文/李治華·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 曾衛(wèi)東·西北工業(yè)大學(xué)

隨著航空、航天等高科技領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對航空、航天鍛件的先進(jìn)塑性加工技術(shù)提出了越來越高的要求。然而，航空、航天鍛件的塑性變形特點(diǎn)是幾何非線性、材料非線性和邊界非線性，過程復(fù)雜影響因素多。在傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)中，是基于經(jīng)驗(yàn)反復(fù)試錯(cuò)糾正，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這種方法帶來的影響是研制周期長、效率低、成本高。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在減少試模過程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的工藝準(zhǔn)備階段，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化工藝方案和工藝參數(shù)，避免缺陷的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)值模擬技術(shù)已成為使塑性加工由“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”、由“定性”走向“定量”的橋梁，并逐漸成為塑性加工技術(shù)研究和發(fā)展的強(qiáng)有力工具。

40CrNiMoА 鋼是一種優(yōu)良的低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，有良好的室溫強(qiáng)度、塑性以及淬透性，廣泛應(yīng)用于航空、汽車等領(lǐng)域。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用40CrNiMoА 主推力節(jié)整體結(jié)構(gòu)為有一定彎曲角度的薄壁鍛件，包括多個(gè)異面凸臺(tái)和與凸臺(tái)相連接的筋板，屬于高筋薄壁的復(fù)雜零件，在鍛造成形過程中容易出現(xiàn)充不滿、折疊等缺陷。為防止鍛件在成形過程中產(chǎn)生缺陷，我們利用Deform-3D 數(shù)值模擬仿真軟件對40CrNiMoА 主推力節(jié)鍛造成形過程，進(jìn)行三維有限元模擬，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)鍛件成形過程的金屬流動(dòng)，分析溫度場和應(yīng)變場的分布規(guī)律，預(yù)測鍛件的折疊和充不滿等成形缺陷，從而為工藝設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。

有限元模擬條件

初始條件設(shè)定

根據(jù)模具設(shè)計(jì)得到的結(jié)果，應(yīng)用繪圖軟件UG 對模具和坯料進(jìn)行三維實(shí)體造型，將圖形以STL 格式保存，導(dǎo)入Deform-3D 前處理器。主推力節(jié)鍛造過程模擬的有限元模型，如圖1 所示。

材料定義

在材料成形過程中，模具一般只發(fā)生微小的彈性變形，本文將模具設(shè)置為剛體，鍛件的材料設(shè)定為40CrNiMoА。

模擬參數(shù)的設(shè)定

圖1 主推力節(jié)鍛件模擬模型

鍛造過程模擬參數(shù)包括工/模具材料、模具預(yù)熱溫度、鍛造溫度、鍛造速度和摩擦條件等。為了保證幾何模型的離散和計(jì)算精度，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行幾何體的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的大小對有限元模擬的精度和效率有很大影響，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算精度越高，但計(jì)算時(shí)間相對較長，網(wǎng)格劃分太粗，計(jì)算精度不高，且無法獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，本文選用的網(wǎng)格大小為1.03mm。主推力節(jié)是一個(gè)左右完全對稱的鍛件，為了減少模擬計(jì)算時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的同時(shí)，取主推力節(jié)的二分之一進(jìn)行模擬，按對稱性邊界條件進(jìn)行設(shè)定。實(shí)際模擬過程工藝參數(shù)設(shè)定見表1。

有限元模擬結(jié)果與分析

利用Deform-3D 的后處理功能，可以直觀地觀察到在變形過程中鍛件的外形、內(nèi)部的溫度場、等效應(yīng)力場、等效塑性應(yīng)變場和等效應(yīng)變速率場等各種場變量的變化情況，從而對整個(gè)成形過程進(jìn)行分析，預(yù)測缺陷的產(chǎn)生。圖2 為主推力節(jié)模擬所采用的上、下模具和坯料的幾何形狀。坯料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為外形近似梯形，上底面為平面，根據(jù)鍛件不同部位結(jié)構(gòu)的特征，在下底面設(shè)有高低不同的臺(tái)階，保證鍛件的最終成形。

圖3 為40CrNiMoА 主推力節(jié)在成形過程中形狀的變化。從圖中可以看出，當(dāng)上模向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，下模首先與坯料大端最高的臺(tái)階接觸，壓出了中間三道和邊緣兩道筋的痕跡，但因?yàn)橹慌c最高的臺(tái)階接觸，長度很短，如圖3(b)所示。隨著變形的進(jìn)行，坯料大端的五道筋逐步充填、變長，下模接觸坯料的中間和小端臺(tái)階，中間和小端凸臺(tái)開始成形，如圖3(с)所示。上模繼續(xù)下壓，坯料大端的五道筋充填的同時(shí)，金屬向中間凸臺(tái)擠壓，使中間和小端凸臺(tái)逐步充填成形，形成了一定的毛邊，如圖3(d)所示。毛邊形成后阻礙金屬向外流動(dòng)，有助于向凸臺(tái)、筋部等型腔深處充填。從整個(gè)成形過程可以看出：坯料在成形過程中充填性能良好，筋部和凸臺(tái)能夠完全充滿，無折疊、毛邊均勻，表明主推力節(jié)成形工藝是合理的。但鍛件部分毛邊有點(diǎn)偏大，建議在保證成形質(zhì)量的同時(shí)，對坯料的形狀和重量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

表1 主推力節(jié)鍛件模擬過程參數(shù)

圖2 主推力節(jié)的上、下模具和坯料的幾何形狀

圖3 主推力節(jié)在成形過程中的形狀變化

圖4 為主推力節(jié)成形過程溫度場分布情況。從圖中可以看出，變形到555 步時(shí)，由于模具最先與坯料大端臺(tái)階接觸，導(dǎo)致局部溫度下降，坯料小端和中間凸臺(tái)接觸時(shí)間較晚，溫度有所下降但比坯料大端下降少，其余沒有與模具接觸的地方只能通過與環(huán)境的輻射和對流傳熱，熱量散失少，溫度下降很少。隨著變形繼續(xù)進(jìn)行，坯料本體的溫度下降，但溫度分布的大體趨勢沒有變，即坯料大端溫度最低。650 步時(shí)開始形成毛邊，由于3t 模鍛錘成形速度很快，毛邊橋部又很窄，多余的金屬從毛邊劇烈擠出，產(chǎn)生的變形熱使毛邊出現(xiàn)了瞬時(shí)的溫升。由于毛邊很薄，又與溫度較低的模具接觸，所以其熱量會(huì)迅速傳遞給模具。

圖4 主推力節(jié)成形過程溫度場分布

圖5 主推力節(jié)成形過程的等效應(yīng)變場分布

圖5 為主推力節(jié)成形過程的等效應(yīng)變分布。從圖中可以看出，應(yīng)變隨著變形的進(jìn)行不斷增大。在成形過程中，上模先與坯料大端臺(tái)階接觸，此時(shí)坯料大端應(yīng)變最大，隨著變形繼續(xù)進(jìn)行，坯料小端和中間凸臺(tái)逐步成形，局部應(yīng)變增大，毛邊形成以后毛邊處的等效應(yīng)變最大。從等效應(yīng)變分布來看，除了毛邊的等效應(yīng)變最大外，鍛件本體大端的圓柱形凸臺(tái)附近等效應(yīng)變最大，其次是筋與腹板的交接處，腹板上的等效應(yīng)變最低。高筋薄壁的特點(diǎn)決定了局部的塑性應(yīng)變會(huì)比較大。

結(jié)束語

本文通過對40CrNiMoА 主推力節(jié)的鍛造成形過程進(jìn)行模擬，分析了金屬流動(dòng)、溫度場和應(yīng)變場等變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)主推力節(jié)成形過程順利，效果較好，說明鍛造工藝制定合理。成形后鍛件的毛邊稍大，可適當(dāng)通過調(diào)整坯料的大小來進(jìn)行改善。