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        環(huán)形腹板零件成形工藝技術(shù)研究

        2021-05-08 04:06:52孫培秋王立成李曉光
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年4期
        關(guān)鍵詞:皺褶壓邊起皺

        孫培秋 王立成 李曉光

        (中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司,遼寧 沈陽 110043)

        0 引言

        GH907是1種以鐵-鎳-鈷為基的低膨脹高溫合金,用礬、鈦、硅和微量硼進行綜合強化,在650 ℃以下具有很高的強度[1],低的膨脹系數(shù),良好的疲勞性能以及幾乎恒定不變的彈性模量,居里點(拐點)為400 ℃~450 ℃,居里點以下呈鐵磁性,居里點以上呈順磁性。該合金適合于制造650 ℃以下,控制間隙大小的各類航空發(fā)動機環(huán)形件和機匣[2]。

        GH907合金已廣泛應用于航空發(fā)動機的各種控制間隙的環(huán)形件[3-5],可以明顯地提高發(fā)動機效率。主要用于高壓壓氣機轉(zhuǎn)子外環(huán)塊、后機匣、承力環(huán)、燃燒室封嚴環(huán)、蜂窩座、高壓渦輪機匣后段、支撐環(huán)和隔熱環(huán)等零件制造。

        內(nèi)環(huán)腹板是發(fā)動機重要的結(jié)構(gòu)部件,采用GH907薄板拉深成形加工而成。一直存在零件成形型面質(zhì)量差、尺寸超差的問題,初步分析與工藝方法、模具結(jié)構(gòu)、成形參數(shù)選擇等因素有關(guān),通過對上述問題的改進,提高制件的成形質(zhì)量,從而降低廢品率。

        1 工藝難點分析及解決措施

        1.1 材料性能

        試驗原料GH907合金的化學成分為鈮、鈦、鈷、硅和微量硼等元素,見表1[6]。厚度為1 mm;試樣狀態(tài)為1040 ℃,固溶狀態(tài);環(huán)境溫度為22 ℃。

        GH907合金板材固溶處理后室溫抗拉強度﹥990 MPa,屈服強度﹥550 MPa,延展率可以達到25 %。由材料性能可以看出,零件材料常溫下塑性較差,在力學性能上具有屈服強度大、屈強比高的特點,在成型上表現(xiàn) 為變形范圍窄、易開裂、回彈大和尺寸精度難于保證。

        GH907合金板材時效處理后室溫抗拉強度﹥1000 MPa,屈服強度﹥725 MPa,延展率僅有6 %。彈性模量恒定,使用中變形很小,制件主要利用材料的這一特點,滿足性能要求[7]。

        1.2 零件結(jié)構(gòu)簡介

        如圖1所示,內(nèi)環(huán)腹板是薄板成形件,材料GH907,料厚1 mm。其結(jié)構(gòu)特點是環(huán)形成形件,內(nèi)直邊直徑mm,拉深高度32.3 mm,外側(cè)成形出“V”形法蘭邊,法蘭邊直徑mm,“V”形角度90 °。零件公差要求較嚴格,成型難度較大,在成形過程中容易出現(xiàn)起皺、裂紋及尺寸回彈等問題。

        表1 GH907合金的化學成分

        圖1 低壓一導內(nèi)環(huán)腹板示意圖

        1.3 存在問題及原因分析

        該件結(jié)構(gòu)復雜,拉深成型工序及熱處理、腐蝕、涂漆、除漆工序多,相應的模具較多,加工中存在起皺、裂紋的問題。另外,零件彈性模量大,尺寸回彈很難精確地計算和控制。根據(jù)內(nèi)環(huán)腹板結(jié)構(gòu)重點,設(shè)計了翻邊成形和拉深成形2套方案。

        翻邊成形采用圓形坯料,先拉深“V”形法蘭邊,然后中心開孔,熱處理后翻邊成形內(nèi)直邊,然后機加出零件的最終尺寸。該方案存在的問題主要為內(nèi)壁面型面不規(guī)則,出現(xiàn)多棱形,且直口末端回彈大,未完全翻直,存在圓角殘留,采用滾形校正直邊且效果不穩(wěn)定,無法完全校正回圖紙要求的型面。分析認為該方案拉深量較小,可以有效地避免法蘭邊起皺,由于內(nèi)直邊翻邊量過大,因此翻邊時易產(chǎn)生破裂。同時,由于材料彈性模量大,因此翻邊處產(chǎn)生回彈。

        拉深成形采用圓形坯料,先拉深內(nèi)直口,熱處理后再拉深法蘭邊,熱處理后經(jīng)過模具校型,保證型面要求,最后機加出零件最終尺寸。該方案可以避免內(nèi)直口破裂和回彈,但是成形后法蘭邊褶皺嚴重,尤其是拉深直口工序,而且熱處理后變形,影響零件精度。經(jīng)過分析,該方案拉深量過大,外圈毛料大,在第一次拉深時即起皺嚴重,后續(xù)拉深法蘭邊時皺褶加重且無法消除。同時,零件熱處理后應力釋放,造成扭曲變形。

        為了改變零件成形的現(xiàn)狀,需要對該零件的成形方法進行改進設(shè)計。通過分析,翻邊成形方案存在的問題主要與材料特性相關(guān),暫時不能通過工藝改進消除,因此不在該方案的基礎(chǔ)上改進。拉深成形方案存在的問題主要是工藝方法的改進及模具、成形參數(shù)等優(yōu)化,在該方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計,而改進方案的關(guān)鍵在于控制拉深直口時控制皺褶的產(chǎn)生。

        1.4 成形改進技術(shù)方案

        目前拉深的主要工藝流程為下料→尖邊倒圓→涂漆→拉深直口(4000 kN液壓機,拉深模具壓邊力不均衡)→熱處理→涂漆→成型法蘭邊(4000 kN液壓機)→熱處理→吹砂→手工敲修→車加工端面與止口(立式車床)→最終檢驗。

        改進后的主要工藝流程為下料→尖邊倒圓→涂漆→拉深直口(4000 kN液壓機,改進拉深模具和成形參數(shù),均勻壓邊力,消褶)→熱處理→涂漆→成型法蘭邊(4000 kN液壓機)→熱處理、吹砂→涂漆→校正型面(4000 kN液壓機,增加校正,消除熱處理變形)→除漆→手工敲修→車加工端面與止口(立式車床)→最終檢驗。為了驗證改進方案的合理可行性,對改進后的工藝過程進行數(shù)值模擬仿真分析。

        1.4.1 數(shù)值模擬仿真優(yōu)化(采用1/4模型)

        采用UGS NX7.5軟件提供的三維造型平臺對零件進行了三維實體造型。有限元模擬實驗中選用美國ETA和LSTS公司聯(lián)合研發(fā)的Dynaform軟件。Dynaform采用基于顯式動力算法的LS-DYNA求解器[8]。

        1.4.1.1 拉深內(nèi)直邊

        1.4.1.1.1 分析模型及參數(shù)設(shè)置

        按拉深成形的工藝路線,進行改進模擬分析,采用圓形坯料,拉深內(nèi)直口分析模型圖及壓力加載曲線如圖2和圖3所示。

        1.4.1.1.2 模擬結(jié)果及分析

        液壓成形的主要失效形式為法蘭邊的起皺及破裂,法蘭區(qū)的起皺通過壓邊圈的方式可以消除,合適的壓邊力能夠有效地避免破裂發(fā)生。最大減薄約為12.182 %,最大增厚3.720 %,成形過程無起皺和破裂趨勢。上述模擬結(jié)果表明,增大壓邊力(從原使用的70 t增大到350 t),能夠消除一拉時法蘭邊起皺,且無拉裂風險。

        1.4.1.2 初拉法蘭邊

        1.4.1.2.1 分析模型及參數(shù)設(shè)置

        采用拉深內(nèi)直口后,進行熱處理消除應力,拉伸法蘭邊,圖4和圖5為初拉法蘭邊分析模型圖及壓力加載曲線。

        圖2 分析模型

        圖3 壓邊力加載曲線模擬結(jié)果及分析

        圖4 分析模型

        圖5 壓邊力加載曲線模擬結(jié)果及分析

        1.4.1.2.2 模擬結(jié)果及分析

        初拉法蘭邊最大減薄約為12.784 %,最大增厚4.301 %,成形過程無起皺和破裂趨勢。上述模擬結(jié)果表明,采用帶壓邊的法蘭邊脹形加工,能夠消除法蘭邊拉深時起皺風險。

        1.4.1.3 型面校正

        1.4.1.3.1 分析模型及參數(shù)設(shè)置

        熱處理消除初拉法蘭邊產(chǎn)生應力,為了保證型面要求,最后機加出零件最終尺寸,進行型面校正模型圖及壓力加載曲線如圖6和圖7所示。

        1.4.1.3.2 模擬結(jié)果及分析

        最大減薄約為13.477 %,最大增厚4.665 %,成形過程無起皺及破裂。模擬結(jié)果表明,整體減薄控制在合理范圍內(nèi),法蘭邊存在回彈,后期需要修模和熱處理抑制回彈[9]。

        通過模擬分析得出,通過均勻并增大壓邊力能有效地消除直口拉深成形時的皺褶。

        1.4.2 改進方案確定

        1.4.2.1 優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu),均勻壓邊力

        由于工廠的成形設(shè)備400 t液壓機選用的頂桿位置為非沿圓周均布,在拉深過程中壓邊力不均而引起皺褶。為了保證壓邊力均勻,對拉深直口模具進行結(jié)構(gòu)改進,如圖8所示。

        改進后模具為均衡壓邊力,在原外圈頂桿的內(nèi)側(cè)按設(shè)備置板孔位置,增加1圈四處頂桿孔,并將凸模干涉處銑豁口避讓。這樣,在零件拉深時,內(nèi)外圈頂桿同時頂出,保證壓邊力均勻地作用在坯料法蘭邊,防止起皺。

        1.4.2.2 優(yōu)化加工參數(shù),增大壓邊力,減小法蘭邊皺褶

        按模擬結(jié)果,拉深時增加壓邊力可以減小皺褶,且沒有拉裂風險。

        2 實際應用介紹

        2.1 拉深成形改進試驗

        2.1.1 成形設(shè)備

        400 t液壓機(天津鍛壓力機廠,YH27-400A)。

        圖6 分析模型

        圖7 壓邊力加載曲線

        圖8 改進后的直口拉深模具示意圖

        2.1.2 成形試驗過程

        液壓機的成形試驗過程包括以下3道工序。

        2.1.2.1 拉深直口工序

        采用改進后的模具均勻壓邊力,同時,壓邊力從70 t提高到150 t(受設(shè)備能力限制,150 t已為設(shè)備極限),成形后零件還有輕微皺褶。進一步對操作過程進行調(diào)整,在零件壓下一半時,抬起床頭,旋轉(zhuǎn)毛坯,進一步控制皺褶的產(chǎn)生,調(diào)整后皺褶更輕。

        2.1.2.2 初拉法蘭邊工序

        新設(shè)計模具增大圓角,為后續(xù)校正留出變形量,控制零件變形。成形后,未產(chǎn)生新皺褶。

        2.1.2.3 校正工序

        采用原二拉模具,所有尺寸符合設(shè)計圖紙,通過對圓角部位的脹型,產(chǎn)生塑性變形,消除熱處理變形,零件型面符合要求。

        2.2 試驗結(jié)果分析

        試驗結(jié)果表明,調(diào)整零件工藝流程,改進拉深直口模具頂出桿位置來均勻壓邊力,并調(diào)整各工序成形參數(shù),可以有效地消除零件皺褶和破裂風險,提高零件型面符合性。受設(shè)備條件的限制,仍然沒有達到最優(yōu)成形參數(shù)的標準,如果需要繼續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量,可以考慮采用更大設(shè)備或直接改變工藝方法,采用充液成形等工藝,進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

        3 結(jié)語

        環(huán)形腹板零件采用調(diào)整零件工藝流程,改進拉深直口模具頂出桿位置來均勻壓邊力,并調(diào)整各工序成形參數(shù)等工藝改進措施,解決了成形零件型面不合格、法蘭邊皺褶嚴重、翻邊成形裂紋的問題,減少了廢品損失,以及因零件返工而增加的無效生產(chǎn)周期,提高了加工效率。工藝方案正確、可行,工藝路線合理,具有實際應用價值。

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