飛機(jī)環(huán)件輾軋回彈位移與殘余應(yīng)力的研究

何勇　凡玉　王勝

【摘 要】本文采用3D-FEM仿真的方法，研究環(huán)件輾軋成型過程回彈位移與殘余應(yīng)力的演變規(guī)律，揭示主要工藝參數(shù)及摩擦系數(shù)對(duì)輾軋成型回彈位移與殘余應(yīng)力演變的影響規(guī)律。這些問題的解決，對(duì)于實(shí)現(xiàn)輾軋過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)與精確控制，提高成型環(huán)件的結(jié)構(gòu)尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量，降低制造成本，縮短試制周期，發(fā)展輾軋成型理論和技術(shù)等都具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】環(huán)件輾軋；殘余應(yīng)力；回彈位移；3D-FEM仿真

0 引言

環(huán)件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用較為廣泛，如：發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)、燃燒室內(nèi)套和外套、標(biāo)準(zhǔn)件軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭盤等。受限于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，環(huán)件多采用環(huán)件輾軋工藝[1]。環(huán)件輾軋是一種高質(zhì)量無(wú)縫精密環(huán)件的先進(jìn)成型制造技術(shù)，具有節(jié)能、節(jié)材、高效、低成本等顯著優(yōu)勢(shì)；然而，環(huán)件成型過程中的回彈變形和殘余應(yīng)力嚴(yán)重危害產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸精度及其力學(xué)性能。尤其是應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的環(huán)形件，其成型后的回彈位移和殘余應(yīng)力應(yīng)盡可能降到最低，來保證環(huán)件的高質(zhì)量和飛機(jī)的安全性[2-3]。研究揭示該成型過程的回彈位移與殘余應(yīng)力的演化規(guī)律，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)用環(huán)件輾軋工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與精確控制、提高環(huán)件的質(zhì)量，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文將采用3D-FEM仿真的方法，研究環(huán)件輾軋成型過程回彈位移與殘余應(yīng)力的演變規(guī)律，揭示主要工藝參數(shù)及摩擦系數(shù)對(duì)輾軋成型回彈位移與殘余應(yīng)力演變的影響規(guī)律。

1 環(huán)件輾軋成型的影響因素

環(huán)件輾軋成型過程中，存在著驅(qū)動(dòng)輥的旋轉(zhuǎn)輾軋運(yùn)動(dòng)、壓力輥的徑向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)向輥的隨動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)以及環(huán)件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。環(huán)件輾軋運(yùn)動(dòng)形式見圖1。

從圖1和《環(huán)件軋制理論和技術(shù)》中可知，環(huán)件輾軋回彈位移和殘余應(yīng)力的影響因素主要有驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速n、芯輥的進(jìn)給速度v、摩擦系數(shù)μ[3]。

2 環(huán)件輾軋回彈位移與殘余應(yīng)力的研究

2.1 研究方法

本文將采用控制變量法來研究影響因素對(duì)回彈位移和殘余應(yīng)力的影響。分別單獨(dú)改變輾軋成型工藝參數(shù)n、v、μ，而保持其它參數(shù)不變，通過數(shù)值模擬揭示影響因素n、v、μ分別對(duì)輾軋成型回彈位移和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

根據(jù)郭良剛著《基于3D-FEM仿真的金屬環(huán)件冷輾軋成形過程研究》[4]，初步設(shè)定環(huán)件輾軋過程最基本的工藝參數(shù)為v=3mm/s，n=160r/min，u=0.2，為了研究工藝參數(shù)對(duì)回彈位移和殘余應(yīng)力的影響，使其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，其他兩個(gè)工藝參數(shù)保持不變。

2.2 軟件建模

運(yùn)用ABAQUES有限元分析軟件，建立GCr15合金鋼環(huán)件輾軋彈塑性變形的有限元模型，運(yùn)用控制變量法，分析n，v，u工藝參數(shù)對(duì)環(huán)件輾軋成型影響規(guī)律，以便改進(jìn)和優(yōu)化環(huán)件輾軋成型技術(shù)，環(huán)件輾軋仿真有限元模型見圖2。

2.3 進(jìn)給速度v對(duì)回彈位移及殘余應(yīng)力影響

為了研究v對(duì)回彈位移和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，取芯輥的進(jìn)給速度分別為v={2，3，4，5，6}（mm/s）?；貜椢灰坪蜌堄鄳?yīng)力隨進(jìn)給速度變化如表1所示。從表1中可看出，隨著v的增大，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力均先增大后變?。贿@是因?yàn)橛蓨W氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變是體積增加的切邊過程。隨著進(jìn)給速度增加，使得環(huán)件瞬間所受擠壓量增大，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，奧氏體處于亞穩(wěn)定性狀態(tài)，表現(xiàn)為回彈位移和殘余應(yīng)力先增大；然后隨著進(jìn)給速度繼續(xù)增加，誘發(fā)奧氏體向穩(wěn)定的馬氏體轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為回彈位移和殘余應(yīng)力再減小。

2.4 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速n對(duì)回彈位移及殘余應(yīng)力影響

為了研究n對(duì)回彈位移和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，取驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速分別為n={80，120，160，200，240}（r/min）?；貜椢灰坪蜌堄鄳?yīng)力隨驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速變化如表2所示。從表2中可看出，隨著n的增加，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力先增加后變??；這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加引起環(huán)件的熱變形，改變了奧氏體和馬氏體的穩(wěn)定性。形變使奧氏體位錯(cuò)密度增加，使馬氏體形核、長(zhǎng)大困難。因此，上述兩種作用綜合的結(jié)果表現(xiàn)為隨著v的增大，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力均先增大后變小。

2.5 摩擦系數(shù)μ對(duì)回彈位移及殘余應(yīng)力影響

為了研究對(duì)環(huán)件回彈位移和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，取摩擦系數(shù)分別為μ={0.1，0.2，0.3，0.4，0.5}?；貜椢灰坪蜌堄鄳?yīng)力隨摩擦系數(shù)變化如表3所示。從表3中可看出，隨著μ的增加，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力均變??；這由于在冷軋過程中，隨著μ的增加，軋件與軋輥間的接觸應(yīng)力增大，單位時(shí)間內(nèi)，摩擦接觸面的摩擦發(fā)熱量很大，所以軋制變形區(qū)的溫度將會(huì)升高，引起奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，直至組織穩(wěn)定。這表現(xiàn)為隨著μ的增加，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力均變小。

表3 μ對(duì)回彈位移和殘余應(yīng)力的影響

3 結(jié)論

本文采用3D-FEM仿真的方法，研究環(huán)件輾軋成型過程回彈位移與殘余應(yīng)力的演變規(guī)律，揭示主要工藝參數(shù)及摩擦系數(shù)對(duì)輾軋成型回彈位移與殘余應(yīng)力演變的影響規(guī)律：

（1）芯輥進(jìn)給速度v越大，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力先增大再減小。

（2）驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速n越大，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力先增大再減小。

（3）摩擦系數(shù)μ越大，環(huán)件的回彈位移和殘余應(yīng)力均減小。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李曉欣.民用大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)先進(jìn)材料的需求[C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2007.

[2]Hongming Liu，Jiachuang Lian，Zhenyou Duan. Study on the asymmetrical cold rolling of strip under large width to thickness ratio[J]. J. Mater. Sci. Technol.，1996（12）：232-234.

[3]華林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]郭良剛.基于3D-FEM仿真的金屬環(huán)件冷輾軋成形過程研究[D].西北工業(yè)大學(xué)博士論文，2006.

[責(zé)任編輯：王楠]