白倩倩，王姝儼，吳道祥，劉強(qiáng)，許開春

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

飛機(jī)輪轂是飛機(jī)起落架的重要組成部件，作為飛機(jī)與地面接觸的受力部件，除了要承受飛機(jī)的重量和飛機(jī)起飛及著陸時(shí)的沖擊載荷外，還承受地面滑行及地面操縱時(shí)的各種載荷和輪胎的充氣壓力作用[1-3]。因此飛機(jī)輪轂既要保證具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，又要選用輕質(zhì)材料以降低飛機(jī)整體的重量。由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，2014鋁合金已被廣泛應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域，是非常適合用于生產(chǎn)飛機(jī)輪轂的材料[3-5]。但由于該輪轂產(chǎn)品形狀復(fù)雜，在成形過程中，難免會造成各種成形缺陷，如充填不滿、折疊等質(zhì)量問題。這類缺陷的出現(xiàn)會大大降低鍛件的力學(xué)性能，對后續(xù)鍛件的使用造成非常大的質(zhì)量及安全隱患[6-7]。因此，對該產(chǎn)品的預(yù)鍛件及坯料的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。此外，由于設(shè)備噸位的限制和從節(jié)約能源成本的角度考慮，成形載荷需要控制在合理范圍內(nèi)。

本文基于DEFORM數(shù)值模擬對某飛機(jī)輪轂的終鍛成形工藝和預(yù)鍛件形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過有限元模擬試錯(cuò)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化預(yù)鍛件設(shè)計(jì)，從而獲得相對最優(yōu)的預(yù)鍛件形狀，避免在后續(xù)試制過程中出現(xiàn)折疊、充填不滿等缺陷。

1 鍛件結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為某飛機(jī)輪轂的鍛件。該鍛件最大外形尺寸為620 mm×620 mm×136 mm，筒形最大深度為108 mm，筒壁最小處僅為21 mm，鍛件重量38 kg，體積0.013 m3。此外，該鍛件在筒形底部同時(shí)存在9個(gè)均勻分布的橢圓形凹坑，每個(gè)凹坑最小厚度僅為9 mm，屬于較為復(fù)雜的大型鋁合金鍛件。圖2為該產(chǎn)品鍛件與零件對比情況，鍛件上表面為其分模面。該右側(cè)輪轂鍛件屬于半精密成形鍛件，其非機(jī)加面較多，其余面均為少機(jī)加面。由于零件側(cè)壁與底面角度為5°，因此鍛件的拔模角也選擇5°，整個(gè)鍛件脫模方式采用頂桿頂出脫模。

圖1 終鍛件三維模型

圖2 終鍛件與機(jī)加零件對比

綜上所述，該鍛件成形主要難點(diǎn)如下：（1）筒壁較薄，成形過程中材料的流動順序和坯料的分料配比較難設(shè)計(jì)；（2）底部9個(gè)均勻分布橢圓凹坑難成形，且在鍛造過程中的連皮厚度和位置難以確定；（3）鍛件法蘭部分成形難度較大，且易出現(xiàn)折疊、充不滿等缺陷；（4）鍛件各深型腔處難以填充飽滿。

2 預(yù)鍛件的設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化

2.1 預(yù)鍛件的設(shè)計(jì)

由于該右側(cè)輪轂的終鍛形狀已經(jīng)具體確定，在輪轂成形過程中主要對預(yù)鍛件以及毛坯的形狀進(jìn)行模擬仿真及優(yōu)化，通過數(shù)值模擬得到不同設(shè)計(jì)的成形結(jié)果，利用對比結(jié)果的分析優(yōu)化坯料（預(yù)鍛件），從而通過模擬分析得到相對較好的坯料形狀。根據(jù)該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對終鍛件進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)，降低工字型高度，同時(shí)保證預(yù)鍛件體積稍大于終鍛件體積，得到不同形狀的預(yù)鍛件。

針對預(yù)鍛件設(shè)計(jì)，需要對終鍛過程進(jìn)行仿真。整個(gè)設(shè)計(jì)過程以有限元仿真軟件DEFORM的模擬仿真作為參考，通過仿真結(jié)果分析輪轂預(yù)鍛件在終鍛成形過程中的金屬流動情況、成形載荷及等效應(yīng)力、應(yīng)變分布等，從而進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)鍛件。在對終鍛過程進(jìn)行模擬仿真時(shí)需要建立輪轂?zāi)ｅ懠尚斡邢拊M模型，其成形模擬工藝參數(shù)如表1所示。

表1 模擬工藝參數(shù)

由于數(shù)值模擬只是將鍛件設(shè)計(jì)的試錯(cuò)過程從實(shí)際生產(chǎn)提前到了鍛件設(shè)計(jì)過程中，在得到最優(yōu)的鍛件前無可避免地會經(jīng)過多次迭代優(yōu)化。在對預(yù)鍛件的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行說明時(shí)不可能將所有的試錯(cuò)過程一一進(jìn)行論述，故在此輪轂預(yù)鍛件的設(shè)計(jì)中只對其中三階段鍛件進(jìn)行說明。

2.2 第一階段預(yù)鍛件設(shè)計(jì)

表2為該類預(yù)鍛件形狀、尺寸及體積參數(shù)，主要設(shè)計(jì)思路為保證鍛件在終鍛時(shí)底面中心金屬能在合模前剛好完全填充終鍛模具，同時(shí)在終鍛時(shí)能較好地定位。由于有較高、較薄的筒壁存在，下側(cè)金屬無法通過金屬流動向飛邊排出，必須在預(yù)鍛件設(shè)計(jì)時(shí)精確控制材料的體積，同時(shí)填充順序盡量合理。

表2 第一階段預(yù)鍛件主要參數(shù)

根據(jù)該類預(yù)鍛件的設(shè)計(jì)原則，對于其中金屬體積稍大于所確定的終鍛件體積，其結(jié)構(gòu)采用仿形方法，在大體外形和終鍛件相似的情況下盡量簡化。由于坯料均為對稱結(jié)構(gòu)，為縮短有限元模擬時(shí)間采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算，成形結(jié)果如圖3所示。

圖3 第一階段預(yù)鍛件的終鍛成形過程

分析該終鍛成形過程，可以直觀地觀察到坯料在成形過程中的變形情況，同時(shí)能清楚地了解到金屬在成形過程中的填充順序。分析第一階段預(yù)鍛件的成形，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍛件工字形結(jié)構(gòu)上側(cè)和法蘭充滿時(shí)，工字形下側(cè)有較大部分未充滿。整個(gè)金屬填充順序?yàn)椋荷喜糠ㄌm→工字形上側(cè)→工字形下側(cè)，說明這樣的填充順序不合理。同時(shí)當(dāng)上端法蘭填充完成時(shí)，工字型結(jié)構(gòu)并沒有完成填充，模擬結(jié)束后鍛件并沒有完全成形，需要進(jìn)一步優(yōu)化。由圖4（a）可知，整個(gè)鍛件存在“缺肉”情況，成形載荷達(dá)到9.2 kt，載荷較小。具體成形結(jié)果如圖4所示。

圖4 第一階段鍛件成形情況

圖5鍛件成形的應(yīng)力應(yīng)變場分布

圖5 為鍛件成形結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力與等效應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出，在鍛件中部（筒形結(jié)構(gòu)）等效應(yīng)力與應(yīng)變都較小，在上部9個(gè)凸耳和法蘭處以及下側(cè)工字形結(jié)構(gòu)處等效應(yīng)力應(yīng)變較大。這和鍛造工藝設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)想的相同。由于筒形結(jié)構(gòu)在第一次毛壓時(shí)已經(jīng)成形，預(yù)鍛過程只是對上部的凸耳以及下部的工字形部分成形，所以在成形結(jié)束時(shí)，變形量較大的地方等效應(yīng)力和應(yīng)變也較大。

2.3 第二階段預(yù)鍛件設(shè)計(jì)

根據(jù)第一階段預(yù)鍛件在終鍛時(shí)存在的問題，對鍛件進(jìn)一步優(yōu)化。主要修改思路為：增加心部工字形下側(cè)金屬量，減少上側(cè)金屬量，使其填充順序更加趨于合理；同時(shí)，增加金屬體積，使鍛件下側(cè)中心在填充時(shí)無多余金屬，保證同時(shí)填充完整。該類鍛件的尺寸見表3，成形過程如圖6所示。

圖6 第二階段預(yù)鍛件的終鍛成形過程

表3 第二階段預(yù)鍛件主要參數(shù)

此類鍛件設(shè)計(jì)主要在前幾次成形結(jié)果下優(yōu)化而得。相較于第一種預(yù)鍛件，此類鍛件主要改變了預(yù)鍛件的總體積以及在工字型結(jié)構(gòu)處的金屬分布。分析此類預(yù)鍛件的成形過程，其金屬填充順序大致先是底部工字型下側(cè)，然后是工字型上側(cè)和上端翻邊基本同時(shí)成形。鍛件成形時(shí)，金屬流動較為合理，相較第一階段預(yù)鍛件的終鍛成形有了較大改善，其具體成形結(jié)果如圖7所示。

圖7 第二階段鍛件成形情況

由圖7分析可知，當(dāng)預(yù)鍛件為第二階段形狀時(shí)，成形結(jié)果填充較為飽滿。此時(shí)壓機(jī)載荷也相應(yīng)增大，相較于第一階段預(yù)鍛，整個(gè)成形載荷上升至16 kt。觀察成形得到的終鍛件飛邊，可以看出，飛邊較小，較為均勻。

該類預(yù)鍛件在成形過后的等效應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。對比之前的等效應(yīng)力應(yīng)變情況，發(fā)現(xiàn)其分布趨勢和之前基本相同，只是在上部9個(gè)凸耳區(qū)域的等效應(yīng)力應(yīng)變較大。其原因在于修改后預(yù)鍛件在成形結(jié)束后完全充滿，金屬的變形程度有所增加。

圖8 鍛件等效應(yīng)力應(yīng)變情況

2.4 第三階段預(yù)鍛件設(shè)計(jì)

根據(jù)第二階段預(yù)鍛件在終鍛時(shí)的缺點(diǎn)，繼續(xù)對鍛件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，主要修改思路為重新分配預(yù)鍛件底部中心金屬，使得鍛件內(nèi)部工字型上側(cè)側(cè)筋條、鍛件底部外圈凸臺及上側(cè)法蘭這三個(gè)部位能同時(shí)充滿；同時(shí)，控制金屬體積，使鍛件下側(cè)中心在填充時(shí)無多余金屬。其鍛件尺寸如表4所示。

表4 第三階段預(yù)鍛件主要參數(shù)

在圖9所示的成形過程中，該類預(yù)鍛件下端工字型結(jié)構(gòu)上、下側(cè)分布比較均勻。由此成形過程中，使得這三部分的金屬同時(shí)填充，填充順序更加合理。最終成形結(jié)果見圖10。

圖9 第三階段預(yù)鍛件的終鍛成形過程

圖10 第三階段鍛件成形情況

針對預(yù)鍛件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得終鍛后鍛件飛邊不至于過小且鍛件完全充滿，不存在折疊等缺陷，成形載荷約18 kt。其鍛件應(yīng)力應(yīng)變場分布如圖11所示。

從圖11可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)成形過程中，應(yīng)力應(yīng)變變動范圍數(shù)值較小，成形過程中金屬填充順序也較合理。同時(shí)載荷較小，整個(gè)成形較為令人滿意。

圖11 鍛件應(yīng)力應(yīng)變分布

通過設(shè)計(jì)得到了最終的預(yù)鍛件形狀，其與終鍛件的對比見圖12。預(yù)鍛件的最終確定考慮了金屬填充順序。與終鍛件相比，第三階段預(yù)鍛件在筒形底部更加簡單，整體外形也更加簡單，降低了終鍛成形難度以及終鍛成形載荷。

圖12 預(yù)鍛件與終鍛件對比

3 結(jié)論

基于DEFORM有限元數(shù)值模擬軟件對某飛機(jī)輪轂鍛件的終鍛成形過程進(jìn)行了仿真分析，設(shè)計(jì)提出了三種階段預(yù)鍛件形狀。

（1）通過建立仿真模型，從鍛件充填情況上分析對比，重點(diǎn)分配預(yù)鍛件底部中心金屬，當(dāng)鍛件內(nèi)部呈工字型結(jié)構(gòu)時(shí)終鍛件具有較好的充填順序且充填結(jié)果最好。

（2）通過建立仿真模型，分析成形載荷、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力等參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)鍛件結(jié)構(gòu)，當(dāng)預(yù)鍛件內(nèi)部呈工字型結(jié)構(gòu)時(shí)成形載荷因?yàn)榻K鍛件的填充完整有較小的提升，等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分布均勻合理。