航空發(fā)動(dòng)機(jī)高錐體零件充液成形工藝研究

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高錐體零件充液成形工藝研究

飛機(jī)是飛機(jī)的主要部件之一，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，建模在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)揮著非常重要的作用。從發(fā)動(dòng)機(jī)前的整流口到尾噴口，節(jié)省的數(shù)量約占航空發(fā)動(dòng)機(jī)的30%。新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈑金件呈現(xiàn)以下趨勢(shì):形狀更復(fù)雜、尺寸和形位公差精度要求更高、大量使用輕質(zhì)材料、表面完整性要求更高、抗疲勞、材料更薄、剛度高、強(qiáng)度高等充液成形技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型板料柔性成形技術(shù)，是現(xiàn)代輕量化、精確制造的代表性技術(shù)之一，能夠很好地解決鈑金件的精確成形問(wèn)題，在新能源汽車及航空航天等領(lǐng)域具有較大的優(yōu)越性。與傳統(tǒng)工藝方法相比，其具有成形極限高、成形零件復(fù)雜、成形精度高、可以成形特種材料等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又適應(yīng)了航空航天產(chǎn)品的小批量、多品種的柔性發(fā)展方向1充液成形工藝充液成形是指采用水、油或其他液體作傳力介質(zhì)，代替剛性的凹?；蛲鼓?，使坯料在液室壓力作用下貼靠凸?；虬寄６尚?。該成形技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn):(1)半模成形，降低了模具成本;(2)提高了材料的成形極限，可減少成形道次;(3)可以成形復(fù)雜形狀的薄壁零件;(4)成形零件表面質(zhì)量好、回彈小、精度高;(5)成形零件壁厚均勻、剛度好、抗疲勞等板材充液成形根據(jù)液體作用方式可分為被動(dòng)式充液成形和主動(dòng)式充液成形。被動(dòng)式充液成形也稱為充液拉深，如圖1所示，其中F為壓邊力。由于液室壓力可加大變形坯料與凸模之間的有益摩擦，克服拉深凸模圓角等危險(xiǎn)部位坯料的減薄破裂，同時(shí)，隨著液室壓力的加大，液體溢流可在法蘭與凹模之間形成流體潤(rùn)滑，從而有利于提高零件的成形性及成形極限。主動(dòng)式充液成形也稱為充液脹形，如圖2所示，其中P為液體成形壓力。相比于剛性模脹形，充液脹形的零件各處所受的壓力相等，壁厚減薄相對(duì)更均勻一些，成形極限相對(duì)更高，表面質(zhì)量更好，回彈更小。2高錐形零件的數(shù)值模擬和分析2.1零件成形與減薄如圖3所示，零件為薄壁深錐筒形件，筒部直徑為Φ350mm，法蘭直徑為Φ450mm，錐頭高度為200mm，總高度為445mm，厚度為0.8mm。零件技術(shù)要求最大減薄不大于15%，輪廓度為0.3mm。從零件結(jié)構(gòu)可看出，零件頭部為弧錐段，下部為直錐段，而且留有法蘭，成形過(guò)程中懸空段長(zhǎng)，變形區(qū)材料流動(dòng)劇烈，容易發(fā)生減薄過(guò)大以至破裂，且懸空段控制不當(dāng)也極易發(fā)生起皺航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，該零件在高溫下受一定載荷，設(shè)計(jì)要求該零件的減薄要小，剛度、強(qiáng)度要高。原工藝無(wú)有效手段保證零件的成形質(zhì)量。原工藝采用兩段拼焊加工，其中，頭部弧錐段采用剛性拉深成形，直錐段采用卷焊成形，再將兩個(gè)部分進(jìn)行組焊，最終零件帶有一條縱向焊縫和一條周向焊縫。此工藝加工周期長(zhǎng)、零件減薄大、表面完整性差，難以滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)引用充液拉深技術(shù)可完美解決該零件的成形問(wèn)題。2.2材料性能測(cè)試該高錐體零件材料為高溫合金，是一種主要由鉻和鉬固溶強(qiáng)化的鐵含量較高的鎳基高溫合金，具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強(qiáng)度，冷、熱加工成形性和焊接性能良好。在原始板料上裁取單拉試樣，分別截取0°，45°和90°各兩組單拉試樣，如圖4所示，其中，L通過(guò)單拉試驗(yàn)得到室溫下的材料性能，通過(guò)對(duì)單拉數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合出3個(gè)方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(圖5)。注意，在實(shí)際中要區(qū)別實(shí)際應(yīng)力與工程應(yīng)力。在模擬材料時(shí)，分別輸入3個(gè)方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、米塞斯屈服準(zhǔn)則，考慮材料的各向異性、3個(gè)方向的材料性能參數(shù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性的影響，并為實(shí)際的生產(chǎn)成形工藝所用到的參數(shù)提供技術(shù)意見(jiàn)和支持。2.3產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)通過(guò)多次仿真模擬，確定最終工藝路線為:下料—充液拉深—切割法蘭，如圖6所示。充液拉深需要成形一個(gè)錐頭筒形件，此類曲面零件的拉深是一種極限深度拉深的成形工藝，在拉深過(guò)程中整個(gè)坯料均為變形區(qū)，相對(duì)高度越高、錐角越大，則變形越復(fù)雜、成形難度越高。模擬分析的有限元模型如圖7所示。當(dāng)采用傳統(tǒng)剛性模拉深時(shí)，由于沒(méi)有液室壓力支撐，僅依靠凹模和材料自身變形包裹凸模。當(dāng)壓邊力較小時(shí)，材料流動(dòng)較好，拉應(yīng)力較小，但切向壓應(yīng)力較大，導(dǎo)致起皺嚴(yán)重且此時(shí)減薄較大;當(dāng)壓邊力逐步增大且保證不起皺時(shí)，此時(shí)零件的減薄將超過(guò)材料極限而破裂。因此，采用一次剛性拉深無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。若要保證零件成形過(guò)程中無(wú)皺且減薄率滿足要求，應(yīng)至少需要3工序剛性拉深成形。相對(duì)于剛性拉深，充液拉深在成形過(guò)程中由于有液室壓力作用，坯料會(huì)緊貼在凸模上，從而使懸空區(qū)減小，起皺趨勢(shì)降低，減薄也較小;且頭部拉深成形后由于摩擦保持效果，繼續(xù)拉深過(guò)程中減薄也不再增大。同時(shí)，充液拉深可在凹模與板料下表面之間產(chǎn)生流體潤(rùn)滑，從而大大提高零件的成形性能與表面質(zhì)量。通過(guò)優(yōu)化拉深位移與水壓的加載曲線，調(diào)整壓邊力與摩擦系數(shù)，充液拉深零件模擬結(jié)果如圖8所示，最大減薄率為13.67%，壁厚較均勻，成形無(wú)破裂、無(wú)起皺，滿足設(shè)計(jì)要求。2.4充液成形力的計(jì)算(1)充液拉深成形力F式中:F式中:k為系數(shù)，由毛坯相對(duì)厚度和法蘭相對(duì)直徑?jīng)Q定，此處k=0.38;L為變形橫截面周邊的長(zhǎng)度，mm;t為坯料厚度，mm;R式中:P當(dāng)液室壓力為50MPa時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到充液拉深成形力約為5000kN。(2)壓邊力F由此得到，壓邊力約為2000kN。2.5成形機(jī)性能控制設(shè)備選用天津天鍛航空科技有限公司的13000kN充液成形機(jī)，拉深力為8000kN，壓邊力為5000kN，采用伺服技術(shù)，壓力精度控制在±10kN，水壓精度為±0.05MPa，壓機(jī)速度控制精度為±0.5mm·s3零件生產(chǎn)結(jié)果經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工驗(yàn)證，成形零件無(wú)起皺、無(wú)破裂，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，最大減薄率約13.8%。與傳統(tǒng)剛性拉深相比，拉深到同一高度時(shí)，測(cè)量減薄得出充液拉深的零件成形極限比傳統(tǒng)剛性拉深的成形極限提高了4%，輪廓度達(dá)到0.1mm?，F(xiàn)該零件已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，合格率高達(dá)99%。充液拉深零件如圖10所示。相較于傳統(tǒng)剛性拉深工藝，采用充液拉深工藝完美解決了零件的成形難題，主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)消除了焊縫，保證了零件的完整性，提高了零件的強(qiáng)度和高度;(2)提高了成形精度和表面質(zhì)量，貼模度達(dá)到0.1mm，減薄率最大為13.8%，壁厚較均勻，而傳統(tǒng)工藝難以滿足成形精度及減薄要求;(3)提高了材料的成形極限，減少了成形道次，周期縮短了20%。4零件表面形貌(1)充液拉深可替代傳統(tǒng)剛性拉深后的焊接成形，提高了效率并降低了成本。充液成形使零件各處所受壓力相等，壁厚減薄相對(duì)更均勻。充液成形提高了零件