航空發(fā)動機高錐體零件充液成形工藝研究

航空發(fā)動機高錐體零件充液成形工藝研究

飛機是飛機的主要部件之一，由于其獨特的優(yōu)點，建模在航空發(fā)動機中發(fā)揮著非常重要的作用。從發(fā)動機前的整流口到尾噴口，節(jié)省的數量約占航空發(fā)動機的30%。新型航空發(fā)動機的鈑金件呈現以下趨勢:形狀更復雜、尺寸和形位公差精度要求更高、大量使用輕質材料、表面完整性要求更高、抗疲勞、材料更薄、剛度高、強度高等充液成形技術是近年來發(fā)展起來的新型板料柔性成形技術，是現代輕量化、精確制造的代表性技術之一，能夠很好地解決鈑金件的精確成形問題，在新能源汽車及航空航天等領域具有較大的優(yōu)越性。與傳統(tǒng)工藝方法相比，其具有成形極限高、成形零件復雜、成形精度高、可以成形特種材料等優(yōu)點，同時又適應了航空航天產品的小批量、多品種的柔性發(fā)展方向1充液成形工藝充液成形是指采用水、油或其他液體作傳力介質，代替剛性的凹?；蛲鼓＃古髁显谝菏覊毫ψ饔孟沦N靠凸?；虬寄６尚巍Ｔ摮尚渭夹g主要有如下優(yōu)點:(1)半模成形，降低了模具成本;(2)提高了材料的成形極限，可減少成形道次;(3)可以成形復雜形狀的薄壁零件;(4)成形零件表面質量好、回彈小、精度高;(5)成形零件壁厚均勻、剛度好、抗疲勞等板材充液成形根據液體作用方式可分為被動式充液成形和主動式充液成形。被動式充液成形也稱為充液拉深，如圖1所示，其中F為壓邊力。由于液室壓力可加大變形坯料與凸模之間的有益摩擦，克服拉深凸模圓角等危險部位坯料的減薄破裂，同時，隨著液室壓力的加大，液體溢流可在法蘭與凹模之間形成流體潤滑，從而有利于提高零件的成形性及成形極限。主動式充液成形也稱為充液脹形，如圖2所示，其中P為液體成形壓力。相比于剛性模脹形，充液脹形的零件各處所受的壓力相等，壁厚減薄相對更均勻一些，成形極限相對更高，表面質量更好，回彈更小。2高錐形零件的數值模擬和分析2.1零件成形與減薄如圖3所示，零件為薄壁深錐筒形件，筒部直徑為Φ350mm，法蘭直徑為Φ450mm，錐頭高度為200mm，總高度為445mm，厚度為0.8mm。零件技術要求最大減薄不大于15%，輪廓度為0.3mm。從零件結構可看出，零件頭部為弧錐段，下部為直錐段，而且留有法蘭，成形過程中懸空段長，變形區(qū)材料流動劇烈，容易發(fā)生減薄過大以至破裂，且懸空段控制不當也極易發(fā)生起皺航空發(fā)動機運行中，該零件在高溫下受一定載荷，設計要求該零件的減薄要小，剛度、強度要高。原工藝無有效手段保證零件的成形質量。原工藝采用兩段拼焊加工，其中，頭部弧錐段采用剛性拉深成形，直錐段采用卷焊成形，再將兩個部分進行組焊，最終零件帶有一條縱向焊縫和一條周向焊縫。此工藝加工周期長、零件減薄大、表面完整性差，難以滿足設計要求。通過引用充液拉深技術可完美解決該零件的成形問題。2.2材料性能測試該高錐體零件材料為高溫合金，是一種主要由鉻和鉬固溶強化的鐵含量較高的鎳基高溫合金，具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強度，冷、熱加工成形性和焊接性能良好。在原始板料上裁取單拉試樣，分別截取0°，45°和90°各兩組單拉試樣，如圖4所示，其中，L通過單拉試驗得到室溫下的材料性能，通過對單拉數據進行處理，擬合出3個方向的應力-應變曲線圖(圖5)。注意，在實際中要區(qū)別實際應力與工程應力。在模擬材料時，分別輸入3個方向的應力-應變曲線、米塞斯屈服準則，考慮材料的各向異性、3個方向的材料性能參數對數值模擬結果的準確性的影響，并為實際的生產成形工藝所用到的參數提供技術意見和支持。2.3產品工藝設計通過多次仿真模擬，確定最終工藝路線為:下料—充液拉深—切割法蘭，如圖6所示。充液拉深需要成形一個錐頭筒形件，此類曲面零件的拉深是一種極限深度拉深的成形工藝，在拉深過程中整個坯料均為變形區(qū)，相對高度越高、錐角越大，則變形越復雜、成形難度越高。模擬分析的有限元模型如圖7所示。當采用傳統(tǒng)剛性模拉深時，由于沒有液室壓力支撐，僅依靠凹模和材料自身變形包裹凸模。當壓邊力較小時，材料流動較好，拉應力較小，但切向壓應力較大，導致起皺嚴重且此時減薄較大;當壓邊力逐步增大且保證不起皺時，此時零件的減薄將超過材料極限而破裂。因此，采用一次剛性拉深無法滿足設計要求。若要保證零件成形過程中無皺且減薄率滿足要求，應至少需要3工序剛性拉深成形。相對于剛性拉深，充液拉深在成形過程中由于有液室壓力作用，坯料會緊貼在凸模上，從而使懸空區(qū)減小，起皺趨勢降低，減薄也較小;且頭部拉深成形后由于摩擦保持效果，繼續(xù)拉深過程中減薄也不再增大。同時，充液拉深可在凹模與板料下表面之間產生流體潤滑，從而大大提高零件的成形性能與表面質量。通過優(yōu)化拉深位移與水壓的加載曲線，調整壓邊力與摩擦系數，充液拉深零件模擬結果如圖8所示，最大減薄率為13.67%，壁厚較均勻，成形無破裂、無起皺，滿足設計要求。2.4充液成形力的計算(1)充液拉深成形力F式中:F式中:k為系數，由毛坯相對厚度和法蘭相對直徑決定，此處k=0.38;L為變形橫截面周邊的長度，mm;t為坯料厚度，mm;R式中:P當液室壓力為50MPa時，通過計算得到充液拉深成形力約為5000kN。(2)壓邊力F由此得到，壓邊力約為2000kN。2.5成形機性能控制設備選用天津天鍛航空科技有限公司的13000kN充液成形機，拉深力為8000kN，壓邊力為5000kN，采用伺服技術，壓力精度控制在±10kN，水壓精度為±0.05MPa，壓機速度控制精度為±0.5mm·s3零件生產結果經過現場加工驗證，成形零件無起皺、無破裂，表面質量優(yōu)良，最大減薄率約13.8%。與傳統(tǒng)剛性拉深相比，拉深到同一高度時，測量減薄得出充液拉深的零件成形極限比傳統(tǒng)剛性拉深的成形極限提高了4%，輪廓度達到0.1mm。現該零件已實現批量生產，合格率高達99%。充液拉深零件如圖10所示。相較于傳統(tǒng)剛性拉深工藝，采用充液拉深工藝完美解決了零件的成形難題，主要優(yōu)點有:(1)消除了焊縫，保證了零件的完整性，提高了零件的強度和高度;(2)提高了成形精度和表面質量，貼模度達到0.1mm，減薄率最大為13.8%，壁厚較均勻，而傳統(tǒng)工藝難以滿足成形精度及減薄要求;(3)提高了材料的成形極限，減少了成形道次，周期縮短了20%。4零件表面形貌(1)充液拉深可替代傳統(tǒng)剛性拉深后的焊接成形，提高了效率并降低了成本。充液成形使零件各處所受壓力相等，壁厚減薄相對更均勻。充液成形提高了零件