800MN液压机飞机起落架锻模再制造

2018-04-04李蓬川

兵器装备工程学报 2018年3期

李蓬川

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司, 四川德阳　618013)

中国第二重型机械集团公司的800MN液压机自投产以来，生产现场多次发生因锻模塑性变形造成的粘模、变形、塌陷等失效情况，严重影响了产品开发的效果和生产进度；在近年来投入现场的多套5CrNiMo锻模寿命很不理想。

根据目前的使用情况，5CrNiMo锻模无法满足压机上的小批生产，一般生产2～3件后锻模变形大于10 mm：毛边桥部磨损严重、凸台变形呈倒拔模状，造成卡模、变形等问题。在生产高温合金、超高强钢材质的产品时锻模变形情况尤为明显。以某锻模为例，采用5CrNiMo材料经锻造、调质及机械加工，在模锻生产2-3件锻件后，锻模型腔表面失效，如图1～图2所示。

为了改善800MN液压机用锻模寿命低、制造成本高等现状，采用重庆大学发明的双金属层堆焊强化方式再制造锻模方法(发明专利号：ZL200910104604X)[1-3]，对800MN液压机用某大飞机起落架锻模进行再制造，增强所制备锻模的综合性能，提高锻模使用寿命，降低锻模制造成本。

针对某大型飞机起落架锻模，运用专业有限元模拟软件DEFORM对工作过程进行模拟[4-5]，分析锻模服役过程的应力、应变、温度及磨损等情况对锻模使用寿命的影响，结合实验得到材料随温度变化的力学性能，最终制定出锻模再制造强化工艺，并在实际应用后与原5CrNiMo锻模失效情况进行对比。

1　有限元模拟

研究对象为飞机起落架，建立起落架锻造成形工艺模拟初始条件如下：

a) 坯料：A-100超高强度钢；

b) 锻模单元网格数量为200 000个，型腔部分按比例0.001局部细化，坯料网格数量100 000个；

c) 辐射系数0.3，热对流系数0.02 N /s·mm·℃，热传导系数11 N/(s·mm·℃)；

d) 模拟热传导(Heat Transfer)时间：200s，时间增量每步1s。压机工作速度：10 mm/s；

e) 摩擦边界条件：本模型采用常摩擦模型(剪切摩擦模型)，

τ=m·K

式中：K为金属的剪切屈服强度；m为剪切面上的摩擦因子，有润滑摩擦，此处m=0.3；τ为接触面上的摩擦切应力。

f) 模拟成形过程中，上模位移每步增量1 mm，每10步保存一次；

2　有限元模拟结果及分析

2.1　锻模应力场分析

图3、图4、图5为起落架上、下锻模模锻载荷最大时的应力场分布，从图中可知上下模等效应力值主要分布在650～1 300 MPa，且上模应力小于下模应力。最大应力均出现在起落架两端较复杂部位圆角处，均在1 200 MPa以上，主要因为随着金属逐渐充填型腔，金属流动阻力增大，在锻模圆角处金属难以充满，容易产生应力集中。为更好的反应锻模型腔圆角处的等效应力分布状态，对下模型腔剖切，观察模体等效应力分布可知，下模型腔圆角处应力较为集中，均在650 MPa以上，深度约为50 mm，最大应力值为2 210 MPa。因此，对于该处的再制造锻模材料的选取，其高温抗压缩强度应在650 MPa以上，同时，堆焊最小厚度值应不低于该值。

2.2　锻模温度场分析

热锻模的损伤结果表明：锻模型腔表面的温度波动区易出现裂纹，温度波动区即为循环热应力作用的区域，此区域受到的温度和应力非常复杂。因此，锻模的温度场分析主要集中研究温度波动区的温度变化。从实际生产锻造过程及模拟结果可知，下模因接触炽热锻件时间较久因而其温度较高，因此分析锻模在热模锻过程中的温度场分布，只需以下模为例。图6、图7表示的锻模温度场分布，从中可以看出最高温度出现在最早接触坯料的型腔边缘(桥部)处，锻件在摆料及空行程过程中，锻件接触锻模时间较少，压力较低，对锻模传热少，锻模温升小；锻压时锻件在高压状态与锻模贴合，模温上升加快；锻造阶段锻件与锻模在高压下接触，锻模温升剧烈。该部位的型腔表面易出现热疲劳裂纹，导致最终锻模失效。但温度影响深度只有约13.45 mm(如图8所示)，超过这个深度的部位温度只有锻模预热温度350 ℃，基本没有影响。在热渗透最深的型腔表面位置，温度梯度较大，最容易产生热应力和热疲劳失效等，为接下来的锻模再制造设计提供了理论依据。

2.3　锻模磨损分析

1) 有限元磨损模型

采用Archard理论磨损模型预测锻模在成形过程中的磨损量，其数学表达式如下：

式中: dw为磨损深度；P为锻模表面正压力；v为相对滑动速度；a、b、c为标准常数，对钢而言，通常a、b取1，c取2；H为锻模表面硬度，HRC；K为磨损系数；i为锻模型腔表面节点； dt为时间增量。

如果在锻造成形过程中，锻模在每模锻完一件产品后，都能进行充分的润滑和冷却，使锻模始终处于良好的工作状态，则可用公式大致估算锻模的寿命。

2) 磨损结果分析

由于下模工作环境较上模恶劣，在生产中下模寿命远低于上模，因此选取下模为研究对象分析锻模磨损情况。从图9可以看出，锻模最大磨损出现在锻模型腔大头处。起落架型腔周边亦有不同程度的磨损，主要集中在锻模型腔桥部及凸台处。说明在该处锻模材料的硬度、韧性及强度在模锻后有所变化，导致该部位材料产生变形。对于再制造锻模应具备高硬度、高韧性，同时还具备一定的耐高温性能。

从图10起落架锻模失效图中可以看出，锻模失效主要形式为由于坯料的挤压而使锻模桥部出现坍陷、桥部受挤压变形。主要失效部位同磨损较为严重部位均处于同一位置，说明该磨损结果可靠性较高，根据有限元磨损结果能够较好的预测锻模发生塑性变形的部位。