張冰波

（空裝駐保定地區(qū)軍事代表室，河北 保定 071000）

石墨密封系統(tǒng)作為航空高溫密封元器件，被應用于多種所需耐高溫動密封組，其核心彈性特性對于扭矩傳遞過程中的振動、沖擊以及噪聲等控制都起到關鍵作用。為了緩沖發(fā)動機啟動以及運行過程總瞬間造成的沖擊、振動，通常都需要把具有軸向彈性結構的波形彈簧安裝在石墨接觸面內側。此外，波形彈簧作為航空密封體系中的重要組成件，是航空發(fā)動機主氣流通道和二次氣流通道以及各種非金屬/金屬密封系統(tǒng)重要組成部分，其主要作用則是在體系中發(fā)揮彈性補償作用。近年來隨著我國航空發(fā)動機技術和性能的不斷改進，波形彈簧需要適應更加嚴苛的工作條件，這對波形彈簧的設計選材以工藝制造提出了更高的要求[1]。波形彈簧結構為帶有若干個正弦波形環(huán)件，相較于傳統(tǒng)彈簧，波形彈簧的變形能是由波峰波谷的變形存儲決定的，軸向或徑向尺寸普遍較小，擁有了更好的儲能、緩沖、減震和降噪能力[2-4]。通常波形彈簧只需占用螺旋彈簧所需空間的30%～50%就能達到同級別性能要求。

目前國內外主流波形彈簧的制造方法主要為沖壓或者液壓成形[5-6]，液壓回彈則成為了成形制造中不可避免的缺陷，其與諸多因素相關。如材料的力學性能、工序造型以及板料的外形一致性等。這也導致了波形彈簧回彈難以準確預測和有效控制。該缺陷的存在不僅會嚴重影響零件尺寸精度，還會導致零件受力的不均從而促使密封失效。因此，彈簧成形的回彈性準確預測是保證波簧有效制造獲得良好商品性以及適用性的至關重要因素之一。

本文將以GH738 鎳基高溫合金板的成形工藝為研究對象，研究影響液壓成形的回彈因素。首先，基于當前某航空企業(yè)壓載裝置，進行基本外形構建并使其鋼板產生局部塑性變形。隨著加載量的增大，板材變形程度逐漸增大，待達到目標形狀后，卸載完成加載過程。然后，通過ABAQUS 軟件進行數(shù)值仿真，對比實驗結果以驗證仿真方法的有效性，并基于該方法，分別分析鋼板局部液壓成形過程中影響回彈的各種因素。最后，根據(jù)計算結果得到厚度等影響因素與回彈之間的關系[6-8]。

1 波形彈簧幾何特征

當前石墨密封組件單波形彈簧環(huán)結構示意圖如圖1 所示，主要幾何參數(shù)：外徑D=Φ90mm，內徑d=Φ86 mm，壁厚δ=0.4 mm，自由高度h=8 mm，整體走向為正弦波波形，總3 組波峰波谷。

圖1 波形彈簧結構示意圖

2 波形彈簧的成形有限元建模建立

2.1 材料模型

本次仿真所用的材料為高溫鎳基合金GH738，通過單向拉伸試驗獲得材料的超薄壁鋼板的應力－應變曲線，具體參數(shù)如圖2 所示?；玖W物理性能指數(shù)見表1。

表1 GH738 材料基本力學性能

圖2 GH738 真應力應變測試曲線

2.2 仿真模型

基于ABAQUS/Explicit 軟件平臺建立了如圖3 所示的液壓有限元模型，建模過程中解決了以下關鍵技術。

圖3 GH738 波形彈簧搭載模型

2.2.1 網格處理

在液壓成形過程，上模勻速下壓，依據(jù)常規(guī)成形法對應模型建立，設計圓形料作為成形坯，其內外徑尺寸與波形彈簧內外尺寸一致。其固定在下模成形面上，材料在上模凸起位置逐漸下壓成形，因而可將模具設定為剛體，以達到減少計算時間的目的。波形彈簧網格類型采用C3D8R 八結點線性六面體單元，減縮積分，尺寸為0.2 mm，元素總數(shù)為8 113。通過比對發(fā)現(xiàn)殼體計算和三維實體計算結果相差不大，因而本次仿真采用殼體輸入厚度以達到比對目的。

2.2.2 條件輸入

摩擦力符合庫倫摩擦定律，摩擦系數(shù)取0.2。接觸屬性采用罰函數(shù)摩擦模型，模具與圓坯采用“surfaceto-surface”模型。波形彈簧材料設為彈塑性材料，塑性變形服從Mises 屈服準則，彈性模量符合楊氏模量，具體數(shù)值如圖2 所示。

2.2.3 基本假設

2.2.4 成形及卸料加載

選取下模，給予邊界約束六個自由度，設置圓形坯料與下模接觸并固定（需給予厚度間隙并保證大變形可行以確保計算能夠持續(xù)），設置摩擦系數(shù)0.2。上模給予Y向下壓，計算方法需采用動力-顯示仿真計算法，通過設定AMP（幅值）確定勻速5 m/min 下壓速度，計算至上下模間距為0.4 mm 板厚則停止，隨后靜置0.6 s后剛性上模上升回至初始位置，至此完成波形彈簧的成形和材料回彈仿真，如圖4 所示。

圖4 波形彈簧回彈示意圖

3 結果與討論

3.1 有限元模擬條件與評價指標

采用卸載前、后板材的撓度值來描述回彈量。回彈量采用SB（Springback）評價

具體計算方法如圖5 所示[9-10]。

圖5 回彈計算示意圖

3.2 有限元模擬結果分析

圖6 為液壓成形前后的等效應力的比較圖。從圖6（a）中可以看出，彈簧的波峰和波谷處等效應力最大，而峰谷過渡段則應力最小。從圖6（b）中可以看出，卸載回彈后波峰邊沿位置應力較大，主要在外沿位置，而波谷則在內沿位置。

圖6 回彈前后的米塞斯應力分布示意圖

此外同樣可以注意到，波形彈簧在受壓卸載前所展示的等效應變主要集中在波簧的波峰和波谷的邊沿位置處，如圖7 所示。而受力卸載后，波簧的主要等效應變位置幾乎不變，然而所受影響的區(qū)域面積有一定程度的下降。

圖7 波形彈簧卸載前后的等效應變位置示意圖

3.3 回彈分析

圖8 是波簧成形卸載前后的總高度分析。由圖8 可知，卸料后彈簧因回彈效應，相比成形加載預期為8 mm 高度，最終所能保持的高度僅約為8-3.67=4.33 mm。由此可知，Y向加載方向的回彈量為

圖8 波形彈簧成形向回彈位移比對

結合上文中計算等效應變分布可知，峰谷過渡段區(qū)域在卸載后所表現(xiàn)出的回彈量相比波峰更大，而波峰波谷在回彈后依然保持了部分彎曲。造成這種現(xiàn)象的原因是：環(huán)件在受力過程中，不同位置所受彎曲不盡相同。位置彎曲程度越低，則所受的塑性形變越小，彈性變形則越大。因而最終結果是在壓力卸載后彈性區(qū)變形回彈，過程中彈性應變能得以釋放。

4 板材厚度對回彈的影響

波形彈簧的回彈特性受到多因素綜合影響，在實際工程應用中，板材厚度尺寸的選取常根據(jù)具體情況而定，因而它是成形控制中的一個重要的考慮因素。下文主要研究的內容是超薄壁高溫合金鋼板，在保持板材內外直徑不變的情況下，重點比對板材厚度對最終回彈量的影響。在相同液壓以及動力顯式仿真成形條件下，對板材材料選取比較其回彈值。

由當前計算值可知，隨著板材厚度的增加，材料在卸載液壓后的回彈值也表現(xiàn)出較為明顯的增長趨勢（圖9）。值得注意的是采用增加材料寬度形式計算后發(fā)現(xiàn)，波形彈簧的回彈量變化量相對變化不大，僅表現(xiàn)出輕微的上升趨勢（圖10）。

圖9 厚度參數(shù)及回彈量分析圖

圖10 寬度參數(shù)及回彈量分析圖

厚度以及寬度的增加一定程度上促進了截面方向或徑向彈性區(qū)域的擴展，促使板材的總彈性變形成分區(qū)域在同樣液壓高度下在總變形區(qū)占比少量的增加，因此，卸載后板材因彈性變形引起的回彈量也隨之增加[11]。

5 結論

本文基于ABAQUS 動力顯示仿真有限元分析方法，對GH738 波形彈簧的成形以及卸載回彈進行研究，得到以下結論。

1）GH738 高溫合金，總高為8 mm，波數(shù)N=3 的波形彈簧采用基于原高度所設計的液壓?；貜椓繛?.165 mm。

2）本研究中，峰谷過渡段區(qū)域在卸載后所表現(xiàn)出的回彈量相比波峰更大，而波峰波谷在回彈后依然保持了部分彎曲，這是由于過渡段塑性變形區(qū)面積更小所致。

3）波簧的回彈量與板材厚度息息相關，隨著厚度的增加，成形過程中表現(xiàn)出了更大的回彈量，這是由于截面厚度增加導致了彈性區(qū)變大，從而引起了卸載過程中回彈增加。