應選取每個因素的1、2、3、4中最小值所對應的水平. 由于A因素列2<4<3<1, 所以可以判斷A2是A因素的優(yōu)水平. 同理, 可以計算并判斷B1是B因素的優(yōu)水平, C1是C因素的優(yōu)水平, D1是D因素的優(yōu)水平. 因此, A、B、C、D的4個因素的優(yōu)水平組合為A2B1C1D1,是本試驗的最優(yōu)水平組合, 即旋壓溫度1000℃, 旋輪圓角半徑4mm, 芯模轉速240r·min-1, 旋輪進給比0.3mm·r-1時, GH4169高溫合金壁厚漸變錐形回轉件的工件整體的壁厚類標準差最小, 工件整體的壁厚偏差最小, 尺寸精度高.

極差反映了各列因素水平變動時, 試驗指標的變動幅度,值越大, 說明該因素對試驗指標的影響越大, 因此也越重要. 由表3中各因素值可知,B>A>D>C, 所以各因素對錐筒外表面直線度的影響主次順序為B、A、D、C, 即旋輪圓角半徑對工件整體壁厚偏差的影響最大, 其次是旋壓溫度, 然后是旋輪進給比, 芯模轉速對錐筒外表面直線度的影響最小.

2.5 優(yōu)化效果對比

由極差分析法得到工件整體壁厚偏差評價指標的優(yōu)化工藝參數(shù)組合方案(表2中序號17)為: 旋壓溫度1000℃, 旋輪圓角半徑4mm, 芯模轉速240 r·min-1, 旋輪進給比0.3mm·r-1. 優(yōu)化方案與原正交試驗方案的結果對比如圖4所示, 圖4中序號1~16是原正交試驗方案的仿真模擬, 序號17是工件整體壁厚偏差的優(yōu)化方案.

圖4 優(yōu)化效果對比

由圖4可知, 正交試驗方案中工件壁厚類標準差最大值為0.527mm, 最小值為0.052mm, 而優(yōu)化方案得到的工件壁厚類標準差為0.044mm, 說明采用正交試驗對工件整體壁厚偏差的工藝參數(shù)優(yōu)化效果較好, 最優(yōu)工藝參數(shù)組合具備借鑒意義.

3 旋壓實驗及分析

3.1 實驗過程

將旋輪的運動軌跡導入數(shù)控機床中并設置好芯模轉速、旋輪進給速度等工藝參數(shù), 在成形過程中用火焰噴槍對坯料和芯模進行加熱, 直至坯料溫度滿足實驗方案需求, 成形結束后將旋壓件置于常溫下冷卻, 并進行編號, 實驗過程如圖5所示.

圖5 旋壓成形實驗過程

3.2 實驗與仿真結果對比

為了驗證錐形回轉件熱強力旋壓成形有限元仿真的可靠性, 選取相同工藝參數(shù)(旋壓溫度1000℃, 旋輪圓角半徑4mm, 芯模轉速300 r·min-1, 旋輪進給比0.5mm·r-1)對比分析有限元的模擬結果與旋壓實驗件的成形質量, 仿真模擬件與實驗件如圖6所示. 從圖6可看出, 仿真模擬件和實驗件的成形大致相符.

圖6 旋壓成形仿真模擬件和實驗件

為了方便實驗件壁厚尺寸的測量, 通過線切割機沿實驗件的直徑方向切割出旋壓件的縱截面, 切割件如圖7所示.

圖7 線切割實驗件

通過帶表外卡規(guī)測量各截面的壁厚尺寸, 計算得到序號17實驗件的壁厚偏差. 工件整體壁厚偏差的實驗結果和仿真結果的對比如圖8所示(實驗件采樣點位置與仿真模擬采樣點位置相同).

從圖8可看出, 在錐筒上半部分壁厚偏差較大, 這是因為錐筒小端減薄率較大, 金屬變形量較大, 金屬流動不均勻. 此外, 旋輪開始與坯料接觸時, 受到坯料阻力較大, 旋輪會有一定的退讓量, 使得壁厚偏差較大. 工件整體壁厚偏差平均值實驗結果與仿真結果誤差為14%, 這是因為工件整體壁厚類標準差本身較小, 測量誤差以及實驗工況和仿真模擬的工況之間的差異對其影響較大. 而實驗件各采樣點壁厚偏差實驗結果和仿真模擬結果變化趨勢相同, 表明有限元仿真結果可靠.

圖8 工件各采樣點壁厚偏差實驗結果與仿真結果對比

4 結論

(1)各工藝參數(shù)對工件整體的壁厚偏差的影響主次依次為: 旋輪圓角半徑、旋壓溫度、旋輪進給比、芯模轉速; 最優(yōu)工藝參數(shù)組合為: 旋壓溫度1000℃, 旋輪圓角半徑4mm, 芯模轉速240 r·min-1, 旋輪進給比0.3mm·r-1.

(2)通過對比分析工件各采樣點壁厚偏差的實驗結果和仿真結果發(fā)現(xiàn), 兩者變化趨勢基本相同; 工件整體壁厚偏差平均值誤差為14%, 表明有限元仿真結果可靠.

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The influence of process parameters on the uniformity of wall thickness of GH4169 tapered rotary parts with gradual wall thickness

CEN Zewei1,2, SHU Xuedao1,2*, YE Bohai1,2, XU Zhenwei3

( 1.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Part Rolling Technology, Ningbo 315211, China; 3.Ningbo Xiongshi Machinery Manufacturing Co., Ltd., Ningbo 315400, China )

Using GH4169 superalloy as material, the finite element model of hot and strong spinning of tapered rotating parts with gradual wall thickness is established in Deform-3D software. Through the orthogonal test method, the order of the influence of various process parameters on the overall wall thickness deviation of the workpiece is studied and analyzed, and the optimal combination of process parameters is obtained. The results show that the influence of various process parameters on the overall wall thickness deviation of the workpiece is in the order as follows: the radius of the spinning wheel, the spinning temperature, the feed ratio of the spinning wheel, and the speed of the mandre. The optimal combination of process parameters is that the spinning temperature is 1000℃, the radius of the spinning wheel is 4mm, the speed of the mandre is 240r·min-1, and the feed ratio of the spinning wheel is 0.3mm·r-1. The hot strong spinning experiment is conducted to compare to the simulation results. The experiment results agree with the simulation results in trend. The average deviation error of the overall wall thickness is 14%, which verified the reliability of the simulation and provided a reference for the accurate forming of tapered rotary parts with gradual wall thickness.

GH4169; hot strong spinning; tapered rotary parts with gradual wall thickness; uniformity of wall thickness

TG335.19

A

1001-5132（2021）01-0033-06

2020?05?09.

寧波大學學報（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51475247）; 浙江省自然科學基金重點項目（LZ17E050001）.

岑澤偉（1995－）, 男, 浙江慈溪人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 金屬塑性成形技術. E-mail: 308221204@qq.com

束學道（1968－）, 男, 安徽舒城人, 博導/教授, 主要研究方向: 零件軋制成形技術. E-mail: shuxuedao@nbu.edu.cn

（責任編輯 史小麗）