基于数值模拟的某飞机旅客观察窗窗框模锻成型工艺研究

林海涛，吴道祥，陈焕良，李丹丹

(西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326)

基于数值模拟的某飞机旅客观察窗窗框模锻成型工艺研究

林海涛，吴道祥，陈焕良，李丹丹

(西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326)

采数值模拟仿真技术研究了某飞机旅客观察窗窗框模锻成型温度场、应变场、速度场等物理场量的分布规律及变化。研究结果表明，坯料在变形的初始阶段金属流动受到阻力较小，坯料与模具接触部分温度下降速度较快，此时坯料变形及应力值也较小；随着模具下压，金属填充受到的阻力越来越大，坯料腹板两侧的温降速度开始下降，与中间筋条部分基本保持一致，坯料整体的等效应变及应力逐渐增大。锻件成型最大载荷为8560t。

数值模拟；窗框；模锻；成型载荷

0 前言

在航空领域，为了满足减重的需要，大多数铝合金锻件被设计成高筋薄壁的T型截面结构。这类锻件被要求具有较高的尺寸精度、优良的机械性能以及较好的组织流线分布[1～3]。然而，这种结构的锻件在成型的过程中，由于工艺参数的设置欠佳，会造成各种成型缺陷，如填充不满、流线穿流、组织晶粒粗大且分布不均等质量问题。这些缺陷的出现会大大降低锻件的力学性能，给后续锻件的使用造成非常高的隐患[4～7]。因此，对铝合金锻件热模锻成型工艺进行优化及改进，提高锻件成型质量，保证锻件成型精度，提高锻件材料利用率，对铝合金模锻技术具有极其重要的意义。

实际生产中，由于影响锻件成型质量的因素众多，目前的认识仍然有限。为此，本文以某飞机旅客观察窗窗框铝合金锻件为研究对象，通过采用数值模拟仿真技术，全方位分析和预测锻件金属流动演化规律，了解材料在模腔内的流动状况、温度场、应变及流线分布，探寻锻件成型质量与所制定工艺之间的相互联系。

1 产品外形尺寸分析

本文研究的某飞机旅客观察窗窗框锻件产品如图1所示。该模锻件为超薄壁高筋弧形全非机加工精密模锻件，外形最大外轮廓长度约460mm、宽340 mm、高37mm，腹板最大厚度10mm。在上表面有一高度约22mm、厚度3mm的高筋，壁厚、最大高宽比为11∶1。因此，该模锻件成型难点集中于高筋部位的填充成型。

图1 窗框锻件实物及三维模型

2 锻件成型数值模拟仿真

2.1 刚粘塑性基本假设

金属塑性成型过程中，材料的物理塑性变形过程十分复杂。为简化运算工作量和数学上的处理，需要对材料的某些性能与变形过程作出相关的假设。用刚粘塑性有限元法分析大变形塑性问题时的基本假设有：

（1）不考虑弹性变形，即：δijdεij=0 ；（2）材料的体积保持不变；（3） 忽略成形过程中的Bauschinger效应；（4） 材料具有均质各向同性；（5） 不考虑材料的体积力（重力和惯性力等）的影响。

除此之外，根据上述假设，刚塑性材料在发生塑性变形时应当满足以下条件：

（1）运动学方程，即力的平衡微分方程：

式中：σij,j为节点应力分量。

（2）Levy-Mises本构方程，及应力-应变率关系：

式中：是节点塑性区各应力分量；̇为等效应变率；为流动应力。

（3）几何协调方程（速度-应变速率关系）：

式中：ε̇ij是节点应变速率分量；ui,j是节点速度分量。

（4）体积不变规律：

（5）Mises屈服准则：

边界条件：

2.2 有限元模型

本文采用Deform 3D软件作为数值模拟平台，利用刚塑性有限元模型对窗框锻件成型过程进行数值模拟。考虑到锻件对称性，采用1/4模型进行有限元模拟，坯料及模具模型如图2所示。模拟过程中不考虑模具变形，设置为刚形体；忽略坯料弹性变形，只考虑塑性变形；摩擦模型选择剪切模型。利用Deform 3D软件自带划分网格功能对坯料进行网格划分，坯料网格数为100000，在计算过程中随时根据网格畸变情况进行重新划分。表1所示为模拟仿真时工艺参数的设置。

图2 有限元模型

表1 模拟仿真工艺参数

2.3 仿真模拟结果

图3所示为锻件不同成型阶段金属流动情况。由图3可知，锻件成型初始阶段，坯料金属在模具的作用下向模具型腔填充，此时，由于模具间隙较大，金属流动受到阻力较小，金属往各方向填充速度基本一致。随着模具下压，中间高筋部分筋条越来越狭窄，金属填充受到的阻力越来越大，此时金属横向流动的速度明显大于纵向筋条填充速度。在成型后期，横向流动的金属遇到阻力筋的阻挡，横向流动阻力变大，迫使金属往中间筋条部位填充，直至筋条部位填充完整。

图3 锻件各成型阶段金属流动情况

图4所示为锻件不同成型阶段温度变化情况。由图4可知，在锻件成型初始阶段，坯料与模具接触部分温度迅速下降，降到360℃左右。坯料未接触模具部分温度下降幅度较小，为390℃，两区域有着明显的分界。随着模压的继续进行，坯料两侧的温降速度开始下降，与中间筋条部分基本保持一致，此时坯料整体温度在340℃左右。直至成型结束，坯料后期的温降不是太明显，基本保持在330℃左右，这与挤压机行程及模压速度有一定联系。

图4 锻件各成型阶段温度场

图5所示为锻件不同成型阶段金属等效应变。由图5可知，在锻件成型初始阶段，坯料整体等效应变都较小。随着模具下压，坯料整体等效应变开始加大，主要变形区域体现在筋条部分以及腹板变形末端部分。随着变形的继续进行，后期金属的变形主要在筋条部位的填充，此时坯料筋部区域的金属等效应变最大。

图5 锻件各成型阶段应变场

图6所示为锻件不同成型阶段金属等效应力。由图6可知，在锻件成型初始阶段，坯料整体应力较小，主要集中在腹板两侧。随着模压的继续进行，坯料金属等效应力逐渐增大，整体分布比较均匀。

图6 锻件各成型阶段应力场

图7所示为锻件成型时载荷随时间的变化情况。由图7可知，在模压初始阶段，由于有一段放空过程，此时锻件成型载荷几乎为零。随着坯料金属的变形，锻件成型载荷逐渐增大，且随着时间的延长增长的幅度逐渐加大。造成这一现象的原因为坯料金属的加工硬化及坯料金属随着时间的延长料温下降。在锻件成型的终了阶段，载荷急剧增大，最大值达到2140t。由于本模型采用的1/4模型，实际的锻件整体成型载荷值应在此基础上放大4倍，因此实际成型最大载荷为8560t。

图7 锻件成型载荷曲线

3 结论

(1)坯料在变形的初始阶段金属流动受到阻力较小，坯料与模具接触部分温度下降速度较快，此时坯料变形及应力值也较小。

(2)随着模具下压，中间高筋部分筋条越来越狭窄，金属填充受到的阻力越来越大，此时金属横向流动的速度明显大于纵向筋条填充速度；坯料腹板两侧的温降速度开始下降，与中间筋条部分基本保持一致；坯料整体的等效应变及应力逐渐增大。

(3)锻件成型最大载荷为8560t。

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Study on Forging Process of An Aircraft Window Frame Based on Numerical Simulation

LIN Hai-tao,WU Dao-xiang,CHEN Huan-liang,LI Dan-dan(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326)

Numerical simulation is used to study the distribution rules and changes of physical fields such as temperature field,strain field and velocity field of an aircraft window frame forging.The results show that the metal flow in the initial stage of deformation is less resistant,and the temperature of the contact between the blank and the mold drop faster.At this time,the deformation and stress value of the blank are also small.As the mold press,metal filling resistance is more and more big,temperature drop rate began to fall on both side of the billet web,are almost consistent with the middle rib part,equivalent strain and stress of the blank overall increased gradually.Maximum load of forging forming is 8560t.

numerical simulation;aircraft window frame;die forging;forming load

TG319，TP392

A

1005-4898(2017)05-0004-07

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.01

林海涛（1978-），男，山东烟台人，从事铝合金塑性成形工艺研究。

2017－06－10