GH3230鍛件毛坯數值模擬優化

■無錫派克重型鑄鍛有限公司 劉其源，劉 智，李湘軍，許 亮，王 俊

GH3230鍛件毛坯數值模擬優化

■無錫派克重型鑄鍛有限公司 劉其源，劉 智，李湘軍，許 亮，王 俊

高溫合金是根據航空噴氣發動機的需要而發展的金屬材料，是一種兼有熱穩定性和熱強性的合金，可在600~1000℃高溫氧化和燃氣腐蝕條件下承受復雜應力，并長期可靠地工作。

GH3230屬于固溶強化型鎳基高溫合金，高溫塑性較差，鍛造所需壓力為20鋼的3倍，為06Cr19Ni10不銹鋼的2倍，且隨著變形程度的增加會產生加工硬化，這就對鍛造設備的打擊能力要求進一步增大，因此對大規格尺寸GH3230模鍛件毛坯進行數值模擬優化是非常有必要的。

1. GH3230鍛件三維模型

如圖1所示，為GH3230鍛件的三維實體模型，利用三維造型軟件UG設計GH3230鍛件模具上下模，為節約模擬時間，去除了模具結構中為防止錯移而設計的對角鎖扣，只選取型腔部分進行數值模擬。圖2為GH3230鍛件的上模，圖3為GH3230鍛件的下模。

2. 模具及坯料的有限元模型

通過三維造型軟件UG設計好模具及坯料，由于鍛件為中心軸向對稱，為減少數值模擬運算時間，提高效率，只選取坯料的一半進行模擬，然后分別導出各部件STL文件，再將STL文件導入至Deform中，圖4為模具有限元模型，并將鍛件模具定義為剛性體，圖5為坯料有限元模型，并將坯料定義為塑性體，并將坯料局部細化。

3. 模具及坯料參數與邊界條件

鍛件模具初始溫度設定為3 0 0℃，坯料初始溫度為1150℃，坯料選用材料庫內的IN718_6um，由于只是對坯料成形情況進行分析，暫不考慮成形設備，因此將上模運動方式通過速度v來控制。模具與坯料之間的剪切摩擦力和熱導率都采用默認值。

圖1 GH3230鍛件零件三維實體模型

圖2 GH3230鍛件上模

圖3 GH3230鍛件下模

4. GH3230坯料形狀對成形過程中飛邊的影響

坯料形狀設計，決定了產品成形過程中飛邊的溢出情況，根據產品形狀，設計出如圖6所示的坯料，并對該尺寸坯料進行數值模擬，選取上模壓力最大時刻，研究坯料的飛邊情況，數值模擬結果如圖7所示。

由圖7可知，左半端坯料過多，導致該處飛邊過早溢出，加大了成形過程中的阻力，影響鍛件其他部分的充型，降低了設備的生產能力，因此需要對坯料尺寸進行優化。

根據圖7的數值模擬結果，重新設計出了如圖8所示的坯料，并對該尺寸坯料進行數值模擬，選取上模壓力最大時刻，研究坯料的飛邊情況，數值模擬結果如圖9所示。

由圖9可知，在左半端相比于之前的坯料尺寸，有明顯改善，但是坯料依然過多，導致該處飛邊過早溢出，加大了成形過程中的阻力，影響產品其他部分的成形，降低了設備的生產能力，因此需要對坯料尺寸繼續優化。

根據圖9的數值模擬結果，重新設計出了如圖10所示的坯料，并對該尺寸坯料進行數值模擬，選取上模壓力最大時刻，研究坯料的飛邊情況，數值模擬結果如圖11所示。

由圖11可知，在左半端當其他部分都已經成形結束，出現飛邊時，該處還未成形結束，沒有出現飛邊，說明該處坯料過少，需要增加坯料，保證坯料各部分同時出現飛邊。

根據圖11數值模擬結果，重新設計出如圖12所示的坯料，并對該尺寸坯料進行數值模擬，選取上模壓力最大時刻，研究坯料的飛邊情況，數值模擬結果如圖13所示。

由圖13可知，坯料各部分成形情況良好，各處飛邊也較為整齊，因此可以確定為最優方案。

通過數值模擬對坯料形狀進行優化，利用公司成形設備進行鍛坯和模鍛，并做出合格產品，如圖14所示。

圖4 模具有限元模型

圖5 坯料有限元模型

圖6 坯料尺寸形狀1

圖7 坯料模擬結果1

圖8 坯料尺寸形狀2

圖9 坯料模擬結果2

圖10 坯料尺寸形狀3

圖11 坯料模擬結果3

圖12 坯料尺寸形狀4

圖13 坯料模擬結果4

圖14 GH3230鍛件產品

5. 結語

通過數值模擬方法，優化設計了GH3230鍛件毛坯的尺寸，縮短了產品研發時間，節約了材料成本，并降低了對成形設備的要求，準確預測了坯料的成形最終形狀。

20150708