数值模拟和实验研究
权国政1 佟 莹2 艾百胜1 廖 旭1
1.重庆大学，重庆,400044
2.重庆电子工程职业学院，重庆,401331
摘要：针对某大型铝合金壳体锻件的形状特点，结合实际制造能力，提出一套成形工艺方案。利用 有限元数值模拟软件D EFORM -3D ，分析了预压坯件形状对终成形效果的影响，研究了摩擦因数、锻造速度、始锻温度对终成形最大载荷的影响规律，解析了该大型铝合金壳体成形过程的4个阶段。通过数值分析和实践经验得出了合理的坯件形状、模具形式及成形工艺参数，消除了成形中可能出现的缺陷，并将成形力控制在250MN 以内，研究内容最终得到了实验验证。 关键词：预成形；弯曲；侧移；始锻温度中图分类号:T G319 文章编号:1004—132X (2008)13—1582—0494crw
Simulation and Experimental Study on Forming Process of Large Aluminum Alloy Shell Forging
Quan Guozheng 1 To ng Y ing 2 Ai Baisheng 1 Liao Xu 1
1.Chongqing University ,Chongqing ,400044
2.Chongqing College of Elect ronic Engineering ,Chongqing ,401331
Abstract :According to t he shape characteristics of large aluminum alloy shell forging and t he ac 2t ual p roduction capacity a p rocess scheme was p roposed.Based on a series of simulation t he influence of forging shape on final forming ,t he influence of f riction factor ,press speed ,initial forging tempera 2t ure on maximum forming force were analyzed ,t hen t he forming p rocess was divided into four p hases.According to numerical analysis and practice experience t he p roper blank dimensions ,die st ruct ure and process parameters were achieved.At t he forming defect s got eliminated ,t he forming load was cont rolled under 25000ton ,and t he research object got test verification.
K ey w ords :p re -form ;bending ;side -away ;initial forging temperat ure
收稿日期:2007—01—07
基金项目：国家科技部技术创新资助项目(07C26215110824)
0 引言
近年来在航空领域大量使用铝合金锻件替代原来的钢结构件，且向大型整体化、高强高韧化、复杂精密化的方向发展。大型铝合金锻件的质量一般应满足三方面的要求：成形尺寸精度高；晶粒组织均匀细化；力学性能定向定量分布。由于尺寸和重量的特殊性，要实现上述质量要求，有着特殊的难度[1,2]。
某航空用发动机壳体零件材质为锻造铝合金2618，具有良好的热塑性加工性能，适合于航空发
动机较高的工作温度条件[3]。由于产品尺寸大、外形较复杂、整体质量要求高，因而成形难度大，若采用经验设计成形工艺则经常产生折迭、填充不满、欠压等诸多缺陷，调试时间长、成形质量不稳定，且锻造火次过多、加工余量过多。因此，研究既能大批量工业生产又能显著降低生产成本、提高材料利用率和生产效率的成形工艺是十分必
要的。
本文采用D EFORM -3D 塑性有限元模拟分析软件对该发动机壳体锻造成形过程进行数值模拟，分析研究了在成形过程中所出现的缺肉、侧移等缺陷，有针对性地优化了预压坯件形状及模具结构，并深入研究了主要工艺参数对终锻成形载荷的影响规律，基于此获得了合理的工艺规范，并得到了实验验证。
1 成形工艺设计
所研究的铝合金发动机壳体(图1)是飞机发动机中最大的、最重要的结构受力件，它在飞机起飞、飞行及降落过程中承受着较大的负荷。因此，它不但要求锻件的流线沿其几何外形分布，而且对成品变形质量、尺寸精度和力学性能都有着非常严格的要求。若是采用铸锭直接模锻，则引起晶粒粗大和机械性能不均匀，且在与模具相接触的变形死区等处容易残留有铸造组织，使产品的安全可靠性难以得到保障。因此锻造铝合金发动 机壳体所需的坯料应是将铸锭经自由锻充分改性后制成的板坯
。
图1 不同角度的锻件形状
该壳体锻件呈半锥环形，其外廓展开尺寸为1400mm ×620mm ×85mm ；外环面最大开口尺寸
为900mm ，最小开口尺寸为840mm ；在C -C 剖
面(图1)上，锻件壁厚在12～48mm 之间变化。根据锻件的形状结构特点，变形方式应包含弯曲、镦粗、挤压、充填等。基于开式模锻成形方式制定发动机壳体成形工艺方案，工艺流程如表1所示。
表1 成形工序
序号1
2
3
4
5
6
工序
内容
下料开坯：采用方锻制板坯预锻：加热、模压、切边机械
加工
A 级
超声
探伤终锻：加
热、模压、切边
2 有限元模型
本次研究设置坯料为塑性体，模具为刚性体
(忽略模具变形)。锻件材料2618采用刚黏塑性
流动应力模型[4]
σ=σ(ε,ε・
,θ)来定义，其中,ε为等
效应变,ε・
为等效应变速率,θ为变形温度。采用剪切摩擦模型[5]τf =μ
k =μσ/3，其中,μ为剪切摩擦因数(μ=0
12),k 为剪切屈服强度。
有限元模型其他条件：坯料初始温度θ=450℃，四面体网格单元数150000，模具预热温度450℃，水压机速度取v =8mm/s ，增量步距1mm 。
3 预成形对终成形的影响模拟分析
3.1 预成形坯件初步设计
按照简化预锻模具结构
、合理分配金属材料
的原则，确定了图2所示的预成形板坯件。坯件
设计要点如下:①由于终锻件口部两直边缘各分布有两个凸耳，且口部边缘厚度大于底部，故板坯两侧的金属较厚大;②根据终锻件半锥形的特点，将板坯设计为梯形;③由于终锻件的内外表面形状复杂程度不同，故将坯件一侧设计为平面，另一侧设计为凸凹形状。3
.2 终成形初步模拟
图3显示了锻件终成形结束时关键部位的充填情况：发动机壳体外表面凸耳部位缺肉(图
图2 预锻制板坯形状
3a )；壳体中间底部在厚度方向完全充满(图3b );
外表面中部的凸包部位缺肉(图3c )。图4显示了对初步设计的预成形坯件进行终成形模拟的结果，发现坯件在变形过程中出现向小头偏移的现象(图4b )。侧移的后果有两个:①导致大头边缘及凸耳部位缺料;②如不改进预成形坯件，则只能通过增大坯件尺寸来保证成形，必然造成浪费。
(a )截面B -B 局部
(b )截面C -C
(c )截面D -D 局部
图3 终成形后不同截面处的充填情况
(各截面位置如图1所示)
(a )变形前
(b )变形结束
图4 终成形过程中坯件侧移现象
3.3 预成形坯件优化及终成形再次模拟
针对上述局部填充不满及错移现象，对预锻
件形状作进一步的优化，如图5所示，与图2相比主要区别有两点:①各部分金属体积分配不同，即
在加大了预锻件边部宽度值的同时，增大了四周的金属体积，减小了心部向四周排挤的金属量，可以更好地满足锻件边部及端部对大量金属材料的需求;②形状有所不同，前者大小两头轮廓处为直线型，后者相应位置为圆弧形，确保坯件经过弯曲变形后与下模贴合并正好位于下模膛中间，而侧移现象完
全消除。对优化后的预成形坯件再次进行终成形模拟，成形过程如图6所示，所得的终锻件各部位充填饱满(图7)
。
图5
预锻制板坯形状
(a )初始状态 (b )弯曲变形后
(c )成形结束后
图6 终成形再次模拟过程
(a )截面B -B (b )截面D -D
图7 终成形再次模拟后不同截面处充填完全饱满
塑料管电晕处理机(各截面位置如图1所示)
通过模拟观察，将发动机壳体终锻大致分为以下4个主要的变形阶段:①弯曲变形阶段，预锻
后的坯件置于下模水平居中位置，上模下行对坯料进行压弯变形;②镦粗变形阶段，当压机下行至坯料弯曲到位后，金属材料在下模模膛内被压缩，由中部向四周排出，其水平尺寸增大，成形载荷开始上升;③充填模腔阶段，变形程度逐渐增大，所需成形载荷逐渐上升;④模具压合、锻造完成阶段，变形金属形成最大投影面积，所需变形力急剧上升。
4 工艺参数对最大成形载荷的影响
4.1 桥部高度的影响
考虑到设备实际成形能力，需要采取措施来
降低最大成形载荷。对模拟进行观察发现：在第2变形阶段(镦粗)开始时，成形载荷开始上升，因此针
对这一阶段提出改进措施以降低成形力：根据锻件的形状特点选用开式模锻工艺，以减小模锻压力；将终锻模具大小两头的飞边槽桥部高度由5mm 改为10mm ，以减小金属排出时的流动阻力。经模拟评价：最大成形载荷F 由原284MN 降至246MN ，且终锻件各部位成形饱满。4.2 摩擦因数的影响
根据环形镦粗试验估计，铝合金变形采用各种润滑剂时的摩擦因数μ介于0106～0124之间，而不用润滑剂时的摩擦因数为0148。润滑可以避免干摩擦并有效改善金属流动，可提高锻件表面质量并利于锻件脱模，同时使模锻时的成形力降低。为了研究摩擦因数对最大成形载荷的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别对摩擦因数为011、012、013、014、015进行模拟，所得影响态势如图8所示。从图8看出：当摩擦因数大于012时，最大成形载荷呈上升态势；当摩擦因数小
于012时，最大成形载荷变化不明显。由此得出
结论：要提高模具寿命，模具型腔表面应尽量抛光，并在生产过程中采用较好的润滑剂均匀喷洒到模具上来得到良好的润滑效果，模具与坯料的
摩擦因数控制在0
12以下。
图8 摩擦因数对最大成形载荷的影响曲线
4.3 锻造速度的影响
为了研究锻造速度对最大成形载荷的影响规律，在保持其他条件不变的情况下，取锻造成形速度分别为7mm/s 、8mm/s 、9mm/s 、10mm/s 、11mm/s 进行模拟分析，所得影响曲线如图9所示。从图9看出：成形力与速度基本成正比例增长，即锻造速度越大，最大成形载荷越大；当锻造速度由9mm/s 提高到10mm/s 时，曲线切矢增大，最大成形载荷的增幅相对较大；在可用锻造力250MN 的前提下，需将锻造速度控制在9mm/s 以内。但锻造速度过低易造成锻件的晶粒粗化，根据实验结果确定锻造速度应控制在7～9mm/s 。
宣传帽图9 压机速度对最大成形载荷的影响曲线
4.4 始锻温度的影响
金属坯料随着加热温度的升高，其塑性指标逐步提高，所以为了降低成形力，减少能量的消耗，应尽可能的提高坯料的始锻温度。但铝合金的加热温度过高，则有害气体(氢气等)损坏坯料表面质量或出现过热和过烧。铝合金2618始锻温度经验值为380～475℃。
为了研究铝合金2618始锻温度对最大成形载荷的影响规律，在保持其他条件不变的情况下，取坯料加热温度分别为375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃进行模拟，所得影响曲线如图10所示。从图10看出：坯料加热温度越高，最大
成形载荷越小；在375℃到450℃之间，基本呈线
性下降；以450℃为拐点曲线趋向缓平。在可用锻造力250MN 的前提下，需将始锻温度控制在435℃以上。但始锻温度过高易引起过热、过烧、晶粒粗化，所以结合实验结果确定铝合金2618的始锻温度范围为435～465℃
应用集成
。
图10 始锻温度对最大成形载荷的影响曲线
5 实验验证
制定实验工艺流程：棒材→热态方锻制板坯
→探伤→热态模压预成形→切边→机械加工→探伤→热态终锻→切边→盐浴炉固溶→淬火→尺寸检测→校正→人工时效→检验。设计的开式锻模如图11所示，在大小端头部位全部敞开，以便于加工;
分模面选在锻件最大轮
图11 终成形开式锻模及实验结果
廓处；设置锁扣和导柱，使模具具有抗偏载和导向
的功能。
终锻前，对坯件加热至450℃，保温90～
100min ；对模具进行预热至400～450℃，对模腔表面均匀喷洒润滑剂。出件时，用吊钳夹住毛边将件吊出，将其大头朝下垂直摆放在料场，试制所得锻件如图11所示。
6 结论
(1)通过模拟预先发现和解决了锻造过程中
出现的缺肉、侧移等问题，减少不必要的模具报废和试模次数，缩短了产品开发周期。
(2)运用模拟手段研究了摩擦因数、锻造速度、始锻温度对终成形最大载荷的影响规律，并结合经验及实验获得了合理的工艺参数。saba-018
(3)设计了成形模具并在250MN 可用压力下进行了生产试制，建立了飞机铝合金发动机壳体的工艺规范，并得到了很好的验证。
参考文献:
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[4] 高永超，华林，赵玉民，等.汽车发电机磁极精锻成
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通大学出版社,1999.
(编辑 马尧发)
作者简介：权国政，男,1980年生。重庆大学机械工程学院讲师、博士。主要研究方向为材料变形行为及仿生复合材料。发表论文12篇。佟 莹，女,1981年生。重庆电子工程职业学院机电工程系助教、硕士。艾百胜，男,1952年生。重庆大学机械工程学院高级工程师。廖 旭，女,1975年生。重庆大学机械工程学院硕士研究生。
