隨著航空、航天等高科技領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對航空、航天鍛件的先進(jìn)塑性加工技術(shù)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(diǎn)是幾何非線性、材料非線性和邊界非線性，過程復(fù)雜影響因素多。在傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)中，是基于經(jīng)驗(yàn)反復(fù)試錯(cuò)糾正，最終達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在減少試模過程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的工藝準(zhǔn)備階段，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化工藝方案和工藝參數(shù)，避免缺陷的產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)值模擬技術(shù)已成為使塑性加工由“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”、由“定性”走向“定量”的橋梁，并逐漸成為塑性加工技術(shù)研究和發(fā)展的強(qiáng)有力工具。40CrNiMoА 鋼是一種優(yōu)良的低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，有良好的室溫強(qiáng)度、塑性以及淬透性，廣泛應(yīng)用于航空、汽車等領(lǐng)域。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用40CrNiMoА 主推力節(jié)整體結(jié)構(gòu)為有一定彎曲角度的薄壁鍛件，包括多個(gè)異面凸臺(tái)和與凸臺(tái)相連接的筋板，屬于高筋薄壁的復(fù)雜零件，在鍛造成形過程中容易出現(xiàn)充不滿、折疊等缺陷。為防止鍛件在成形過程中產(chǎn)生缺陷，我們利用Deform-3D 數(shù)值模擬仿真軟件對40CrNiMoА 主推力節(jié)鍛造成形過程，進(jìn)行三維有限元模擬，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)鍛件成形過程的金屬流動(dòng)，分析溫度場和應(yīng)變場的分布規(guī)律，預(yù)測鍛件的折疊和充不滿等成形缺陷，從而為工藝設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。
有限元模擬條件
根據(jù)模具設(shè)計(jì)得到的結(jié)果，應(yīng)用繪圖軟件UG 對模具和坯料進(jìn)行三維實(shí)體造型，將圖形以STL 格式保存，導(dǎo)入Deform-3D 前處理器。主推力節(jié)鍛造過程模擬的有限元模型，如圖1 所示。在材料成形過程中，模具一般只發(fā)生微小的彈性變形，本文將模具設(shè)置為剛體，鍛件的材料設(shè)定為40CrNiMoА。
鍛造過程模擬參數(shù)包括工/模具材料、模具預(yù)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(jì)算精度，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行幾何體的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的大小對有限元模擬的精度和效率有很大影響，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算精度越高，但計(jì)算時(shí)間相對較長，網(wǎng)格劃分太粗，計(jì)算精度不高，且無法獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，本文選用的網(wǎng)格大小為1.03mm。主推力節(jié)是一個(gè)左右完全對稱的鍛件，為了減少模擬計(jì)算時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的同時(shí)，取主推力節(jié)的二分之一進(jìn)行模擬，按對稱性邊界條件進(jìn)行設(shè)定。實(shí)際模擬過程工藝參數(shù)設(shè)定見表1。有限元模擬結(jié)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(nèi)部的溫度場、等效應(yīng)力場、等效塑性應(yīng)變場和等效應(yīng)變速率場等各種場變量的變化情況，從而對整個(gè)成形過程進(jìn)行分析，預(yù)測缺陷的產(chǎn)生。圖2 為主推力節(jié)模擬所采用的上、下模具和坯料的幾何形狀。坯料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為外形近似梯形，上底面為平面，根據(jù)鍛件不同部位結(jié)構(gòu)的特征，在下底面設(shè)有高低不同的臺(tái)階，保證鍛件的最終成形。圖3 為40CrNiMoА 主推力節(jié)在成形過程中形狀的變化。從圖中可以看出，當(dāng)上模向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，下模首先與坯料大端最高的臺(tái)階接觸，壓出了中間三道和邊緣兩道筋的痕跡，但因?yàn)橹慌c最高的臺(tái)階接觸，長度很短，如圖3(b)所示。隨著變形的進(jìn)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(tái)階，中間和小端凸臺(tái)開始成形，如圖3(с)所示。上模繼續(xù)下壓，坯料大端的五道筋充填的同時(shí)，金屬向中間凸臺(tái)擠壓，使中間和小端凸臺(tái)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(dòng)，有助于向凸臺(tái)、筋部等型腔深處充填。從整個(gè)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(tái)能夠完全充滿，無折疊、毛邊均勻，表明主推力節(jié)成形工藝是合理的。但鍛件部分毛邊有點(diǎn)偏大，建議在保證成形質(zhì)量的同時(shí)，對坯料的形狀和重量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
