主推力节锻造成形过程有限元模拟

文/李治华·沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 曾卫东·西北工业大学

随着航空、航天等高科技领域的迅猛发展，对航空、航天锻件的先进塑性加工技术提出了越来越高的要求。然而，航空、航天锻件的塑性变形特点是几何非线性、材料非线性和边界非线性，过程复杂影响因素多。在传统的工艺设计中，是基于经验反复试错纠正，最终达到设计要求，这种方法带来的影响是研制周期长、效率低、成本高。近年来，随着计算机软硬件的飞速发展，数值模拟技术在减少试模过程，缩短产品开发周期，降低产品成本等方面发挥着越来越重要的作用。将有限元仿真技术应用于先进航空发动机零部件的工艺准备阶段，根据分析结果优化工艺方案和工艺参数，避免缺陷的产生，从而提高产品质量。数值模拟技术已成为使塑性加工由“经验”走向“科学”、由“定性”走向“定量”的桥梁，并逐渐成为塑性加工技术研究和发展的强有力工具。

40CrNiMoА 钢是一种优良的低合金高强度调质钢，有良好的室温强度、塑性以及淬透性，广泛应用于航空、汽车等领域。航空发动机用40CrNiMoА 主推力节整体结构为有一定弯曲角度的薄壁锻件，包括多个异面凸台和与凸台相连接的筋板，属于高筋薄壁的复杂零件，在锻造成形过程中容易出现充不满、折叠等缺陷。为防止锻件在成形过程中产生缺陷，我们利用Deform-3D 数值模拟仿真软件对40CrNiMoА 主推力节锻造成形过程，进行三维有限元模拟，动态展现锻件成形过程的金属流动，分析温度场和应变场的分布规律，预测锻件的折叠和充不满等成形缺陷，从而为工艺设计提供参考和理论依据。

有限元模拟条件

初始条件设定

根据模具设计得到的结果，应用绘图软件UG 对模具和坯料进行三维实体造型，将图形以STL 格式保存，导入Deform-3D 前处理器。主推力节锻造过程模拟的有限元模型，如图1 所示。

材料定义

在材料成形过程中，模具一般只发生微小的弹性变形，本文将模具设置为刚体，锻件的材料设定为40CrNiMoА。

模拟参数的设定

图1 主推力节锻件模拟模型

锻造过程模拟参数包括工/模具材料、模具预热温度、锻造温度、锻造速度和摩擦条件等。为了保证几何模型的离散和计算精度，采用四面体网格进行几何体的网格划分。网格的大小对有限元模拟的精度和效率有很大影响，网格划分越细，计算精度越高，但计算时间相对较长，网格划分太粗，计算精度不高，且无法获得准确的模拟结果，本文选用的网格大小为1.03mm。主推力节是一个左右完全对称的锻件，为了减少模拟计算时间，在不影响计算精度的同时，取主推力节的二分之一进行模拟，按对称性边界条件进行设定。实际模拟过程工艺参数设定见表1。

有限元模拟结果与分析

利用Deform-3D 的后处理功能，可以直观地观察到在变形过程中锻件的外形、内部的温度场、等效应力场、等效塑性应变场和等效应变速率场等各种场变量的变化情况，从而对整个成形过程进行分析，预测缺陷的产生。图2 为主推力节模拟所采用的上、下模具和坯料的几何形状。坯料结构设计为外形近似梯形，上底面为平面，根据锻件不同部位结构的特征，在下底面设有高低不同的台阶，保证锻件的最终成形。

图3 为40CrNiMoА 主推力节在成形过程中形状的变化。从图中可以看出，当上模向下运动时，下模首先与坯料大端最高的台阶接触，压出了中间三道和边缘两道筋的痕迹，但因为只与最高的台阶接触，长度很短，如图3(b)所示。随着变形的进行，坯料大端的五道筋逐步充填、变长，下模接触坯料的中间和小端台阶，中间和小端凸台开始成形，如图3(с)所示。上模继续下压，坯料大端的五道筋充填的同时，金属向中间凸台挤压，使中间和小端凸台逐步充填成形，形成了一定的毛边，如图3(d)所示。毛边形成后阻碍金属向外流动，有助于向凸台、筋部等型腔深处充填。从整个成形过程可以看出：坯料在成形过程中充填性能良好，筋部和凸台能够完全充满，无折叠、毛边均匀，表明主推力节成形工艺是合理的。但锻件部分毛边有点偏大，建议在保证成形质量的同时，对坯料的形状和重量进行适当的调整。

表1 主推力节锻件模拟过程参数

图2 主推力节的上、下模具和坯料的几何形状

图3 主推力节在成形过程中的形状变化

图4 为主推力节成形过程温度场分布情况。从图中可以看出，变形到555 步时，由于模具最先与坯料大端台阶接触，导致局部温度下降，坯料小端和中间凸台接触时间较晚，温度有所下降但比坯料大端下降少，其余没有与模具接触的地方只能通过与环境的辐射和对流传热，热量散失少，温度下降很少。随着变形继续进行，坯料本体的温度下降，但温度分布的大体趋势没有变，即坯料大端温度最低。650 步时开始形成毛边，由于3t 模锻锤成形速度很快，毛边桥部又很窄，多余的金属从毛边剧烈挤出，产生的变形热使毛边出现了瞬时的温升。由于毛边很薄，又与温度较低的模具接触，所以其热量会迅速传递给模具。

图4 主推力节成形过程温度场分布

图5 主推力节成形过程的等效应变场分布

图5 为主推力节成形过程的等效应变分布。从图中可以看出，应变随着变形的进行不断增大。在成形过程中，上模先与坯料大端台阶接触，此时坯料大端应变最大，随着变形继续进行，坯料小端和中间凸台逐步成形，局部应变增大，毛边形成以后毛边处的等效应变最大。从等效应变分布来看，除了毛边的等效应变最大外，锻件本体大端的圆柱形凸台附近等效应变最大，其次是筋与腹板的交接处，腹板上的等效应变最低。高筋薄壁的特点决定了局部的塑性应变会比较大。

结束语

本文通过对40CrNiMoА 主推力节的锻造成形过程进行模拟，分析了金属流动、温度场和应变场等变化规律，发现主推力节成形过程顺利，效果较好，说明锻造工艺制定合理。成形后锻件的毛边稍大，可适当通过调整坯料的大小来进行改善。