大型座艙骨架整體成形有限元模擬及實(shí)驗(yàn)研究

孫前江 王高潮 黃映霞

南昌航空大學(xué)，南昌，330063

0 引言

鍛造成形是金屬塑性成形工藝的重要組成部分。由于鍛件的形狀、尺寸穩(wěn)定，具有良好的綜合力學(xué)性能和機(jī)械性能，纖維組織合理，材料利用率高，因此鍛造成形在機(jī)械、冶金、航空、航天、兵器及其他工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1－2]。但是鍛造成形屬于三維非穩(wěn)態(tài)塑性成形，在成形過(guò)程中既存在材料非線性，又存在幾何非線性，同時(shí)還存在邊界條件非線性，變形機(jī)制十分復(fù)雜[3－4]。文獻(xiàn)[3-6]采用有限元方法對(duì)曲軸等復(fù)雜鍛件的鍛造過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，解決了鍛造成形過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。由于座艙骨架零件尺寸較大，鍛件的整體成形對(duì)模具結(jié)構(gòu)及鍛造設(shè)備都提出了較高的要求，因此目前國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)座艙骨架的整體成形的研究還未見(jiàn)諸報(bào)道。為了研究大型鋁合金座艙骨架整體鍛造成形的變形機(jī)制及特點(diǎn)，本文采用剛塑性有限元軟件 DEFORM－3D[7－8]，對(duì)該鍛件的整體成形進(jìn)行三維有限元模擬[9]。另外，為驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果的可靠性，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)該鍛件的鍛造過(guò)程進(jìn)行了研究。

1 成形方案設(shè)計(jì)

飛機(jī)座艙骨架零件結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其材料為L(zhǎng)D5鋁合金。該零件整體尺寸較大，長(zhǎng)度約為3m，寬度約為1m，并有3個(gè)不同高度的曲面弧框，因此整體成形相對(duì)比較困難。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方案是將座艙骨架分成5個(gè)獨(dú)立的零件，分別對(duì)其進(jìn)行鍛造、機(jī)械加工和熱處理，最后對(duì)5個(gè)零件進(jìn)行裝配以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種工藝不僅繁雜，并且零件的整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度難以保證。為了消除傳統(tǒng)工藝的弊端并提高座艙骨架零件的整體性能，擬采用整體鍛造的方法實(shí)現(xiàn)該零件的成形，最后對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工。鍛件的設(shè)計(jì)直接影響模具結(jié)構(gòu)及零件質(zhì)量，本文針對(duì)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合大型鍛件的鍛造工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了座艙骨架鍛件，如圖1b所示。由于鍛件的尺寸較大，因此鍛造模具和坯料尺寸相應(yīng)較大，并且鍛件成形也需要較大的鍛造載荷。為了減小鍛造載荷、降低模具和零件的加工難度并節(jié)約成本，模具和坯料的初始設(shè)計(jì)方案分別如圖2、圖3所示。圖2中，凸模和凹模均設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu)，用于成形鍛件的前弧框、中弧框和后弧框的凸模和凹模分別加工后，再組裝到模板上。圖3中，坯料上設(shè)計(jì)有兩個(gè)不規(guī)則的孔。

圖1 座艙骨架零件及鍛件圖

圖2 模具初始結(jié)構(gòu)

圖3 坯料

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬條件設(shè)定

為了真實(shí)地反映實(shí)際的工作條件，模擬時(shí)采用的模具材料為45鋼，坯料為L(zhǎng)D5鋁合金（化學(xué)成分如表1所示），該合金在高溫下變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可知，LD5鋁合金在熱鍛過(guò)程中對(duì)應(yīng)變速率非常敏感，當(dāng)應(yīng)變速率從0.1s－1增加到10s－1時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力增加了近1倍，這表示變形速度或應(yīng)變速率越大，LD5鋁合金在成形過(guò)程中的變形抗力越大，結(jié)合水壓機(jī)的工作特點(diǎn)，本文將凸模的運(yùn)行速度設(shè)定為80mm／s。

表1 LD5鋁合金化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖4 LD5鋁合金應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)LD5鋁合金的鍛造工藝特點(diǎn)，將坯料的始鍛溫度設(shè)定為440℃，將模具預(yù)熱溫度設(shè)定為180℃，模擬過(guò)程中不考慮模具的變形，假定模具為剛體，邊界條件中的摩擦模型采用常剪應(yīng)力摩擦，模具與坯料之間的摩擦因數(shù)取0.4。坯料的網(wǎng)格單元采用四面體單元，總共劃分了50 000個(gè)單元。

2.2 模擬和分析

為了研究初始設(shè)計(jì)方案的合理性，首先對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分別如圖5a、圖5b所示。由圖5a、圖5b可知，鍛件底部坯料沿著凹模上端面向兩側(cè)流動(dòng)，并發(fā)生嚴(yán)重變形。嚴(yán)重變形的主要原因是，初始方案中的凹模深度過(guò)小，鍛件各弧框部位坯料充滿凹模后，坯料無(wú)法繼續(xù)向下流動(dòng)，因此鍛件底部坯料與凸模的固定板接觸后開(kāi)始向兩側(cè)流動(dòng)，并隨凸模的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生劇烈變形。分析等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分布圖可知，坯料嚴(yán)重變形處的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力均出現(xiàn)了較大值，圖5a中最大等效應(yīng)變接近4.0。另外，隨著坯料逐漸減薄，變形抗力逐漸增大，坯料畸變處最大等效應(yīng)力約為100MPa，變形越來(lái)越困難，因此載荷隨著行程的增加而增大，最大變形載荷達(dá)到了173MN，如圖5c所示。因此，由模擬結(jié)果分析可知，初始設(shè)計(jì)方案不合理，其既不能保證鍛件的質(zhì)量，也不利于鍛壓設(shè)備的選擇。

初始設(shè)計(jì)方案不合理，需要進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。上述模擬結(jié)果主要是由不合理的模具結(jié)構(gòu)所致，因此首先對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)鍛件的特點(diǎn)將凹模的深度增加100mm，并將后弧框成形凹模增寬240mm，優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)如

圖5 初始設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果

圖6所示。坯料繼續(xù)采用初始方案中的結(jié)構(gòu)。凸模行程為500mm時(shí)，變形坯料表面光滑，未出現(xiàn)任何缺陷，表明此時(shí)坯料流動(dòng)合理，如圖7a所示；當(dāng)凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)至700mm時(shí)，鍛件的兩側(cè)變形不一致，左側(cè)面已基本彎曲成形，右側(cè)面僅部分彎曲成形（主要是前弧框和中弧框部位），如圖7b所示；當(dāng)凸模下行至960mm時(shí)，坯料開(kāi)始出現(xiàn)缺陷（后弧框兩側(cè)有坯料向外流動(dòng)并發(fā)生變形，前弧框部位的底邊也有輕微變形），如圖7c所示；圖7d所示為最終成形的鍛件，此時(shí)各弧框已完全成形，未出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象，但是后弧框兩側(cè)的坯料有折疊缺陷產(chǎn)生。

圖6 優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)

分析模擬結(jié)果可知，坯料上的缺陷主要集中在后弧框兩側(cè)，并且坯料向兩側(cè)流動(dòng)。由圖7d可知，凸模行程為1000mm時(shí)，后弧框已完全成形，隨著凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，坯料受壓后向兩側(cè)流動(dòng)并發(fā)生變形，因此可以判斷后弧框兩側(cè)部分坯料體積過(guò)大。針對(duì)這種結(jié)果，對(duì)坯料的外形和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化原則是，將座艙骨架零件的各個(gè)弧框展開(kāi)后再計(jì)算坯料的尺寸，優(yōu)化后坯料的外形類似橢圓形，如圖8所示。圖8中的陰影部分表示在初始坯料方案基礎(chǔ)上后弧框部位需要修剪的部分。模擬結(jié)果如圖9所示，由圖9a～圖9c可知，坯料優(yōu)化后，鍛件成形效果較好，其表面無(wú)任何缺陷產(chǎn)生，整個(gè)成形過(guò)程中坯料的最大等效應(yīng)變未超過(guò)0.4，表明此時(shí)坯料的變形合理。同時(shí)，坯料優(yōu)化后使得鍛件的成形載荷大幅度降低，由圖9d可知，最大成形載荷為82.7MN，滿足實(shí)際鍛壓設(shè)備的噸位要求。

圖7 模具優(yōu)化后的模擬結(jié)果

圖8 優(yōu)化坯料

圖9 坯料優(yōu)化后的模擬結(jié)果圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了生產(chǎn)出合格的鍛件，根據(jù)模擬的優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)了一套比例縮小的模具進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖10a所示，凸模的結(jié)構(gòu)為模擬時(shí)的結(jié)構(gòu)，凹模采用整體式結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)獲得的鍛件如圖10b所示。由鍛件圖可知其成形的總體效果較好，只有后弧框底邊產(chǎn)生了輕微的彎曲。試驗(yàn)結(jié)果表明，鍛件成形情況與模擬的結(jié)果基本一致。根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，按照優(yōu)化后的模具和坯料尺寸進(jìn)行了生產(chǎn)用模具和坯料的加工，模具結(jié)構(gòu)如圖11a所示。由于模具尺寸較大，為了節(jié)約模具材料并減少機(jī)械加工的工作量，凸模和凹模設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，并采用焊接及螺釘連接的方式將其組裝。生產(chǎn)時(shí)采用的鍛壓設(shè)備為萬(wàn)噸水壓機(jī)，生產(chǎn)的鍛件如圖11b所示，其與模擬結(jié)果完全一致。

圖10 試生產(chǎn)用模具結(jié)構(gòu)及鍛件

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)CAE技術(shù)對(duì)大型鋁合金座艙骨架鍛件的整體成形過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究了坯料的變形行為。在此基礎(chǔ)上，對(duì)模具結(jié)構(gòu)以及坯料進(jìn)行了優(yōu)化，并預(yù)測(cè)了鍛造載荷。另外，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，一次試模成功，實(shí)際生產(chǎn)的鍛件與模擬結(jié)果一致。

圖11 實(shí)際生產(chǎn)用模具結(jié)構(gòu)及鍛件

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