GH3230锻件毛坯数值模拟优化

■无锡派克重型铸锻有限公司 刘其源，刘 智，李湘军，许 亮，王 俊

GH3230锻件毛坯数值模拟优化

■无锡派克重型铸锻有限公司 刘其源，刘 智，李湘军，许 亮，王 俊

高温合金是根据航空喷气发动机的需要而发展的金属材料，是一种兼有热稳定性和热强性的合金，可在600~1000℃高温氧化和燃气腐蚀条件下承受复杂应力，并长期可靠地工作。

GH3230属于固溶强化型镍基高温合金，高温塑性较差，锻造所需压力为20钢的3倍，为06Cr19Ni10不锈钢的2倍，且随着变形程度的增加会产生加工硬化，这就对锻造设备的打击能力要求进一步增大，因此对大规格尺寸GH3230模锻件毛坯进行数值模拟优化是非常有必要的。

1. GH3230锻件三维模型

如图1所示，为GH3230锻件的三维实体模型，利用三维造型软件UG设计GH3230锻件模具上下模，为节约模拟时间，去除了模具结构中为防止错移而设计的对角锁扣，只选取型腔部分进行数值模拟。图2为GH3230锻件的上模，图3为GH3230锻件的下模。

2. 模具及坯料的有限元模型

通过三维造型软件UG设计好模具及坯料，由于锻件为中心轴向对称，为减少数值模拟运算时间，提高效率，只选取坯料的一半进行模拟，然后分别导出各部件STL文件，再将STL文件导入至Deform中，图4为模具有限元模型，并将锻件模具定义为刚性体，图5为坯料有限元模型，并将坯料定义为塑性体，并将坯料局部细化。

3. 模具及坯料参数与边界条件

锻件模具初始温度设定为3 0 0℃，坯料初始温度为1150℃，坯料选用材料库内的IN718_6um，由于只是对坯料成形情况进行分析，暂不考虑成形设备，因此将上模运动方式通过速度v来控制。模具与坯料之间的剪切摩擦力和热导率都采用默认值。

图1 GH3230锻件零件三维实体模型

图2 GH3230锻件上模

图3 GH3230锻件下模

4. GH3230坯料形状对成形过程中飞边的影响

坯料形状设计，决定了产品成形过程中飞边的溢出情况，根据产品形状，设计出如图6所示的坯料，并对该尺寸坯料进行数值模拟，选取上模压力最大时刻，研究坯料的飞边情况，数值模拟结果如图7所示。

由图7可知，左半端坯料过多，导致该处飞边过早溢出，加大了成形过程中的阻力，影响锻件其他部分的充型，降低了设备的生产能力，因此需要对坯料尺寸进行优化。

根据图7的数值模拟结果，重新设计出了如图8所示的坯料，并对该尺寸坯料进行数值模拟，选取上模压力最大时刻，研究坯料的飞边情况，数值模拟结果如图9所示。

由图9可知，在左半端相比于之前的坯料尺寸，有明显改善，但是坯料依然过多，导致该处飞边过早溢出，加大了成形过程中的阻力，影响产品其他部分的成形，降低了设备的生产能力，因此需要对坯料尺寸继续优化。

根据图9的数值模拟结果，重新设计出了如图10所示的坯料，并对该尺寸坯料进行数值模拟，选取上模压力最大时刻，研究坯料的飞边情况，数值模拟结果如图11所示。

由图11可知，在左半端当其他部分都已经成形结束，出现飞边时，该处还未成形结束，没有出现飞边，说明该处坯料过少，需要增加坯料，保证坯料各部分同时出现飞边。

根据图11数值模拟结果，重新设计出如图12所示的坯料，并对该尺寸坯料进行数值模拟，选取上模压力最大时刻，研究坯料的飞边情况，数值模拟结果如图13所示。

由图13可知，坯料各部分成形情况良好，各处飞边也较为整齐，因此可以确定为最优方案。

通过数值模拟对坯料形状进行优化，利用公司成形设备进行锻坯和模锻，并做出合格产品，如图14所示。

图4 模具有限元模型

图5 坯料有限元模型

图6 坯料尺寸形状1

图7 坯料模拟结果1

图8 坯料尺寸形状2

图9 坯料模拟结果2

图10 坯料尺寸形状3

图11 坯料模拟结果3

图12 坯料尺寸形状4

图13 坯料模拟结果4

图14 GH3230锻件产品

5. 结语

通过数值模拟方法，优化设计了GH3230锻件毛坯的尺寸，缩短了产品研发时间，节约了材料成本，并降低了对成形设备的要求，准确预测了坯料的成形最终形状。

20150708