蔡 晉，楊 明，李炆芮，楊 踴，石曉東

(1.沈陽航空航天大學 航空宇航學院，沈陽 110136；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 鈑焊加工廠，沈陽 110043)

由于航空發(fā)動機燃燒室帽罩在高溫、高壓、高氧化的環(huán)境下工作，因此對材料強度、耐高溫性能有較高的要求，需要能滿足復雜惡劣工況環(huán)境下的高強度材料來保證部件的服役安全，多采用鎳基合金等高溫合金材料[1-2]。GH536是添加鈷和鎢的高溫合金材料，在900 ℃以下具有中等的持久強度和蠕變強度，熱加工溫度范圍為1 100～1 200 ℃，可在900℃下長期工作，瞬時工作溫度高達1 080 ℃[3-4]。GH536在高溫下不僅具有高強度及抗氧化性，同時還具有優(yōu)異的抗應力腐蝕開裂能力[5-6]。航空發(fā)動機燃燒室帽罩具有復雜的薄壁曲面，在對某型GH536高溫合金燃燒室帽罩進行翻孔成形時，由于材料的低塑性、變形抗力大、成形應力分布不均勻等特點，常會出現(xiàn)邊緣破裂問題，不易控制薄壁曲面翻邊成形精度，導致產品的一致性難以得到保證[7]。通常先在金屬板上打一個預定大小的小孔，然后用較大直徑的沖頭強行通過該孔，以凸緣的形式進行翻孔成形[8-10]。使用數(shù)值模擬分析能夠較為準確地計算材料在沖壓成形中的流動情況，從而準確地得出其應力分布情況，為生產加工中制定工藝參數(shù)方案提供了可靠的依據[11-13]。本文主要針對GH536高溫合金帽罩翻邊成形過程中的應力應變分布狀態(tài)進行工藝參數(shù)探究，研究不同的凸模進給速度及摩擦因素對翻邊成形過程中應力及塑性應變分布的影響，并給出相應的工藝參數(shù)調整建議。

1 成形問題分析

GH536燃燒室帽罩具有大尺寸薄壁復雜曲面、高拉深比環(huán)形凸起結構以及高強度、低塑性等材料特征。帽罩環(huán)形凸起翻邊需求區(qū)域孔型復雜，具有小尺寸特征前緣，使翻邊成形難度增大,同時具有加工硬化顯著、變形抗力大等特點。在翻邊成形過程中，帽罩內、外型面及翻邊異形孔前緣處易出現(xiàn)應力、塑性應變及壁厚分布不均勻等情況，易使局部區(qū)域產生褶皺以及過度變形引起的破裂缺陷等問題。在凸模形狀與合模方式一定的情況下，凸模進給速度及摩擦因素對翻邊成形過程中褶皺及破裂等缺陷的影響較顯著。因此通過研究不同的凸模進給速度及摩擦因素對應力、塑性應變分布的影響，分析并給出翻邊成形過程中凸模進給速度及摩擦因素的調整建議，研究路線如圖1所示。

圖1 GH536燃燒室帽罩成形問題及研究路線圖

2 有限元模型

2.1 成形零件材料

由于GH536具有良好的高溫抗氧化能力和耐腐蝕性，所以廣泛應用于航空發(fā)動機燃燒室等復雜高溫高壓環(huán)境中，GH536的化學成分如表1所示。

表1 GH536化學成分 %

GH536高溫鎳基合金帽罩翻邊成形是一種強烈的塑性成形過程。成形過程中，材料的屈服極限在不同的應變速率下將發(fā)生改變。GH536高溫鎳基合金材料的塑性參數(shù)采用Johnson-Cook模型[14]，屈服極限見式(1)

(1)

表2 GH536高溫合金Johnson-Cook本構模型參數(shù)

2.2 有限元模型的建立

圖2為帽罩翻邊成形裝配模型主觀圖，圖3為帽罩目標翻邊成形示意圖。建立3組帽罩翻邊成形有限元模型，針對帽罩環(huán)形凸起區(qū)域及翻邊異形孔區(qū)域的基本特征，建立凸模及上下模運動系統(tǒng)。翻邊成形過程中，凸模及上下模在y軸方向移動，模具在剛體約束的條件下，設置運動條件，下模采用完全固定約束方式，在初始合模運動的過程中，上模設置初始速度5 m/s，沿堅直方向向下運動，凸模在合模后開始沿圖2箭頭方向做直線進給運動，帽罩坯料在上下模中部位置，對帽罩內外法蘭區(qū)域設置y方向位移約束，x與z方向為自由約束。不限制帽罩翻邊過程中向x、z方向延伸的塑性變形，重點研究異形孔翻邊區(qū)域的應力及變形特征，在摩擦系數(shù)為0.15的情況下，凸模進給速度分別設置為15、2 m/s，目的是分析比較不同凸模進給速度對帽罩異形孔翻邊成形區(qū)域應力應變場分布的影響。與劉志云等[16]基于應力應變分析優(yōu)化翻邊成形工藝參數(shù)的方法一致，在凸模進給速度設置為2 m/s的情況下，分析比較摩擦系數(shù)分別為0.15、0.08時帽罩成形區(qū)域整體應力場及應變場分布的影響。帽罩半徑為465 mm，板料厚度為1.2 mm，其中凸模及環(huán)形凸起區(qū)域上下模采用剛性殼單元劃分，帽罩成形區(qū)域采用變形殼單元劃分。

圖2 帽罩翻邊成形裝配模型主視圖

圖3 帽罩目標翻邊成形示意圖

3 GH536帽罩翻邊成形特性有限元數(shù)值模擬分析

3.1 凸模進給速度對GH536帽罩翻邊成形應力場的影響分析

圖4a與圖4b分別為GH536帽罩環(huán)形凸起底部與異形孔局部翻邊區(qū)域初始成形應力分布情況。殘余應力分布結果顯示，帽罩整體沿凸模進給方向產生較大的變形，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域在異形孔相接區(qū)域產生較大的擴孔變形，環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域應力場均值較高。將帽罩整體應力水平分為3個部分，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域(除異形孔區(qū)域)為中等應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與翻邊異形孔連接區(qū)域為高應力區(qū)。低應力區(qū)平均應力范圍為60～140 MPa，中等應力區(qū)平均應力范圍為135～255 MPa，高應力區(qū)平均應力范圍為420～580 MPa。與盧險峰等[17]翻邊成形應力場研究中底部圓角與口部邊緣的應力差異一致，低應力區(qū)與高應力區(qū)平均應力相差約300 MPa，變形比例以高應力區(qū)為主要區(qū)域，受凸?？焖龠M給運動的影響，變形程度較高，異形孔前緣局部區(qū)域呈破損狀態(tài)，孔翻邊程度不明顯，需降低凸模進給速度，增加凸模過渡區(qū)域與異形孔邊緣的接觸時間，提高翻邊成形質量。

圖4 帽罩初始翻邊成形應力場分布狀態(tài)(凸模進給速度15 m/s)

圖5a與圖5b分別為優(yōu)化凸模進給速度后(凸模進給速度2 m/s)GH536帽罩環(huán)形凸起底部與異形孔局部翻邊區(qū)域應力分布情況。殘余應力分布結果顯示，環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域應力場均值較高。但應力場分布表明，在帽罩相同位置下，與初始模型相比，應力場整體降低，模型整體變形應力均勻性提高。將帽罩整體應力水平分為3個部分，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域(除異形孔區(qū)域)為中等應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與翻邊異形孔連接區(qū)域為高應力區(qū)。低應力區(qū)平均應力范圍為30～85 MPa，中等應力區(qū)平均應力范圍為90～160 MPa，高應力區(qū)平均應力范圍為360～550 MPa，帽罩相同位置應力分布整體呈下降趨勢，低應力區(qū)平均降低30 MPa,中等應力區(qū)平均降低60 MPa,高應力區(qū)平均降低50 MPa，局部較大程度變形同樣以高應力區(qū)域為主。在初始模型中，受凸模及壓邊影響，變形程度較高，異形孔前緣局部出現(xiàn)破裂。應力場結果表明，改變凸模進給速度后，變形程度得到明顯緩解，降低了高應力區(qū)由于壁厚減薄程度過高而引發(fā)破裂的風險，異形孔前緣局部區(qū)域仍存在部分高應力分布，使異形孔前緣產生塑性變形的局部區(qū)域變形程度較大。

3.2 摩擦因素對GH536帽罩翻邊成形應力分布的影響分析

圖6a與圖6b分別為GH536帽罩翻邊成形摩擦系數(shù)由0.15調整為0.08后整體與異形孔局部的應力分布情況。相比圖5中帽罩整體的應力狀態(tài)，優(yōu)化后帽罩整體成形應力均勻性增加，表明摩擦系數(shù)與其他工藝參數(shù)的配合顯著提高了帽罩環(huán)形凸起區(qū)域異形孔翻邊成形的精度。應力分布結果顯示，環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域應力場均值較高，摩擦系數(shù)的減小，降低了孔翻邊成形過程中切應力的分布。在帽罩相同位置下，與優(yōu)化前模型相比，應力場整體降低，表明模型整體變形應力均勻性提高。將帽罩整體應力水平分為3個部分，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域(除異形孔區(qū)域)為中等應力區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與翻邊異形孔連接區(qū)域為高應力區(qū)。低應力區(qū)平均應力范圍為55～72 MPa，中等應力區(qū)平均應力范圍為115～140 MPa，高應力區(qū)平均應力范圍為330～350 MPa，帽罩相同位置應力分布整體呈下降趨勢，低應力區(qū)與中等應力區(qū)平均降低30 MPa、高應力區(qū)平均降低100 MPa。降低摩擦系數(shù)后，變形程度得到明顯緩解，優(yōu)化前模型中由于翻邊異形孔前緣接觸摩擦效應較高，凸模寬體部分進給經過帽罩異形孔時，凸模過渡段對帽罩異形孔區(qū)施加較高的切應力，使異形孔前緣處于過高的應力狀態(tài)。優(yōu)化后應力場分布結果顯示，異形孔翻邊成形后整體應力分布較均勻，每個應力區(qū)域的應力離散度較小，符合翻邊成形應力場均勻性要求。

圖5 優(yōu)化后帽罩翻邊成形應力場分布狀態(tài)(凸模進給速度2 m/s)

圖6 帽罩翻邊成形應力場分布狀態(tài)(凸模進給速度2 m/s，摩擦系數(shù)0.08)

3.3 GH536帽罩翻邊成形塑性應變分布情況綜合分析

圖7a與圖7b分別為優(yōu)化凸模進給速度與摩擦因素前GH536帽罩整體與異形孔局部區(qū)域塑性應變分布情況。塑性應變分布結果顯示，環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域塑性應變場均值較高，整體塑性應變分布受擴孔影響，較壓邊力優(yōu)化模型環(huán)形凸起區(qū)域塑性應變有提高的趨勢?？蓪⒚闭终w塑性應變分為3個部分，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應變區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域(除異形孔區(qū)域)為中等應變區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與翻邊異形孔連接區(qū)域為高應變區(qū)。低應變區(qū)平均應變范圍為0.03～0.06，中等應變區(qū)平均應變范圍為0.06～0.4，高應變區(qū)平均應變范圍為大于0.4。與圖7b相比，模型塑性應變整體呈上升趨勢，中等應變與高應變區(qū)域基本集中分布在帽罩環(huán)形凸起區(qū)域異形孔周邊部分，局部異形孔前緣產生較高的應變分布。由于凸模進給速度過高，翻邊變形不明顯，塑性變形沿異形孔周圍發(fā)生擴孔變形，異形孔間塑性應變較高，整體環(huán)形凸起區(qū)域向翻邊方向發(fā)生塑性變形，不符合翻邊區(qū)域成形要求。

圖7 帽罩翻邊成形應變場分布狀態(tài)(凸模進給速度15 m/s，摩擦系數(shù)0.15)

圖8a與圖8b分別為優(yōu)化凸模進給速度與摩擦因素后GH536帽罩整體與翻邊局部區(qū)域的塑性應變分布情況。塑性應變分布結果顯示，與應力場分布結果及初始模型應變分布規(guī)律相似，環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域塑性應變場均值較高。可將帽罩整體塑性應變分為3個部分，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應變區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域(除異形孔區(qū)域)為中等應變區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與翻邊異形孔連接區(qū)域為高應變區(qū)。低應變區(qū)平均應力范圍為0.02～0.04，中等應變區(qū)平均應力范圍為0.04～0.1，高應變區(qū)平均應力范圍為0.1～0.4。與初始模型塑性應變場相比，相同區(qū)域優(yōu)化后模型塑性應變整體呈下降趨勢，雖然低應變區(qū)域塑性應變較小，但變形不均的特征情況有所減少，中等應變與高應變區(qū)域基本集中分布在帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與異形孔周邊部分。與優(yōu)化前相比，異形孔前緣塑性變形均勻性提高，翻邊區(qū)域整體應變均勻性較初始模型有明顯提高，在該組凸模進給速度、摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)下，塑性應變場基本符合翻邊成形要求。

圖8 帽罩翻邊成形應變場分布狀態(tài)(凸模進給速度2 m/s，摩擦系數(shù)0.08)

4 結論

(1)在帽罩翻邊成形過程中，凸模進給速度過高，環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域產生較高的應力場均值，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域在異形孔相接區(qū)域產生較大的擴孔變形，變形程度較高，異形孔翻邊成形不明顯，需降低凸模進給速度，增加凸模過渡區(qū)域與異形孔邊緣的接觸時間，以提高翻邊成形質量。

(2)對于具有復雜異形孔的環(huán)形帽罩翻邊成形，翻邊異形孔前緣接觸摩擦效應較高，使凸模寬體部分進給經過帽罩異形孔時，帽罩異形孔區(qū)域周邊產生較高的切應力，導致異形孔前緣處于過高的應力狀態(tài)，使局部區(qū)域產生褶皺等變形。降低摩擦系數(shù)后，異形孔翻邊成形整體應力分布較均勻，整體應力區(qū)域應力離散度較小，符合翻邊成形應力場均勻性要求。

(3)環(huán)形凸起與翻邊異形孔連接區(qū)域塑性應變場均值相對較高，與應力場極值分布范圍相對應，法蘭及帽罩中心區(qū)域為低應變區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域(除異形孔區(qū)域)為中等應變區(qū)，帽罩環(huán)形凸起區(qū)域與翻邊異形孔連接區(qū)域為高應變區(qū)。

(4)在帽罩翻邊成形過程中，凸模進給速度過高，翻邊塑性成形不明顯，塑性變形沿異形孔周圍發(fā)生擴孔變形，異形孔間塑性應變較高，整體環(huán)形凸起區(qū)域沿翻邊方向發(fā)生塑性變形。降低凸模進給速度可以使塑性應變整體呈下降趨勢，且變形不均情況減少，中等應變與高應變區(qū)域基本集中分布在帽罩環(huán)形凸起區(qū)域異形孔周邊部分，異形孔前緣塑性變形均勻性有所提高。