基于DEFORM-3D的飞机用平衡机匣的锻造数值模拟

文／孙德顺，安爱玲，穆剑菲，姜星智·苏州昆仑重型装备制造有限公司

1Cr11Ni2W2MoV合金是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，不仅具有较高的强度，而且有较好的韧性。因此，广泛应用于航空发动机零部件中。本文中某型号发动机用平衡机匣材料就是1Cr11Ni2W2MoV。该锻件传统的成形方式为镦粗-轧环-模锻，需多火次、多工步锻造成形，而该合金对热加工工艺极为敏感，多火次成形不仅易造成晶粒粗大，也会增加开裂风险，降低产品质量。本文采用DEFORM-3D软件对平衡机匣一火模锻精密成形进行数值模拟，分析成形过程中坯料温度场、应力应变场分布及变化，并对比数值模拟流线分布与实际锻件流线分布结果，确定该型号平衡机匣一火模锻代替传统锻造的可行性。

有限元模型的建立及工艺参数

在我公司的3万吨精密液压机上进行1Cr11Ni2W2MoV合金平衡机匣锻件的热模锻成形，图1为锻造用模具与坯料装配图，使用坯料规格为φ250mm×280mm。

将建立的装配体模型导入到DEFORM-3D软件中进行锻造过程的模拟。根据实际情况，设置上模压制速度为25mm/s，模具初始温度为300℃，坯料温度为1160℃，摩擦系数为0.3，坯料与空气、坯料与模具的传热系数采用软件默认值。为了提高仿真的效率且保持较好的仿真精度，本文采用了四面体网格划分，建模模型如图2所示。并在坯料中心轴位置选取三个点（如图1所示），分析三个不同位置处的温度、应力应变变化趋势。

图1 锻造装配图

图2 坯料的有限元模型

结果及讨论

温度场

图3为锻件锻造结束时的温度场图。由图3可以看出，最高温度分布在飞边及锻件1/2厚度部位，而最低温度则分布在与模具接触的边缘部位。坯料在锻造过程中，接触模具的部位与模具发生热交换后温度下降，导致低温区出现，而飞边及锻件中部因塑性变形量较大产生内部热效应，并且不接触模具，基本不发生热交换，所以区域为高温区。

图3 锻造过程中温度场分布云图

图4 所示为三个点在锻造过程中温度随时间的变化曲线。结合温度场云图，P2点属于锻件中部位置，不与模具接触，该处温度随着锻造的进行呈上升趋势，在成形后期才略有下降。而P1、P3点属于与模具接触部位，在锻造过程中由于热交换损失热量，温度随着锻造过程呈阶段性的下降趋势。从图3、图4分析结果不难发现，在锻造过程中P1、P3处最易产生表面裂纹。

图4 三个点的温度变化曲线

图5 不同时刻的等效应力场云图

应力场、应变曲线

图5 为开始锻造后的第7s、9s、10s时的等效应力场图。图中反映出锻件的最高等效应力分布在锻件与模具接触的部位，在锻造过程中与模具接触的部位与模具发生热交换，温度骤然下降，此区域金属塑性降低、流动性变差，在后续压制过程中金属流动困难，继而导致变形抗力增大。P1、P2、P3点处的等效应变曲线见图6，从图中可知，P1点和P3点处的等效应变值相对于P2点处小很多，如前面所述，产生这种现象的原因是P1和P3点处与模具接触，温度骤降，导致金属流动性变差，变形抗力增加，而P2点处的材料不与模具接触，热量损失较小，金属流动剧烈，内部组织产生热效应，促进变形量大。

图6 三个点的等效应变

流线分布

DEFORM-3D软件数值模拟锻件的流线分布见图7。对相同参数下实际锻造的平衡机匣锻件进行纵向解剖、磨抛、低倍腐蚀，锻件流线分布如图8所示。结合锻件锻造过程中的温度场、应力应变场变化趋势可知，锻造过程中坯料受挤压向外缘流动，P2位置流动最为剧烈，锻件内的流线分布基本沿几何外形，未出现紊流、穿流和乱流，实际锻件的流线分布也基本与模拟结果相匹配。另外，锻件表面无任何开裂现象。

图7 数值模拟锻件流线分布

图8 实际锻件的流线分布

结论

通过DEFORM-3D软件数值模拟对平衡机匣锻件成形过程中温度场、应力应变场、流线分布的分析，并结合实际锻件的表面质量和组织流线分布得出如下结论：1Cr11Ni2W2MoV合金平衡机匣锻件一火模锻成形表面无任何裂纹出现；流线分布基本沿几何外形，未出现紊流、穿流和乱流现象；锻件充满效果良好，各项性能均能达到客户要求。该型号平衡机匣一火模锻代替传统锻造的方法完全可行，不仅节省了产品的生产成本，同时提高了产品质量。