肖智海，熊 俊，姚志文

(南昌航空大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江西 南昌 330063)

1 引言

葉片屬于航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件，承受著多種復(fù)雜應(yīng)力，因此必須具備良好的抗拉性、疲勞強度與耐腐蝕性。通常情況下，葉片型面為復(fù)雜的自由曲面，其金屬材料制作難度較大，生產(chǎn)周期很長。鍛造技術(shù)可以改善零件組織結(jié)構(gòu)，提高力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用在葉片材料制造中。文獻(xiàn)[1]提出基于田口方法的鍛造過程仿真與工藝優(yōu)化。將田口方法、數(shù)值模擬與澆注實驗相結(jié)合，分析澆注溫度、鑄型溫度以及涂料厚度對鎖孔體積率造成的影響，并對鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真獲得最佳工藝方案。文獻(xiàn)[2]提出基于振動技術(shù)的金屬鍛造成型應(yīng)用研究。對振動形式與設(shè)備進(jìn)行分類，分析金屬液的振動處理、振動充型與振動凝固技術(shù)的應(yīng)用；研究鍛造過程中機械振動和超聲波振動對鑄件微觀組織的改變，得出影響靜力力學(xué)性能優(yōu)化的影響因素，總結(jié)不同振動工藝參數(shù)對鍛造性能影響規(guī)律。

上述鍛造方法雖然縮短了生產(chǎn)周期，但是鍛造后工件完整度低，材料利用率不高。為改善這一缺陷，本文利用Deform軟件實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片金屬材料鍛造。Deform屬于一套基于有限元分析的仿真系統(tǒng)軟件[3]，通常用于研究金屬成形有關(guān)的成形工藝與熱處理技術(shù)。其中前處理器可以處理模具與材料信息，構(gòu)建邊界條件；有限元模擬器是集彈性、彈塑性、熱傳遞于一體的有限元求解器；后處理器可將仿真結(jié)果可視化，輸出需要的模擬數(shù)據(jù)信息。在計算機上對鍛造成型過程、材料內(nèi)部微觀變化以及交互作用規(guī)律進(jìn)行計算與預(yù)測，促進(jìn)工業(yè)技術(shù)逐步發(fā)展。

2 鍛造工藝模型組織形式研究

2.1 鍛造過程狀態(tài)劃分

在分析葉片零件制造狀態(tài)和功能基礎(chǔ)上，建立科學(xué)的狀態(tài)模型[4]是金屬材料鍛造重點。狀態(tài)模型一般包含模型數(shù)量確定、模型信息內(nèi)容定義與有效性檢驗三個方面。

1)狀態(tài)模型數(shù)量確定是指結(jié)合工件設(shè)計模型，將制作技術(shù)與約束條件當(dāng)作依據(jù)，針對工藝設(shè)計需求，明確制造狀態(tài)數(shù)量與功能，確定狀態(tài)劃分方法，構(gòu)建信息組織架構(gòu)。

2)狀態(tài)模型信息內(nèi)容定義是指將劃分方案與工件設(shè)計模型分別當(dāng)作指導(dǎo)與基本數(shù)據(jù)，明確定義流程與幾何信息定義方法。將其應(yīng)用在葉片鍛造多態(tài)模型中，形成不同狀態(tài)模型下的幾何信息。

3)有效性檢驗表示檢測已經(jīng)完成模型的有效性，例如能否滿足成形技術(shù)要求、是否可以精確展示工件制造程序。

發(fā)動機葉片金屬材料鍛造過程中包含多個工序，其中任意一個工序又對應(yīng)不同制造狀態(tài)。根據(jù)上述狀態(tài)劃分方法，將成形過程分為以下四種狀態(tài)演化過程。

毛坯態(tài)：結(jié)合設(shè)計模型尺寸大小、體積等參數(shù)，綜合考慮工藝要求挑選棒料毛坯。

中間態(tài)：毛坯不能經(jīng)過一次鍛造就達(dá)到成形需要，因此必須經(jīng)過多個中間工序進(jìn)行過渡。

成形態(tài)：經(jīng)過一些工序過渡后，已經(jīng)確定模型結(jié)構(gòu)，再通過切邊、矯正等處理后即可得到成品工件形狀。

多模態(tài)設(shè)計過程實質(zhì)上是對鍛造程序的逆序推導(dǎo)。在此過程中鍛造模型結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從復(fù)雜到簡單的蛻變。全部鍛造數(shù)據(jù)在不同層面之間相互傳遞。不同層面間都是相互關(guān)聯(lián)的，而這些關(guān)聯(lián)整體構(gòu)成了模型結(jié)構(gòu)。

2.2 狀態(tài)信息組織原則

葉片金屬材料鍛造模型中的信息來自不同制造工序，例如工序設(shè)計、加工過程等。任何狀態(tài)下都包括工藝、技術(shù)說明等信息。信息種類不同導(dǎo)致儲存結(jié)構(gòu)存在較大差異。

工件制造過程被劃分為不同狀態(tài)，每個狀態(tài)的需求和功能盡管有所差別，但是信息內(nèi)容存在相似性。為Deform軟件管理方便，建立以下信息組織原則：

1)構(gòu)建以零件生產(chǎn)模型為根節(jié)點的結(jié)構(gòu)樹[5]，并創(chuàng)造狀態(tài)子節(jié)點；

2)全部鍛造數(shù)據(jù)都和狀態(tài)版本有關(guān)；

3)不同狀態(tài)子節(jié)點之間不能出現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)。

通過上述原則，利用多態(tài)組織生產(chǎn)模型，將工件數(shù)據(jù)以節(jié)點形式組織起來，建立生產(chǎn)模型結(jié)構(gòu)樹，有助于對鍛造不同階段數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

圖1 葉片金屬材料鍛造工藝模型組織形式

3 基于Deform的航空發(fā)動機葉片金屬材料鍛造

3.1 影響鍛造的主要因素

1)刮板對鍛造工藝影響

鍛件制坯能夠為鍛造成形制定合理坯料形狀與尺寸，使金屬材料布滿終鍛膜膛，減輕磨損現(xiàn)象，延長使用壽命。因為刮板截面很多，變化明顯，若將其直接用于鍛造，會出現(xiàn)折疊、部分填充不足等缺陷。

2)溫度對鍛造成形影響

溫度是影響塑性與變形的關(guān)鍵因素，對鍛造過程中組織形態(tài)影響很大。因為發(fā)動機葉片屬于大型模鍛件，因此溫度分布不均會影響金屬塑性流動，出現(xiàn)較多鍛造缺陷。

經(jīng)驗表明，很多因素會對溫度控制產(chǎn)生影響。例如加熱爐溫度、工件和環(huán)境溫度之間的傳導(dǎo)等。這會導(dǎo)致鍛件在發(fā)生形狀變化，在組織形態(tài)上產(chǎn)生不均勻結(jié)晶，導(dǎo)致敏感性開裂、組織性能不均勻等問題。所以對溫度的持續(xù)監(jiān)測對鍛造工藝而言十分必要。

3.2 目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計變量選取

1)鍛件均勻性描述

在判斷鍛件整體變形均勻性時通常利用下述指標(biāo)

(1)

(2)

由式(1)和(2)能夠得出，在表示鍛件變形均勻性時，僅分析了各部分等效應(yīng)變極大值和極小值。但實際鍛造過程中，如果等效應(yīng)數(shù)值相同，但分布情況不一致時，變形均勻性[6]也隨之不同。所以，本文在上述基礎(chǔ)上提出如下評價鍛件變形均勻性指標(biāo)

(3)

(4)

(5)

對3×3單位距離的矩形求解域[7]進(jìn)行分析，如果域內(nèi)僅存在一個單元的應(yīng)變值是1，其它應(yīng)變值都是0，則結(jié)合其具有的對稱特性，將整體應(yīng)變分布狀況可分為三種，分別記做ε11=1，ε11=1以及ε11=1。

從表1中能夠看出，針對三種應(yīng)變分布方式，式(1)和式(2)計算得出的變形均勻性指標(biāo)值都相同，而本文改進(jìn)的方法可以清楚表示不同分布狀況的變形均勻性。三種狀況相對的均勻性指標(biāo)值關(guān)系描述為ε22>ε12>ε11，表明應(yīng)變值為1的單元方位與求解域中心越靠近，其指標(biāo)值越高，變形均勻性越差。

表1 鍛件變形均勻性指標(biāo)值表

2)目標(biāo)函數(shù)

在對多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解時，線性加權(quán)法是較為簡單的方法之一。針對存在兩個目標(biāo)時，其目標(biāo)函數(shù)可描述為

f=ρ1f1+ρ2f2

(6)

式中，f1與f2分別表示鍛件變形較為均勻與模具填充情況的目標(biāo)函數(shù)，本文對其取值為0.7與0.3，這是因為：僅將確保鍛件完整性與僅提高變形均勻性為目標(biāo)，所獲得的形狀是沖突的；在滿足葉片金屬材料完整性要求下最大程度提高其變形均勻性；在實際鍛造過程中，得到完整鍛件比改善變形均勻性更容易實現(xiàn)。

根據(jù)上述分析，f2的計算公式為

(7)

式中，A表示模具腔總體表面積，Acontact代表工件和模具接觸區(qū)域面積。

3)設(shè)計變量

將預(yù)成形葉片坯料根據(jù)最終葉片形狀劃分為多個簡單區(qū)域[8]，利用簡單幾何形狀對這些區(qū)域進(jìn)行表述。將鍛件截面大致分為三部分，其中第一和第三部分表示為矩形，其長寬表示幾何參數(shù)，記做a1、h1與a3、h3；第二部分屬于過渡區(qū)域，利用梯形表示，其上、下底長度為幾何參數(shù)，記做h1、h3，高度表示為a2。綜上所述，預(yù)成形葉片形狀可通過簡單的幾何參數(shù)進(jìn)行表達(dá)，其體積計算公式如下

V=V1+V2+V3

(8)

(9)

(10)

(11)

挑選設(shè)計變量a，b，c，d和以上預(yù)成形幾何參數(shù)的關(guān)系可表示為

a=V1/V

(12)

b=a1

(13)

c=h3

(14)

d=V3/(V-V1)

(15)

此外，為在鍛造過程中利用第一部分定位，必須確保該部分體積足夠大。

因此，本文利用Deform軟件對葉片金屬材料鍛造預(yù)成形設(shè)計變量范圍[9]定義在

(16)

3.3 鍛造工藝參數(shù)確定

1)材料參數(shù)

航空發(fā)動機葉片通常將合金、不銹鋼等作為制作材料，本文利用高壓鈦合金葉片，為國產(chǎn)TC4材料。材料數(shù)據(jù)庫中包括應(yīng)變曲線、松柏比、輻射率等性能參數(shù)。

2)變形溫度

為使TC4鈦合金材料得到較好力學(xué)性能，更加符合葉片抗高溫、耐腐蝕等特性，此種材料通常在(α+β)兩個相區(qū)之間進(jìn)行鍛造，加熱溫度需要結(jié)合鈦金β相變點來設(shè)置，通過測定，β的相變點為990℃。因此坯料加熱理想溫度為940℃，上、下模具溫度控制在200℃左右。

3)網(wǎng)格劃分

在對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行劃分時需要結(jié)合坯料尺寸大小，尺寸越大，劃分?jǐn)?shù)量越多，計算結(jié)果也越精確。本文利用四面體網(wǎng)格劃分方法，葉片長度與寬度分別為200mm與80mm，葉片最小特征尺寸為1mm。結(jié)合上述信息，將坯料網(wǎng)格總數(shù)設(shè)置在10到20萬之間。經(jīng)過對相同坯料分割不同網(wǎng)格數(shù)做模擬計算，確保最后劃分的小網(wǎng)格尺寸在0.6～0.9mm之間。這樣即可準(zhǔn)確體現(xiàn)出大部分葉片不同區(qū)域特性。

4)變形速度

航天發(fā)動機葉片鍛造主要利用螺旋壓力機鍛壓，速度控制更加精確。本文將下行速度區(qū)間設(shè)置在0.5～10m/s，變形速度區(qū)間為2～12m/s。根據(jù)生產(chǎn)實際狀況，將上模當(dāng)作主運動模具，運動速度為3m/s。

5)邊界條件

在鍛造過程中利用石墨潤滑劑起到潤滑作用，其摩擦因子為0.1，成形方法屬于熱成形。假設(shè)鍛造停止條件是上、下模具閉合高度為150mm，為確保最小網(wǎng)格在全部下壓過程中出現(xiàn)塑性變形，則取最小網(wǎng)格的三分之一當(dāng)作邊界條件[10]。

圖2 Deform軟件子程序示意圖

3.4 鍛造過程

在整個鍛造過程中，毛坯不但出現(xiàn)變形現(xiàn)象且和下模發(fā)生熱傳導(dǎo)作用，為使鍛造效果達(dá)到最佳，設(shè)置五次熱傳導(dǎo)與五次錘擊。在錘擊時只需要設(shè)置第一次變形的邊界條件。則完整的鍛造過程為：

1)工件和下模熱傳遞過程，停止時間為2s。模擬步數(shù)是8，模擬步長確定為“With Time Increment”形式；

2)進(jìn)行第一次錘擊操作，模擬步數(shù)是50，模擬步長確定為“With Time Displacement”形式。此時有效錘擊力可達(dá)到80%；

3)工件和下模發(fā)生熱傳導(dǎo)。移動上模，并進(jìn)行初始化，持續(xù)1s熱交換；

4)進(jìn)行第二次錘擊，和2)操作相同；

5)重復(fù)步驟二與步驟三，直到第5次錘擊結(jié)束，即可完成全部鍛造過程。

上述任意一步完成后，可形成數(shù)據(jù)庫文件，Deform軟件可對這些文件進(jìn)行自動求解。

圖3 鍛造加工過程流程圖

4 仿真數(shù)據(jù)分析與研究

為驗證基于Deform的葉片金屬材料鍛造的可行性，進(jìn)行仿真。利用UG NX6.0軟件實現(xiàn)工件與模具的幾何造型建模，并將其輸出為Deform軟件支持的格式。本次仿真的模具材料是熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，將模具加熱到90°，工件取出的原始溫度為1000℃。

鍛件變形均勻程度會影響晶粒尺寸均勻情況，所以必須滿足均勻需求。以1000℃及1300℃的鍛造溫度為例，得到溫度與變形均勻性系數(shù)影響關(guān)系如圖4所示。

圖4 溫度與變形均勻性系數(shù)影響

從圖4中可以看出，在1000℃下，隨著應(yīng)變速率的增加，鍛件變形均勻性系數(shù)逐漸降低，表明鍛件的變形程度越均勻；當(dāng)溫度升至1300℃時，鍛件的變形均勻性系數(shù)明顯降低，同時隨應(yīng)變速率的增加，鍛件變形均勻性系數(shù)逐漸降低。實驗結(jié)果表明，鍛件的變形程度隨著溫度的升高及應(yīng)變速率的增加變得越來越均勻，滿足鍛造要求。

在實際工藝設(shè)計中必須考慮鍛造后工件完整程度，將本文方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行對比。利用不同方法隨機選出鍛件對比其完整程度，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法鍛造工件完整度對比圖

從圖5中可以看出，本文鍛造方法獲得的最終鍛件完整度高，而其它兩種方法邊緣部分出現(xiàn)不同程度缺失現(xiàn)象，這是因為所提方法設(shè)置了準(zhǔn)確邊界條件，提高工件完整度。

在此基礎(chǔ)上對材料利用效率進(jìn)行比較。對比結(jié)果分別如圖6所示。

圖6 不同方法鍛造材料利用率對比圖

分析圖6可以看出，在經(jīng)過多次試驗后，三種方法對于鍛造材料的使用率均保持穩(wěn)定，其中文獻(xiàn)[1]方法的鍛造材料利用率平均值為71%，文獻(xiàn)[2]方法的鍛造材料利用率平均值為64%，本文方法的鍛造材料利用率平均值為91%，本文方法利用率始終高于其它方法，這是由于該方法使用Deform軟件設(shè)計變量，精準(zhǔn)控制材料使用情況。

5 結(jié)論

對于航空發(fā)動機葉片鍛造技術(shù)的特殊性，本文在Deform軟件基礎(chǔ)上實現(xiàn)葉片金屬材料鍛造仿真。結(jié)果表明，該方法可以滿足鍛件變形均勻性要求，且提高鍛件完整度與材料使用效率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，增強企業(yè)市場競爭力。在今后研究中可實現(xiàn)鍛造過程向智能制造技術(shù)改變，需進(jìn)一步開發(fā)工藝設(shè)計與優(yōu)化專家系統(tǒng)，真正意義上實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片智能制造。