某機匣鍛件模鍛時新的坯料定位方法及坯料優(yōu)化設(shè)計

李蓬川 周文武 楊靖雲(yún)

(中國第二重型機械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618013)

航空發(fā)動機是所有動力裝置中技術(shù)含量最高、制造難度最大的動力裝置[1]。機匣是航空發(fā)動機的重要組件，屬于截面異形化程度較高的大尺寸薄壁類零件[2-3]。這類鍛件在鍛造成形過程中，材料流動和填充規(guī)律非常復(fù)雜，容易產(chǎn)生折疊、穿流、充不滿等宏觀流動缺陷，同時由于鍛件投影面積大，鍛造所需成形載荷高，普通壓力機很難提供如此大的成形載荷，所以該類鍛件在制造中常常存在材料利用率低、制造成本高、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題[4-5]。因此，科學(xué)地進(jìn)行坯料尺寸優(yōu)化設(shè)計是保證該類鍛件成形過程順利進(jìn)行和有效控制鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文首先對機匣模鍛成形進(jìn)行了有限元模擬研究，分析了成形過程中坯料的定位情況和最大成形載荷，然后針對坯料在模鍛過程中出現(xiàn)的定位不穩(wěn)、成形載荷過大、飛邊過多等問題，提出一種新的坯料定位方式，并以理論分析和實際生產(chǎn)相結(jié)合的方法研究了坯料腰部寬度、坯料厚度對鍛件充填性及成形載荷的影響規(guī)律，從而確定了最優(yōu)的坯料尺寸結(jié)構(gòu)，提供了一種實用、可靠的生產(chǎn)技術(shù)參考。

1 有限元模型的建立

圖1為機匣鍛造成形有限元模型，采用Deform-3D軟件對該模鍛成形進(jìn)行模擬分析。設(shè)坯料為塑性體，材料為PH15-5不銹鋼，重量為340 kg，坯料預(yù)熱溫度為1150℃。設(shè)模具為剛性體，模具材料為5CrNiMo，預(yù)熱溫度為350℃。輻射系數(shù)為0.3，熱對流系數(shù)為2×10-5W/(m2·K)，熱傳導(dǎo)系數(shù)為11×10-3W/(m2·K)，壓機工作速度為8 mm/s。有限元摩擦模型采用Archard理論磨損模型，摩擦邊界條件選用常摩擦剪切摩擦模型。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，dw為磨損深度；P為模具表面正壓力；ν為相對滑動速度；a、b、c為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對鋼而言，通常a、b取1，c取2；H為模具表面硬度(HRC)；K為磨損系數(shù)；i為模具型腔表面節(jié)點；dt為時間增量。

圖1 機匣鍛造有限元模型Figure 1 FEM model of aeroengine case

2 初始模擬結(jié)果分析

機匣模鍛成形時間-載荷曲線如圖2所示。機匣鍛件成形時間為47.1 s，成形最大載荷達(dá)到了703 MN，超過了現(xiàn)有壓力機能夠提供的最大載荷。圖3為機匣鍛件，該鍛件主要由半圓型腹板和加強筋組成，鍛件不同部位的厚度差別很大。從模擬結(jié)果可以看出，雖然鍛件充填情況良好，但是鍛件四周飛邊多，且飛邊分布不均勻(右側(cè)飛邊明顯大于左邊)，造成了嚴(yán)重的材料浪費。這是因為坯料過大，在成形后期，多余的金屬開始向飛邊槽甚至上下模側(cè)壁的間隙中流動，導(dǎo)致載荷急劇增大，其次由于坯料沒有定位，在成形過程中上模會給坯料一個側(cè)向力，使坯料向另一端移動，導(dǎo)致鍛件一邊料多一邊料少的情況。為了解決此問題，設(shè)計了一種自定位的坯料形狀，使坯料在成形過程中自動定位，并對坯料尺寸進(jìn)行優(yōu)化，降低成形載荷，提高材料的利用率。

3 坯料優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 坯料定位方案

為了防止坯料在成形過程中發(fā)生橫向移動，提出了一種自定位的坯料形狀，如圖4所示。根據(jù)上模形狀的不對稱性，在坯料的一側(cè)設(shè)計一個圓滑的斜面與之對應(yīng)，這樣在成形過程中，上模與坯料腰部兩側(cè)同時接觸，坯料兩端受力相抵消，實現(xiàn)了坯料的定位。圖5為成形過程中坯料定位效果圖，可以看出坯料沒有發(fā)生相對滑動，定位效果良好，而且這種坯料形狀的設(shè)計，讓坯料具有了自動歸位的能力，即便由于人工擺料的原因，坯料不在正確位置，但在成形過程中，坯料也會自動回歸正確的位置。

圖2 機匣鍛件成形時間-載荷曲線Figure 2 Time-load curves of aeroengine case forging

圖3 機匣鍛件Figure 3 Aeroengine case forging

圖4 坯料自動定位設(shè)計Figure 4 Automatic positioning design of billet

3.2 坯料尺寸優(yōu)化設(shè)計

由原始坯料模擬結(jié)果可以看出，成形載荷過大，鍛件飛邊過多，應(yīng)該適當(dāng)減小坯料的尺寸，降低成形載荷，提高材料利用率。原始坯料的形狀近似工字形，其主要結(jié)構(gòu)尺寸為腰部寬度a、坯料厚度h。選取以上兩個結(jié)構(gòu)尺寸作為優(yōu)化問題的設(shè)計變量，每個變量取3個水平因子，接著根據(jù)最終鍛件的充填率以及載荷大小，確定最佳的坯料結(jié)構(gòu)尺寸，實驗方案如表1所示。

圖5 成形過程中的坯料定位效果Figure 5 Billet positioning during forming

試驗序號坯料寬度mm坯料厚度mm123456789600600600500500500400400400908070908070908070

4 數(shù)值模擬與分析

4.1 充填率分析

圖6所示為不同實驗組的鍛件充填率。從圖6可以看出，隨著坯料結(jié)構(gòu)尺寸的減小，鍛件的整體充填率呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為隨著坯料結(jié)構(gòu)尺寸的減小，坯料與終鍛件的重量逐漸接近，對于坯料中金屬的分配要求逐漸提高，坯料越來越難充填滿型腔。對于同一腰部寬度的坯料，隨著坯料厚度的減小，鍛件的充填率先增大后減小。這是因為鍛件不同部位的厚度不一致，所以只有當(dāng)坯料的腰部長度和厚度符合一定比例時，坯料各部分成形才會比較協(xié)調(diào)，型腔才容易充滿。

4.2 載荷分析

不同試驗組最大成形載荷如圖7所示?？梢钥闯?，最大成形載荷的變化規(guī)律與鍛件填充率相似，隨著坯料結(jié)構(gòu)尺寸的減小，鍛件的最大成形載荷在逐漸下降。當(dāng)坯料腰部寬度一定時，隨著坯料厚度的減小，鍛件的最大成形載荷先減小后增大。

圖6 不同試驗組的鍛件充填率Figure 6 Filling rate of forging in different experimental goups

圖7 不同試驗組最大成形載荷Figure 7 The maximum forming load of different experimental groups

綜合以上對鍛件充填率和載荷的分析可知，坯料結(jié)構(gòu)尺寸為a=400 mm、h=80 mm(第8組實驗方案)是最優(yōu)的坯料尺寸，此時充填效果飽滿，充填率為100%，成形載荷最小，僅為598 MN，并且此時坯料的重量為300 kg，較初始坯料的340 kg減少40 kg，提高了材料利用率。

5 生產(chǎn)驗證

將以上研究得到的坯料定位方案及坯料主要結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)用于生產(chǎn)試制中，鍛件定位效果良好，鍛件充填飽滿，最大成形載荷為612 MN，這與數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致。此外由于每個坯料重量減輕40 kg，使得鍛造成本降低，材料利用率大大提高，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

(1)提出了一種新的坯料定位方法，根據(jù)上模形狀的不對稱性，在坯料的一側(cè)設(shè)計一個圓滑的斜面與之對應(yīng)，使坯料與上模相契合，從而實現(xiàn)定位。這種定位方法便潔易操作，定位效果好，并且不需在模具上加設(shè)任何定位裝置。

(2)機匣坯料最優(yōu)的腰部寬度為400 mm，厚度為80 mm，坯料重量為300 kg，此時充填飽滿，成形載荷最小，僅為598 MN。

(3)有限元模擬結(jié)果和生產(chǎn)試制結(jié)果相吻合，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。同時也為此類鍛

件的坯料設(shè)計優(yōu)化提供了合理的參考模式，具有現(xiàn)實的指導(dǎo)和借鑒意義。

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