主推力節鍛造成形過程有限元模擬

文/李治華·沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司 曾衛東·西北工業大學

隨著航空、航天等高科技領域的迅猛發展，對航空、航天鍛件的先進塑性加工技術提出了越來越高的要求。然而，航空、航天鍛件的塑性變形特點是幾何非線性、材料非線性和邊界非線性，過程復雜影響因素多。在傳統的工藝設計中，是基于經驗反復試錯糾正，最終達到設計要求，這種方法帶來的影響是研制周期長、效率低、成本高。近年來，隨著計算機軟硬件的飛速發展，數值模擬技術在減少試模過程，縮短產品開發周期，降低產品成本等方面發揮著越來越重要的作用。將有限元仿真技術應用于先進航空發動機零部件的工藝準備階段，根據分析結果優化工藝方案和工藝參數，避免缺陷的產生，從而提高產品質量。數值模擬技術已成為使塑性加工由“經驗”走向“科學”、由“定性”走向“定量”的橋梁，并逐漸成為塑性加工技術研究和發展的強有力工具。

40CrNiMoА 鋼是一種優良的低合金高強度調質鋼，有良好的室溫強度、塑性以及淬透性，廣泛應用于航空、汽車等領域。航空發動機用40CrNiMoА 主推力節整體結構為有一定彎曲角度的薄壁鍛件，包括多個異面凸臺和與凸臺相連接的筋板，屬于高筋薄壁的復雜零件，在鍛造成形過程中容易出現充不滿、折疊等缺陷。為防止鍛件在成形過程中產生缺陷，我們利用Deform-3D 數值模擬仿真軟件對40CrNiMoА 主推力節鍛造成形過程，進行三維有限元模擬，動態展現鍛件成形過程的金屬流動，分析溫度場和應變場的分布規律，預測鍛件的折疊和充不滿等成形缺陷，從而為工藝設計提供參考和理論依據。

有限元模擬條件

初始條件設定

根據模具設計得到的結果，應用繪圖軟件UG 對模具和坯料進行三維實體造型，將圖形以STL 格式保存，導入Deform-3D 前處理器。主推力節鍛造過程模擬的有限元模型，如圖1 所示。

材料定義

在材料成形過程中，模具一般只發生微小的彈性變形，本文將模具設置為剛體，鍛件的材料設定為40CrNiMoА。

模擬參數的設定

圖1 主推力節鍛件模擬模型

鍛造過程模擬參數包括工/模具材料、模具預熱溫度、鍛造溫度、鍛造速度和摩擦條件等。為了保證幾何模型的離散和計算精度，采用四面體網格進行幾何體的網格劃分。網格的大小對有限元模擬的精度和效率有很大影響，網格劃分越細，計算精度越高，但計算時間相對較長，網格劃分太粗，計算精度不高，且無法獲得準確的模擬結果，本文選用的網格大小為1.03mm。主推力節是一個左右完全對稱的鍛件，為了減少模擬計算時間，在不影響計算精度的同時，取主推力節的二分之一進行模擬，按對稱性邊界條件進行設定。實際模擬過程工藝參數設定見表1。

有限元模擬結果與分析

利用Deform-3D 的后處理功能，可以直觀地觀察到在變形過程中鍛件的外形、內部的溫度場、等效應力場、等效塑性應變場和等效應變速率場等各種場變量的變化情況，從而對整個成形過程進行分析，預測缺陷的產生。圖2 為主推力節模擬所采用的上、下模具和坯料的幾何形狀。坯料結構設計為外形近似梯形，上底面為平面，根據鍛件不同部位結構的特征，在下底面設有高低不同的臺階，保證鍛件的最終成形。

圖3 為40CrNiMoА 主推力節在成形過程中形狀的變化。從圖中可以看出，當上模向下運動時，下模首先與坯料大端最高的臺階接觸，壓出了中間三道和邊緣兩道筋的痕跡，但因為只與最高的臺階接觸，長度很短，如圖3(b)所示。隨著變形的進行，坯料大端的五道筋逐步充填、變長，下模接觸坯料的中間和小端臺階，中間和小端凸臺開始成形，如圖3(с)所示。上模繼續下壓，坯料大端的五道筋充填的同時，金屬向中間凸臺擠壓，使中間和小端凸臺逐步充填成形，形成了一定的毛邊，如圖3(d)所示。毛邊形成后阻礙金屬向外流動，有助于向凸臺、筋部等型腔深處充填。從整個成形過程可以看出：坯料在成形過程中充填性能良好，筋部和凸臺能夠完全充滿，無折疊、毛邊均勻，表明主推力節成形工藝是合理的。但鍛件部分毛邊有點偏大，建議在保證成形質量的同時，對坯料的形狀和重量進行適當的調整。

表1 主推力節鍛件模擬過程參數

圖2 主推力節的上、下模具和坯料的幾何形狀

圖3 主推力節在成形過程中的形狀變化

圖4 為主推力節成形過程溫度場分布情況。從圖中可以看出，變形到555 步時，由于模具最先與坯料大端臺階接觸，導致局部溫度下降，坯料小端和中間凸臺接觸時間較晚，溫度有所下降但比坯料大端下降少，其余沒有與模具接觸的地方只能通過與環境的輻射和對流傳熱，熱量散失少，溫度下降很少。隨著變形繼續進行，坯料本體的溫度下降，但溫度分布的大體趨勢沒有變，即坯料大端溫度最低。650 步時開始形成毛邊，由于3t 模鍛錘成形速度很快，毛邊橋部又很窄，多余的金屬從毛邊劇烈擠出，產生的變形熱使毛邊出現了瞬時的溫升。由于毛邊很薄，又與溫度較低的模具接觸，所以其熱量會迅速傳遞給模具。

圖4 主推力節成形過程溫度場分布

圖5 主推力節成形過程的等效應變場分布

圖5 為主推力節成形過程的等效應變分布。從圖中可以看出，應變隨著變形的進行不斷增大。在成形過程中，上模先與坯料大端臺階接觸，此時坯料大端應變最大，隨著變形繼續進行，坯料小端和中間凸臺逐步成形，局部應變增大，毛邊形成以后毛邊處的等效應變最大。從等效應變分布來看，除了毛邊的等效應變最大外，鍛件本體大端的圓柱形凸臺附近等效應變最大，其次是筋與腹板的交接處，腹板上的等效應變最低。高筋薄壁的特點決定了局部的塑性應變會比較大。

結束語

本文通過對40CrNiMoА 主推力節的鍛造成形過程進行模擬，分析了金屬流動、溫度場和應變場等變化規律，發現主推力節成形過程順利，效果較好，說明鍛造工藝制定合理。成形后鍛件的毛邊稍大，可適當通過調整坯料的大小來進行改善。