飛機環件輾軋回彈位移與殘余應力的研究

何勇　凡玉　王勝

【摘 要】本文采用3D-FEM仿真的方法，研究環件輾軋成型過程回彈位移與殘余應力的演變規律，揭示主要工藝參數及摩擦系數對輾軋成型回彈位移與殘余應力演變的影響規律。這些問題的解決，對于實現輾軋過程的優化設計與精確控制，提高成型環件的結構尺寸精度和內部質量，降低制造成本，縮短試制周期，發展輾軋成型理論和技術等都具有十分重要的意義。

【關鍵詞】環件輾軋；殘余應力；回彈位移；3D-FEM仿真

0 引言

環件在飛機結構上應用較為廣泛，如：發動機風扇和高壓壓氣機、燃燒室內套和外套、標準件軸承環、齒輪環、法蘭盤等。受限于其結構特點，環件多采用環件輾軋工藝[1]。環件輾軋是一種高質量無縫精密環件的先進成型制造技術，具有節能、節材、高效、低成本等顯著優勢；然而，環件成型過程中的回彈變形和殘余應力嚴重危害產品的結構尺寸精度及其力學性能。尤其是應用在飛機結構上的環形件，其成型后的回彈位移和殘余應力應盡可能降到最低，來保證環件的高質量和飛機的安全性[2-3]。研究揭示該成型過程的回彈位移與殘余應力的演化規律，對于飛機結構用環件輾軋工藝優化設計與精確控制、提高環件的質量，具有重要的工程應用價值。本文將采用3D-FEM仿真的方法，研究環件輾軋成型過程回彈位移與殘余應力的演變規律，揭示主要工藝參數及摩擦系數對輾軋成型回彈位移與殘余應力演變的影響規律。

1 環件輾軋成型的影響因素

環件輾軋成型過程中，存在著驅動輥的旋轉輾軋運動、壓力輥的徑向直線進給運動、導向輥的隨動導向運動以及環件的回轉運動等。環件輾軋運動形式見圖1。

從圖1和《環件軋制理論和技術》中可知，環件輾軋回彈位移和殘余應力的影響因素主要有驅動輥轉速n、芯輥的進給速度v、摩擦系數μ[3]。

2 環件輾軋回彈位移與殘余應力的研究

2.1 研究方法

本文將采用控制變量法來研究影響因素對回彈位移和殘余應力的影響。分別單獨改變輾軋成型工藝參數n、v、μ，而保持其它參數不變，通過數值模擬揭示影響因素n、v、μ分別對輾軋成型回彈位移和殘余應力的影響規律。

根據郭良剛著《基于3D-FEM仿真的金屬環件冷輾軋成形過程研究》[4]，初步設定環件輾軋過程最基本的工藝參數為v=3mm/s，n=160r/min，u=0.2，為了研究工藝參數對回彈位移和殘余應力的影響，使其中一個參數發生變化，其他兩個工藝參數保持不變。

2.2 軟件建模

運用ABAQUES有限元分析軟件，建立GCr15合金鋼環件輾軋彈塑性變形的有限元模型，運用控制變量法，分析n，v，u工藝參數對環件輾軋成型影響規律，以便改進和優化環件輾軋成型技術，環件輾軋仿真有限元模型見圖2。

2.3 進給速度v對回彈位移及殘余應力影響

為了研究v對回彈位移和殘余應力的影響規律，取芯輥的進給速度分別為v={2，3，4，5，6}（mm/s）。回彈位移和殘余應力隨進給速度變化如表1所示。從表1中可看出，隨著v的增大，環件的回彈位移和殘余應力均先增大后變小；這是因為由奧氏體向馬氏體的轉變是體積增加的切邊過程。隨著進給速度增加，使得環件瞬間所受擠壓量增大，奧氏體晶粒長大，奧氏體處于亞穩定性狀態，表現為回彈位移和殘余應力先增大；然后隨著進給速度繼續增加，誘發奧氏體向穩定的馬氏體轉變，表現為回彈位移和殘余應力再減小。

2.4 驅動輥轉速n對回彈位移及殘余應力影響

為了研究n對回彈位移和殘余應力的影響規律，取驅動輥轉速分別為n={80，120，160，200，240}（r/min）。回彈位移和殘余應力隨驅動輥轉速變化如表2所示。從表2中可看出，隨著n的增加，環件的回彈位移和殘余應力先增加后變小；這是因為轉速增加引起環件的熱變形，改變了奧氏體和馬氏體的穩定性。形變使奧氏體位錯密度增加，使馬氏體形核、長大困難。因此，上述兩種作用綜合的結果表現為隨著v的增大，環件的回彈位移和殘余應力均先增大后變小。

2.5 摩擦系數μ對回彈位移及殘余應力影響

為了研究對環件回彈位移和殘余應力的影響規律，取摩擦系數分別為μ={0.1，0.2，0.3，0.4，0.5}。回彈位移和殘余應力隨摩擦系數變化如表3所示。從表3中可看出，隨著μ的增加，環件的回彈位移和殘余應力均變小；這由于在冷軋過程中，隨著μ的增加，軋件與軋輥間的接觸應力增大，單位時間內，摩擦接觸面的摩擦發熱量很大，所以軋制變形區的溫度將會升高，引起奧氏體向馬氏體轉變，直至組織穩定。這表現為隨著μ的增加，環件的回彈位移和殘余應力均變小。

表3 μ對回彈位移和殘余應力的影響

3 結論

本文采用3D-FEM仿真的方法，研究環件輾軋成型過程回彈位移與殘余應力的演變規律，揭示主要工藝參數及摩擦系數對輾軋成型回彈位移與殘余應力演變的影響規律：

（1）芯輥進給速度v越大，環件的回彈位移和殘余應力先增大再減小。

（2）驅動輥轉速n越大，環件的回彈位移和殘余應力先增大再減小。

（3）摩擦系數μ越大，環件的回彈位移和殘余應力均減小。

【參考文獻】

[1]李曉欣.民用大飛機發動機對先進材料的需求[C]//中國航空學會2007年學術年會論文集，2007.

[2]Hongming Liu，Jiachuang Lian，Zhenyou Duan. Study on the asymmetrical cold rolling of strip under large width to thickness ratio[J]. J. Mater. Sci. Technol.，1996（12）：232-234.

[3]華林，黃興高，朱春東.環件軋制理論和技術[M].北京：機械工業出版社，2001.

[4]郭良剛.基于3D-FEM仿真的金屬環件冷輾軋成形過程研究[D].西北工業大學博士論文，2006.

[責任編輯：王楠]