基于航空盤(pán)類(lèi)件成形規(guī)律的預(yù)成形設(shè)計(jì)方法及其自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

王夢(mèng)寒，向相，李松林，胡亞飛，王周田，汪澤匪

（1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400030；2.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川德陽(yáng)，618000）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，要保證它的零件能擁有良好的綜合性能，好的制造工藝必不可少[1-2]。目前，航空零件的生產(chǎn)手段主要是通過(guò)鍛造的方式[3]，其優(yōu)越性在于它不但可以獲得機(jī)械零件的形狀輪廓，而且可以提高材料的綜合力學(xué)性能和內(nèi)部顯微組織性能。因此，對(duì)于受力情況復(fù)雜、力學(xué)性能要求高的重要零部件，多數(shù)都是采用鍛造方法來(lái)生產(chǎn)制備[4-7]。

在鍛造過(guò)程中，要保障成形質(zhì)量，預(yù)成形是必不可少的一步，好的預(yù)成形件能使鍛件具有良好的變形效果，良好的變形效果又能使它具有較好的微觀組織，這樣使其具有較好的組織性能和力學(xué)性能。因此，研究發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)類(lèi)件的預(yù)成形件的設(shè)計(jì)方法具有重大的科研意義和工程應(yīng)用價(jià)值[8]。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)成形工藝進(jìn)行了大量研究。ZHAO 等[9-10]對(duì)截面為H 形的鍛件采用反向模擬法進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，研究了變形過(guò)程的邊界條件，并采用正向模擬對(duì)設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明采用反向模擬法設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件充填效果良好。LU等[11]用ESO法（漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法）對(duì)預(yù)鍛件進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后對(duì)盤(pán)形件的預(yù)鍛模具以及逆向優(yōu)化路徑的預(yù)成形設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了ESO 法在預(yù)成形設(shè)計(jì)方面的有效性。GUAN等[12]基于電場(chǎng)法和響應(yīng)面方法進(jìn)行了鍛件的預(yù)成形設(shè)計(jì)，得到的鍛件飛邊較小，且無(wú)缺陷產(chǎn)生。YANG等[13]提出了一種基于雙向演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的預(yù)成形自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了元素添加/刪除的新標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)鍛件最佳填充的目標(biāo)是完全填充模腔，減少飛邊，使材料均勻變形。HU等[14]提出了一種函數(shù)功能驅(qū)動(dòng)的形狀定義方法，這種方法可以將幾何形狀轉(zhuǎn)換成易于定義幾何形狀的數(shù)值變量，并且可以在Taguch 方法和響應(yīng)面方法等方法中用于此數(shù)學(xué)函數(shù)，此外，還開(kāi)發(fā)了一種新的Taguch 方法，結(jié)合了灰色關(guān)聯(lián)分析（GRA）和熵測(cè)方法（EMM），從多準(zhǔn)則的角度提供了一種系統(tǒng)性的預(yù)成形優(yōu)化方法。KNUST 等[15]考慮到解決預(yù)成型件設(shè)計(jì)中多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，引入了遺傳算法來(lái)優(yōu)化預(yù)成形形狀。王巧麗[16]結(jié)合電場(chǎng)法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)環(huán)件毛坯進(jìn)行了定性分析和定量計(jì)算，較快地獲得優(yōu)化的毛坯尺寸，從而減少工藝開(kāi)發(fā)的時(shí)間。王夢(mèng)寒等[17]利用遺傳算法求解優(yōu)化模型，采用實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多學(xué)科軟件協(xié)同仿真的策略構(gòu)建設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的響應(yīng)關(guān)系，舍棄實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與響應(yīng)面回歸獲得響應(yīng)關(guān)系的方法，保證了精度。劉目娟[18]將類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)應(yīng)用于復(fù)雜大變形軸對(duì)稱(chēng)工件的預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，利用類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)方法、有限元模擬和工程優(yōu)化算法相結(jié)合，確定了最優(yōu)預(yù)鍛件形狀，從而得到了充填飽滿(mǎn)、少無(wú)飛邊、變形均勻且終鍛力較小的鍛件。邵勇[19]利用了拓?fù)鋬?yōu)化思想并結(jié)合金屬體積成形的特點(diǎn)，通過(guò)理論建模、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，探索出基于拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)雜形狀體積成形預(yù)成形設(shè)計(jì)的新方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面應(yīng)變?nèi)~片型面二維模型、軸對(duì)稱(chēng)盤(pán)形鍛件二維模型以及復(fù)雜葉片三維模型的預(yù)成形外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由此可見(jiàn)，將鍛造預(yù)成形與各種數(shù)學(xué)方法及自動(dòng)化操作結(jié)合已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。大多數(shù)學(xué)者對(duì)預(yù)成形形狀優(yōu)化進(jìn)行了研究，但對(duì)于預(yù)成形形狀共性問(wèn)題的總結(jié)及其與自動(dòng)化結(jié)合的研究比較少，本文作者基于盤(pán)類(lèi)件預(yù)成形共性問(wèn)題，對(duì)盤(pán)類(lèi)件的荒坯進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，并且聯(lián)合Matlab 及Autocad軟件，實(shí)現(xiàn)荒坯形狀的自動(dòng)生成，還結(jié)合有限元模擬實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)試制驗(yàn)證該荒坯的實(shí)用性。這種將共性問(wèn)題與自動(dòng)化結(jié)合的思想在航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)類(lèi)件的預(yù)成形設(shè)計(jì)中有較好的效果，可以考慮將它應(yīng)用到其他類(lèi)型零件的預(yù)成形設(shè)計(jì)中。

1 盤(pán)類(lèi)件成形規(guī)律及荒坯設(shè)計(jì)方法探究

1.1 盤(pán)類(lèi)件成形共性問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)大量盤(pán)類(lèi)件的成形研究發(fā)現(xiàn)，它們的主要成形方式一般是坯料沿著鍛件軸向方向進(jìn)行鐓粗變形，并且鍛件大多呈均勻軸對(duì)稱(chēng)形狀。而大多數(shù)此類(lèi)鍛件的軸線(xiàn)方向尺寸小于或者略等于另外2個(gè)方向尺寸，變形時(shí)候的作用力方向大多與主軸方向一樣。它們?cè)谀ｅ懗尚螘r(shí)金屬沿寬度、高度和長(zhǎng)度3個(gè)方向同時(shí)都有變形流動(dòng)，是體積成形的方式。

因?yàn)槟ｅ懝に嚨姆椒ㄅc鍛件外形緊密相關(guān)，對(duì)于形狀差異較大的鍛件，其成形方法也有所不同。根據(jù)盤(pán)類(lèi)鍛件成形的難易程度，可以將此類(lèi)鍛件簡(jiǎn)單分成3種，圖1所示為盤(pán)類(lèi)件分類(lèi)圖。由圖1可見(jiàn)，可將盤(pán)類(lèi)件分為普通鍛件、高凸臺(tái)深孔鍛件和薄壁高筋鍛件。

圖1 盤(pán)類(lèi)件分類(lèi)Fig.1 Classification of disc forging

對(duì)于大多數(shù)盤(pán)類(lèi)鍛件的變形過(guò)程而言，其變形過(guò)程中最普遍和最基礎(chǔ)的變形方式一般為圓柱鐓粗成形、圓環(huán)壓縮成形和類(lèi)擠壓成形。總的來(lái)說(shuō)，可以將此類(lèi)件不同區(qū)域和階段的變形看成是這些成形方式或其耦合的變形方式。這不僅使復(fù)雜的模鍛成形問(wèn)題變得模塊化，更利于其在解決實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用[20]。

發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，而盤(pán)形件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要類(lèi)型零件，所以，它對(duì)質(zhì)量要求極高。對(duì)于常用的高溫材料而言，現(xiàn)階段優(yōu)化盤(pán)形件質(zhì)量的方式主要是控制鍛件在模具中的變形量均勻，等效應(yīng)變一般為0.43～1.05。

1.2 鐓粗成形變形量規(guī)律研究

為了使盤(pán)類(lèi)零件獲得更好的成形質(zhì)量，本文首先對(duì)它的主要成形方式鐓粗進(jìn)行研究。對(duì)于不同高徑比的優(yōu)質(zhì)變形量的餅坯，本文通過(guò)Deform有限元模擬軟件模擬鐓粗成形從而獲得棒料與餅坯高半徑比，如表1所示。

表1 高溫合金GH4169鐓粗變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of upsetting deformation of GH4169 high temperature alloys

隨后對(duì)其數(shù)據(jù)在Matlab 中進(jìn)行回歸。棒料與餅坯高半徑比的線(xiàn)性回歸直線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知：棒料與餅坯高半徑比呈正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系。

圖2 棒料高半徑比與餅坯高半徑比的關(guān)系Fig.2 Relationship between ratio of bar height to radius and biscuit height to radius

擬合方程為

式中：y為棒料高半徑比；x為餅坯高半徑比。

鍛件小段寬度d可由下式得出：

式中：r為鍛件的半徑；n為鍛件的分段數(shù)。

1.3 盤(pán)類(lèi)件荒坯的分段設(shè)計(jì)方法探究

根據(jù)盤(pán)類(lèi)件常規(guī)變形工藝，要獲得好的荒坯形狀，一般先用簡(jiǎn)單的餅坯進(jìn)行成形模擬，然后根據(jù)其模擬結(jié)果調(diào)整其形狀，通過(guò)調(diào)整后得到使鍛件變形均勻并大部分達(dá)到變形范圍的形狀即可。然而，由于荒坯的未知性，若用試錯(cuò)法來(lái)確定，效率大大降低，因此，本文提出以下方法來(lái)設(shè)計(jì)其荒坯形狀。

盤(pán)類(lèi)零件為軸對(duì)稱(chēng)形狀，一般可以取它的截面進(jìn)行研究，然后對(duì)截面進(jìn)行分段處理。分段有多種方式，可以為對(duì)半徑方向等距離分段，也可以對(duì)半徑方向等體積分段，還可以根據(jù)鍛件輪廓的布局情況進(jìn)行自定義分段，本文重點(diǎn)討論半徑方向等距離分段設(shè)計(jì)，其目的是為了對(duì)鍛件個(gè)部分進(jìn)行體積分配，使坯料的各段分別流入鍛件的各段中，這樣就可以對(duì)分段的荒坯進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于盤(pán)類(lèi)件成形的主要方式為鐓粗成形，所以，可以將鍛件的各段都看成各自的鐓粗成形，雖然在鍛件外端成形時(shí)，其成形為圓環(huán)的墩粗成形，但也可以把它近似地看成1個(gè)圓柱的鐓粗成形，這樣便可以對(duì)鍛件各段以鐓粗成形的方式來(lái)設(shè)計(jì)各段的荒坯形狀。

根據(jù)鐓粗成形中的體積不變?cè)瓌t，鍛件中每小段（用A，B，C，D和E表示）的體積可以大致對(duì)應(yīng)荒坯中的每小段體積，如圖3所示。從圖3可見(jiàn)：要得到荒坯的總體形狀，需要先計(jì)算出鍛件中的小段體積（由微積分的計(jì)算方式得出），然后通過(guò)體積相等原則推算出荒坯的小段體積，由圓環(huán)體積公式及式（1）反求出荒坯小段的寬度以及高度，其中式（1）中的“x”可由鍛件小段的平均高度比其寬度得到。得到荒坯小段的寬度以及高度后，首先將其小段繪制成矩形的形狀，然后將其組合得到如圖3所示的總體荒坯形狀，再對(duì)其尖銳部分進(jìn)行光順即可在Deform 軟件中進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬反饋結(jié)果，對(duì)荒坯形狀進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

圖3 對(duì)應(yīng)分段示意圖Fig.3 Schematic of corresponding segment

2 荒坯設(shè)計(jì)方法與自動(dòng)化程序的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)1.3節(jié)中介紹的設(shè)計(jì)荒坯形狀的方法的自動(dòng)計(jì)算，并且使荒坯形狀能直接生成出來(lái)，將此方法應(yīng)用到Matlab 與AutoCAD 軟件中，編寫(xiě)算法并形成代碼。

算法流程如下：

1）在Matlab 中導(dǎo)入鍛件上下輪廓圖形“.dxf”文件并提取數(shù)據(jù)。

由于Matlab 中并沒(méi)有直接導(dǎo)入“.dxf”文件的入口，所以，需要借助代碼實(shí)現(xiàn)在Matlab 中提取“.dxf” 文件數(shù)據(jù)的功能。Matlab 中的“textscan”函數(shù)能把“.dxf”文件視為“.txt”文本文件并提取其中的一系列數(shù)據(jù)，核心命令如下：

fid=fopen（filename）;

dxfdata=textscan（fid,'%s'）;

fclose（fid）;

2）將鍛件輪廓初始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)散點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由于提取的“.dxf”文件中的直線(xiàn)數(shù)據(jù)是其端點(diǎn)，而圓弧參數(shù)是其圓心以及半徑等，為了后續(xù)計(jì)算方便，需要利用這些數(shù)據(jù)在Matlab 中算出對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的方程式，并將其轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)散點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3）鐓粗成形對(duì)應(yīng)高半徑比的回歸擬合。

由于要從鍛件各小段的高寬比推算出荒坯各小段高寬比，所以，先要進(jìn)行鐓粗成形對(duì)應(yīng)高半徑比的回歸，并得出相應(yīng)的關(guān)系式。

4）計(jì)算荒坯各小段的寬度與高度。

在計(jì)算前首先需要對(duì)鍛件進(jìn)行分段，可以根據(jù)鍛件輪廓復(fù)雜程度來(lái)設(shè)置其分段數(shù)，分段數(shù)越多，對(duì)鍛件輪廓提取的精度也就越高，相應(yīng)的初始荒坯形狀就會(huì)越復(fù)雜。然后，運(yùn)用基于1.3節(jié)中計(jì)算原理的代碼計(jì)算出荒坯各小段的寬度與高度。

由于進(jìn)化的觀念所強(qiáng)調(diào)的時(shí)代性和進(jìn)步性，“國(guó)故”終究只是過(guò)去式，無(wú)法真正從“古”來(lái)到“今”。胡適說(shuō)文言文是“死文字”，決不能做出有生命有價(jià)值的現(xiàn)代文學(xué)。他主張“歷史的真理論”，認(rèn)為真理的價(jià)值只是“擺過(guò)渡，做過(guò)媒”，可以隨時(shí)換掉、趕走。這樣的“國(guó)故”即使被“整理”出來(lái)龍去脈，其價(jià)值最終也極易被“評(píng)判”為陳設(shè)在博物館的、沒(méi)有生命的展品。時(shí)間之流終究被“評(píng)判”之利刀斬?cái)酁楣沤竦膱?jiān)硬對(duì)峙，已“死”的過(guò)去走不進(jìn)現(xiàn)在和將來(lái)的生命。所以，“評(píng)判的態(tài)度”不僅要求人們認(rèn)清古今變易的大勢(shì)所趨，更要做“反對(duì)調(diào)和”的“革新家”，將目光聚焦于現(xiàn)在與未來(lái)。在胡適看來(lái)，生乎今之世而反古之道，是有違進(jìn)化之跡的背時(shí)逆流。

5）繪制出坯料初始形狀。

得出荒坯各小段的寬度與高度后，可以基于二維坐標(biāo)系，在x軸上下分別對(duì)各小段的高度比例進(jìn)行分配。圖4所示為基于圖3中鍛件對(duì)其荒坯各小段進(jìn)行不同上下高度比分配所生成的不同荒坯形狀。根據(jù)成形需求，還可以對(duì)荒坯形狀作出另外的對(duì)成形有利的調(diào)整。

圖4 初始荒坯圖形Fig.4 Graphics of initial blank

在Matlab中主要運(yùn)用“plot”函數(shù)繪制出坯料初始形狀，如果有需要，還可以對(duì)坯料形狀進(jìn)行插值或?qū)訔l曲線(xiàn)進(jìn)行光順。

6）輸出AutoCAD的“.scr”腳本文件。

代碼如下：

filename='name';

fid=fopen（[filename,'.scr'],'w'）;

fprintf（fid,'line '）;

fprintf（fid,'%g,%g ',x（i）,y（i））;

end

fclose（fid）;

其原理是將Matlab 計(jì)算后生成的荒坯圖形的每個(gè)（x，y）點(diǎn)依次寫(xiě)入AutoCAD能夠識(shí)別的“.scr”腳本文件中。

7）AutoCAD中運(yùn)行“.scr”腳本文件。

在AutoCAD中運(yùn)行“.scr”腳本文件后會(huì)自動(dòng)繪制出初始坯料形狀，然后對(duì)其進(jìn)行光順處理，最后從AutoCAD中導(dǎo)出“.dxf”文件進(jìn)行模擬。

3 基于自動(dòng)化算法的成形模擬驗(yàn)證

3.1 基于3種不同鍛件初始荒坯的成形分析

為了更好地體現(xiàn)自動(dòng)化算法的可行性，基于Deform 有限元軟件，以3 個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)形鍛件為例，分別運(yùn)用此算法所生成的荒坯進(jìn)行成形模擬分析。該荒坯形狀可一鍵生成，但并沒(méi)有考慮定位以及其他工程實(shí)際問(wèn)題，如果需要進(jìn)行生產(chǎn)，還需要繼續(xù)對(duì)坯料形狀進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

3.1.1 盤(pán)形鍛件1

將鍛件分為30 段，如圖5（a）所示。通過(guò)算法計(jì)算后的荒坯初始輪廓，如圖5（b）所示，此荒坯各段高度比上占0.4，下占0.6。

圖5 盤(pán)形鍛件1Fig.5 Disk forging No.1

圖6所示為鍛件1 的模擬結(jié)果。由圖6可見(jiàn)：鍛件中大部分部位的變形量滿(mǎn)足所要求的變形量（0.43～1.05），僅在鍛件底部角落區(qū)域存在少量的藍(lán)色小變形區(qū)域，這些小變形區(qū)域可以通過(guò)對(duì)荒坯形狀的局部?jī)?yōu)化消除?？傮w上看，采用此方法設(shè)計(jì)預(yù)制坯可節(jié)省大量時(shí)間。

圖6 鍛件1的模擬結(jié)果Fig.6 Simulated result of forging No.1

3.1.2 盤(pán)形鍛件2

將鍛件分為8 段，如圖7（a）所示。當(dāng)分段數(shù)減少時(shí)，可以減小初始荒坯的復(fù)雜程度。通過(guò)算法計(jì)算后的荒坯初始輪廓，結(jié)果如圖7（b）所示，此荒坯各段高度比上占0.6，下占0.4。

圖7 盤(pán)形鍛件2Fig.7 Disk forging No.2

圖8所示為鍛件2 的模擬結(jié)果。由圖8可見(jiàn)：鍛件中大部分部位的變形量滿(mǎn)足所要求的變形量（0.43～1.05），僅存在少量的藍(lán)色小變形區(qū)域，這些小變形區(qū)域也可以通過(guò)對(duì)荒坯形狀的局部?jī)?yōu)化消除。

圖8 鍛件2的模擬結(jié)果Fig.8 Simulated result of forging No.2

3.1.3 盤(pán)形鍛件3

對(duì)于高度逐漸增加的鍛件（如圖9所示），將該鍛件分段數(shù)設(shè)置為30。

圖9 鍛件3分段示意圖Fig.9 Schematic diagram of forging No.3

由于此鍛件在陰影部分存在高度增加較大的情況，經(jīng)過(guò)計(jì)算后坯料（各段高度比上下各占0.5）在該區(qū)域所對(duì)應(yīng)的部位太突出，所以，在成形過(guò)程中，該部位被陰影部分前面高度較小的模具過(guò)量鐓粗變形，并且該區(qū)域還存在剪切應(yīng)變，并不是單純的墩粗變形，導(dǎo)致變形量過(guò)大，如圖10所示。

圖10 初始算法模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of initial algorithm

為了解決此問(wèn)題，改進(jìn)算法，使荒坯各段高度比上占1，下占0，并將荒坯最前端高度較小的區(qū)域抬高到與其后面區(qū)域部分的頂部平齊，然后減小鍛件陰影部分區(qū)域?qū)?yīng)坯料段的高度，同時(shí)增加其小段寬度（為便于對(duì)比，圖11中寬度未變，實(shí)際寬度已改變），保證體積不變，目的是為了減小該區(qū)域的鐓粗量，再將荒坯后部區(qū)域抬高到與前面區(qū)域部分的頂部平齊。改進(jìn)后的荒坯形狀如圖11所示。

圖11 改進(jìn)算法生成荒坯Fig.11 Blanks generated by improved algorithm

圖12所示為改進(jìn)坯料的模擬結(jié)果。由圖12可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)改善后的荒坯在模擬過(guò)后，鍛件中大部分部位的變形量滿(mǎn)足所要求的變形量（0.43～1.05），僅存在少量的藍(lán)色小變形區(qū)域，這些小變形區(qū)域同樣也可以通過(guò)對(duì)荒坯形狀的局部?jī)?yōu)化消除。

圖12 改進(jìn)坯料模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results with improved blanks

3.2 基于盤(pán)形鍛件1的初始荒坯局部形狀優(yōu)化

以3.1.1 節(jié)的盤(pán)形鍛件1 為例（如圖6所示），在紅圈標(biāo)記的2 個(gè)位置分別對(duì)荒坯進(jìn)行定位孔設(shè)計(jì)，并對(duì)以?xún)?yōu)化藍(lán)色死區(qū)變形量為目的的局部形狀進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化好的荒坯形狀如圖13所示。

圖13 局部?jī)?yōu)化后的荒坯Fig.13 Partially optimized blank

坯料在模具中的定位及模擬結(jié)果如圖14所示。從圖14可知該鍛件在紅圈位置的變形量提高。

圖14 鍛件1荒坯優(yōu)化后的模擬結(jié)果Fig.14 Simulated results of forging No.1 blank after optimization

圖15所示為該鍛件的零件本體變形量。由圖15可見(jiàn)：總體上看，該零件的變形量比較均勻，并且不存在變形區(qū)。

圖15 零件本體變形量Fig.15 Deformation of part body

4 鍛件生產(chǎn)試制及理化檢測(cè)和性能分析

基于盤(pán)形鍛件1，采用局部?jī)?yōu)化后的荒坯對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)試制，材料牌號(hào)為高溫合金GH4169，生產(chǎn)后的鍛件如圖16所示，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的零件本體如圖17所示。對(duì)鍛件具有代表性的位置取樣分別進(jìn)行高溫和室溫拉伸試驗(yàn)，得到鍛件的抗拉強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等拉伸性能。檢測(cè)結(jié)果表明：試樣的室溫力學(xué)性能及高溫力學(xué)性能都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖16 盤(pán)形鍛件1實(shí)物圖Fig.16 Physical drawing of disk forging No.1

圖17 鍛件1的零件本體Fig.17 Part body of forging No.1

圖18所示為在鍛件1 的零件本體徑軸向上解剖取樣的宏觀組織。由圖18可見(jiàn)：試樣1和試樣2的組織中均未發(fā)現(xiàn)白斑、黑斑及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不允許的冶金缺陷，與標(biāo)準(zhǔn)低倍評(píng)級(jí)圖中的五級(jí)相符。

圖18 解剖件低倍組織照片F(xiàn)ig.18 Photo of anatomic low tissue

在零件體容易產(chǎn)生變形的區(qū)域進(jìn)行取樣微觀組織觀察，圖19所示為零件體取樣的位置及其徑軸向金相照片。由圖19可見(jiàn)：零件本體各部位變形量均勻，所有取樣部位晶粒度均達(dá)到了10 級(jí)及以上，并且不存在混晶現(xiàn)象。

圖19 晶粒度（徑軸向）分布圖Fig.19 Diagram of grain size（diameter and axis）distribution

5 結(jié)論

1）研究了航空盤(pán)類(lèi)件模鍛成形的變形規(guī)律，提出了基于鐓粗變形的預(yù)成形分段設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用此方法所設(shè)計(jì)的預(yù)成形坯料，能在模鍛中使鍛件擁有不錯(cuò)的變形量與均勻性，但此預(yù)成形設(shè)計(jì)方法目前僅對(duì)不存在高筋、深腔的盤(pán)類(lèi)件有較大作用，對(duì)于存在高筋、深腔的盤(pán)類(lèi)件還需要繼續(xù)進(jìn)行研究。

2）設(shè)計(jì)的盤(pán)類(lèi)件成形規(guī)律與自動(dòng)化程序相結(jié)合的方法在制定預(yù)成形坯料過(guò)程中具有很強(qiáng)的可行性，并具有一鍵生成坯料形狀的功能，不僅為預(yù)成形形狀的設(shè)計(jì)節(jié)省了大量時(shí)間，而且使用生成的荒坯在鍛件成形后能使鍛件大部分部位的變形量滿(mǎn)足所要求的變形量（0.43～1.05）。

3）在使用此荒坯進(jìn)行模鍛后的鍛件在室溫拉伸、高溫拉伸、持久、蠕變、高倍等組織性能上均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，鍛件的晶粒度也能達(dá)到10 級(jí)及以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的方法即將盤(pán)類(lèi)件成形共性問(wèn)題與自動(dòng)化程序相結(jié)合的有效性。