一种发动机弯杆锻件的模拟分析及工艺优化

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。