航空發動機燃燒室某鍛件成型工藝及數值模擬分析

摘 要：采用DEFORM-3D軟件對鎳基718合金鍛件的鍛造成形過程進行了仿真模擬分析，對不同圓角半徑下一次成型工藝的金屬填充情況進行了模擬，同時對二次成型工藝下不同模具圓角半徑對填充情況、等效應力應變、成形載荷的影響進行模擬分析得到較優的成形工藝參數。

關鍵詞：發動機燃燒室；鍛件；成型工藝；數值模擬

燃燒室位于壓氣機和渦輪之間，是航空發動機三大部件之一，其作用是將燃油中的化學能轉化為熱能做功，燃燒室性能的好壞決定了整個發動機性能的好壞。文章以航空發動機燃燒室某鍛件為研究對象，分析一次和二次成型工藝下，不同圓角半徑對金屬填充及應力應變、模具載荷的影響。

1 模擬參數的設置

工件材料為高溫合金鎳基718，坯料選擇DEFORM-3D材料庫中自帶的IN718-6um[1650-2220F]，模具材料為5CrNiMo，單擊die-material，模具選擇材料庫中自帶的AISI-L6，摩擦系數設為0.25。

2 試驗結果及分析

2.1 一次成型時不同圓角半徑對填充情況的影響

圖1所示分別為不同圓角半徑下金屬填充情況，（a）表示圓角半徑為3mm時鍛件的填充情況，（b）表示圓角半徑為5mm時鍛件的填充情況，（c）表示圓角半徑為6mm時鍛件的填充情況，圖（d）表示圓角半徑為8mm時鍛件的填充情況。

由圖可以看出，在鍛件的轉角處金屬填充情況較差，無論如何改變圓角半徑的大小都無法使金屬填充滿模膛，因此一次成形不能獲得較好的鍛件，采用二次成型進行模擬。

2.2 二次成型時不同圓角半徑對應力應變及填充的影響

（1）對應力應變的影響

由圖2可以看出，鍛件的圓角部分等效應力較大，鍛件對模具的磨損嚴重，為提高模具的整體壽命，該部位需要進行一定的模具強化處理。鍛件的應變分布較均勻。由半徑-應力曲線圖可以看出，隨著圓角半徑的增大，圓角處局部應力整體上來看是呈下降趨勢，因此，在不影響鍛件使用和保證外觀的條件下，盡量選用較大的圓角半徑，這樣可以避免應力集中，防止開裂。

（2）對填充情況的影響

圖3所示分別為不同圓角半徑下金屬的填充情況，由圖可以看出，在鍛件的轉角處金屬填充情況較差，圓角半徑過小或過大時此處的金屬成形困難，在鍛造結束后應重點檢查此處的尺寸。

（3）不同始鍛溫度對金屬填充的影響

圖4所示分別為坯料在不同的始鍛溫度下對模具載荷的影響，（a）-（d）分別表示坯料的始鍛溫度為980℃、1000℃、1030℃、1070℃時鍛件的填充情況。

由圖可以看出鍛件溫度最低的地方位于鍛件底部位置，由于模具溫度較低，并且此處與模具接觸時間較長，鍛件的溫度較低，此處鍛造成形較為困難，提高溫度能改善金屬填充情況，但I718可鍛溫度范圍為968℃～1100℃之間，在1040℃左右晶粒出現再結晶長大現象，因此溫度過高會使局部晶粒長大，影響產品綜合力學性能。

2.3 最優工藝參數選擇

通過分析金屬在鍛造過程中的變形情況，得到了燃燒室鍛件在鍛造成形過程中的金屬流動規律。分析發現鍛件的幾個轉角處成形困難。通過對鍛件溫度場的分析，發現鍛件的溫度分布不均勻，飛邊的溫度較高，與下模接觸處的溫度較低，這不利于金屬的流動，因此會影響鍛件成形。通過對鍛造過程中載荷的分析，發現鍛件的鍛造溫度是影響鍛造載荷的重要因素。隨著溫度增加，載荷下降。通過對鍛件等效應力的分析，發現鍛件的轉角處應力較大且圓角是影響應力的重要因素。為了改善鍛件的充填情況，使金屬能夠更好的充滿模膛，根據數值模擬分析，對于文章所研究的燃燒室某鍛件的鍛造成形，兩次成形效果更好，在對該鍛件進行成形時，最佳的始鍛溫度為1030℃左右，模具預熱溫度300℃左右較好，下壓速度15mm/s，坯料與模具的摩擦系數為0.25左右，在這樣的工藝參數下，可以得到質量較好的鍛件。

3 結束語

（1）探討一次成型對金屬填充的影響，發現無論如何改變圓角半徑和其他參數都無法填充滿；

（2）改用二次成型工藝，探討不同圓角半徑對成型過的影響，得出圓角半徑為5mm時填充最佳；

（3）對于文章所研究的燃燒室某鍛件的鍛造成形，兩次成形效果更好，在對該鍛件進行成形時，最佳的始鍛溫度為1030℃左右，模具預熱溫度300℃左右較好，下壓速度15mm/s，坯料與模具的摩擦系數為0.25左右，在這樣的工藝參數下，可以得到質量較好的鍛件。

參考文獻

[1]姚澤坤.鍛造工藝學與模具設計[M].西安：西北工業大學，2001：1-4.

[2]遲春生，等.中國鍛造行業的發展現狀及趨勢[J].金屬加工，2010，23：3-5.

作者簡介：覃波，研究方向：鎂合金。