一种发动机弯杆锻件的模拟分析及工艺优化
2022-09-05房家民蒋平何勇孟毅周杰重庆大学材料科学与工程学院
某飞机发动机吊挂锻件结构复杂不对称,加上受到凸台、筋条等结构影响,成形时容易出现充填不满以及折叠等缺陷;在实际生产时制坯工序不稳定,导致成形出的锻件质量差距较大。为了减少锻件产品缺陷,提升吊挂锻件综合质量,通过仿真模拟对吊挂锻件进行整体成形分析并优化工艺。结果表明,通过改变自由锻制坯方式、优化模具飞边,再进行生产能够合理改善吊挂锻件质量,得到无缺陷、综合质量优良的锻件,缩短了吊挂锻件产品的开发周期,降低了成本。
某飞机发动机吊挂锻件结构复杂,主体四周有凸台以及上部存在相连筋条,呈现筋板类结构。齐晗对该类锻件筋部的充填机理及缺陷进行了研究,分析了双筋、交叉筋构件的折叠演变机理,提出了背压成形方法和增加预锻手段有效控制金属流动、预防折叠形成的方法。李珂对该类锻件出现充填不满以及折叠等缺陷进行了优化探究,得到合理的筋板类连接框。魏科对大型筋板类钛框锻造材料流动规律、缺陷以及组织进行了可行性研究。王梦寒等基于响应面法对筋板类锻件的工艺参数进行多目标优化,有效提升了锻件晶粒度,降低了锻件变形力。单德彬等对筋板类锻件等温精密成形技术进行了研究,通过局部加载的方式有效提升了筋板类锻件的成形质量。
在小批生产过程中,吊挂锻件存在较多问题:制坯稳定性不佳、生产周期长、锻件充填不完整、筋部位置易产生折叠等。因此,为了稳定产品质量采用数值模拟对锻造成形过程进行仿真分析,优化锻造工艺成形方案,提高产品质量及合格率。
某高速公路设计速度为100km/h,路面结构设计为4+6+7cm,总厚度17cm。其中,上面层为4cm厚SMA—13,中面层为6cm改性沥青混凝土superpave—20,下面层为7cm密级配沥青稳定碎石ATB—25。
成形零件结构及缺陷分析
飞机发动机吊挂终锻件见图1,材料为Ti-6Al-4V 钛合金,长度方向上最大尺寸为451mm,宽度方向为426mm,高度方向为135mm。因为在俯视方向上的截面积远远大于正视图上高度的截面积,此属于筋板类锻件。其头尾部横截面积相差较大,在锻件主体四角处存在四个凸台,材料向该处流动比较困难,难以充填;在腹板上方存在两交叉相连的筋条,并且在同一筋条上高度不一致,存在高度差,在成形时可能因为金属材料的汇流而产生折叠缺陷。
在小批生产过程中,吊挂终锻件存在折叠、局部充填不满、制坯工序不稳定等缺陷。主要原因是:筋条存在高度差,存在材料汇流趋势;凸台位置太远,材料流动充填较困难;制坯工序中对材料定位采用人工测量,使得制坯工序不稳定,大大降低了吊挂产品的合格率。
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工艺方案优化
图3(a)为预锻成形图,预锻工序中使用天然气炉对坯料进行加热,使用20000 吨液压机进行模锻,使用160 吨冲床进行切边。该吊挂锻件采用底部平面分模,实行一火成形,随后进行切边。由于吊挂四角凸台距中心材料较远充填比较困难,在预锻时上下部分产生大量的飞边,在终锻时为了减小载荷,需对预锻件进行切边处理。图3(b)为切边后的预锻件,可以看出工件四角凸台以及筋条充填较好,轮廓清晰,没有明显缺陷,表明预锻工序设计合理。
自由锻制坯
终锻模拟成形过程如图4 所示,先在20000 吨液压机上成形,随后在250 吨冲床上进行切边,在模具中一火成形,完成切边校正后装箱空冷。最终成形的锻件如图5 所示,可以看出锻件四角凸台处飞边挤出较少,右侧两凸台处充填不完整。通过调整终锻件局部飞边厚度,将左右两侧飞边厚度由10mm 调整为4mm,其余位置调整为6mm,重新进行模拟分析。调整飞边厚度之后的成形锻件如图6 所示,四角凸台及筋条充填完整,飞边分布均匀,轮廓清晰,表明工艺设计具有可行性。
预锻及切边
为了改善发动机吊挂质量,降低生产成本。利用仿真模拟技术对吊挂锻件成形工艺进行优化,制定出合理的锻造工艺方案。吊挂锻件原材料选用
150mm×425mm 圆棒,优化后的锻造工艺路线为:下料→加热→制坯→加热→预锻→机加工去飞边→加热→终锻→机加工去飞边→热处理→粗加工→酸洗→超声波检测→取样理化检测→最终检测。整体锻造工艺过程如下:
终锻及后处理
采用C5t 自由锻锤把棒料进行制坯,制坯分为镦粗、拍扁等两道工序(图2)。通过设计倾斜10°漏筒工装进行镦粗,减少人工定位和增加稳定性,对坯料进行分料时,有长杆尺寸漏筒的保证,使后续模锻时材料能够更好充填型腔,再进行拍扁得到所需预制坯。锻后打磨转接R 部位台阶及尖角,防止后续预锻过程中产生折叠。
工艺验证情况
对优化后的锻造方案进行试验,坯料加热到980℃,并保温150s,模具加热到380℃。如图7 所示,可以看到终锻件表面质量良好,飞边分布均匀,与模拟所得结果几乎没有差别,对所得到的终锻件进行理化检测均满足标准要求,说明所设计的工艺方案成功。
村里的日子,就像柴米河的河水一样,安详、缓慢,即使别呦呦住进来了,日子仍和从前一样,只不过多了几丝涟漪。
Finite element analysis on steel reinforced concrete column under low frequency reversed torsion
结论
本文通过对吊挂锻件制坯工序进行重新设计,通过倾斜10°工装筒进行镦粗,并对终锻模具飞边进行调整,结合仿真模拟与实际生产验证,证实工艺方案可靠,得出以下结论:
⑴采用改进后的制坯工艺方案、工艺路线及设备工装进行生产,可得到无缺陷、表面质量优良的锻件,增加了制坯稳定性,缩短了制造周期。每件产品原材料由改进前47kg,改进后降低到33kg;制坯火次由原来4 火降低为现在2 火。
⑵按优化后的工艺方案开展现场验证,结果表明:预锻坯料、终锻坯料的成形情况及飞边分布基本与数值模拟情况相同。