基于數(shù)值模擬的某飛機(jī)旅客觀察窗窗框模鍛成型工藝研究

林海濤，吳道祥，陳煥良，李丹丹

(西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326)

基于數(shù)值模擬的某飛機(jī)旅客觀察窗窗框模鍛成型工藝研究

林海濤，吳道祥，陳煥良，李丹丹

(西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326)

采數(shù)值模擬仿真技術(shù)研究了某飛機(jī)旅客觀察窗窗框模鍛成型溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)等物理場(chǎng)量的分布規(guī)律及變化。研究結(jié)果表明，坯料在變形的初始階段金屬流動(dòng)受到阻力較小，坯料與模具接觸部分溫度下降速度較快，此時(shí)坯料變形及應(yīng)力值也較??；隨著模具下壓，金屬填充受到的阻力越來(lái)越大，坯料腹板兩側(cè)的溫降速度開(kāi)始下降，與中間筋條部分基本保持一致，坯料整體的等效應(yīng)變及應(yīng)力逐漸增大。鍛件成型最大載荷為8560t。

數(shù)值模擬；窗框；模鍛；成型載荷

0 前言

在航空領(lǐng)域，為了滿足減重的需要，大多數(shù)鋁合金鍛件被設(shè)計(jì)成高筋薄壁的T型截面結(jié)構(gòu)。這類鍛件被要求具有較高的尺寸精度、優(yōu)良的機(jī)械性能以及較好的組織流線分布[1～3]。然而，這種結(jié)構(gòu)的鍛件在成型的過(guò)程中，由于工藝參數(shù)的設(shè)置欠佳，會(huì)造成各種成型缺陷，如填充不滿、流線穿流、組織晶粒粗大且分布不均等質(zhì)量問(wèn)題。這些缺陷的出現(xiàn)會(huì)大大降低鍛件的力學(xué)性能，給后續(xù)鍛件的使用造成非常高的隱患[4～7]。因此，對(duì)鋁合金鍛件熱模鍛成型工藝進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)，提高鍛件成型質(zhì)量，保證鍛件成型精度，提高鍛件材料利用率，對(duì)鋁合金模鍛技術(shù)具有極其重要的意義。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于影響鍛件成型質(zhì)量的因素眾多，目前的認(rèn)識(shí)仍然有限。為此，本文以某飛機(jī)旅客觀察窗窗框鋁合金鍛件為研究對(duì)象，通過(guò)采用數(shù)值模擬仿真技術(shù)，全方位分析和預(yù)測(cè)鍛件金屬流動(dòng)演化規(guī)律，了解材料在模腔內(nèi)的流動(dòng)狀況、溫度場(chǎng)、應(yīng)變及流線分布，探尋鍛件成型質(zhì)量與所制定工藝之間的相互聯(lián)系。

1 產(chǎn)品外形尺寸分析

本文研究的某飛機(jī)旅客觀察窗窗框鍛件產(chǎn)品如圖1所示。該模鍛件為超薄壁高筋弧形全非機(jī)加工精密模鍛件，外形最大外輪廓長(zhǎng)度約460mm、寬340 mm、高37mm，腹板最大厚度10mm。在上表面有一高度約22mm、厚度3mm的高筋，壁厚、最大高寬比為11∶1。因此，該模鍛件成型難點(diǎn)集中于高筋部位的填充成型。

圖1 窗框鍛件實(shí)物及三維模型

2 鍛件成型數(shù)值模擬仿真

2.1 剛粘塑性基本假設(shè)

金屬塑性成型過(guò)程中，材料的物理塑性變形過(guò)程十分復(fù)雜。為簡(jiǎn)化運(yùn)算工作量和數(shù)學(xué)上的處理，需要對(duì)材料的某些性能與變形過(guò)程作出相關(guān)的假設(shè)。用剛粘塑性有限元法分析大變形塑性問(wèn)題時(shí)的基本假設(shè)有：

（1）不考慮彈性變形，即：δijdεij=0 ；（2）材料的體積保持不變；（3） 忽略成形過(guò)程中的Bauschinger效應(yīng)；（4） 材料具有均質(zhì)各向同性；（5） 不考慮材料的體積力（重力和慣性力等）的影響。

除此之外，根據(jù)上述假設(shè)，剛塑性材料在發(fā)生塑性變形時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：

（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即力的平衡微分方程：

式中：σij,j為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分量。

（2）Levy-Mises本構(gòu)方程，及應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系：

式中：是節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)各應(yīng)力分量；?為等效應(yīng)變率；為流動(dòng)應(yīng)力。

（3）幾何協(xié)調(diào)方程（速度-應(yīng)變速率關(guān)系）：

式中：ε?ij是節(jié)點(diǎn)應(yīng)變速率分量；ui,j是節(jié)點(diǎn)速度分量。

（4）體積不變規(guī)律：

（5）Mises屈服準(zhǔn)則：

邊界條件：

2.2 有限元模型

本文采用Deform 3D軟件作為數(shù)值模擬平臺(tái)，利用剛塑性有限元模型對(duì)窗框鍛件成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到鍛件對(duì)稱性，采用1/4模型進(jìn)行有限元模擬，坯料及模具模型如圖2所示。模擬過(guò)程中不考慮模具變形，設(shè)置為剛形體；忽略坯料彈性變形，只考慮塑性變形；摩擦模型選擇剪切模型。利用Deform 3D軟件自帶劃分網(wǎng)格功能對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，坯料網(wǎng)格數(shù)為100000，在計(jì)算過(guò)程中隨時(shí)根據(jù)網(wǎng)格畸變情況進(jìn)行重新劃分。表1所示為模擬仿真時(shí)工藝參數(shù)的設(shè)置。

圖2 有限元模型

表1 模擬仿真工藝參數(shù)

2.3 仿真模擬結(jié)果

圖3所示為鍛件不同成型階段金屬流動(dòng)情況。由圖3可知，鍛件成型初始階段，坯料金屬在模具的作用下向模具型腔填充，此時(shí)，由于模具間隙較大，金屬流動(dòng)受到阻力較小，金屬往各方向填充速度基本一致。隨著模具下壓，中間高筋部分筋條越來(lái)越狹窄，金屬填充受到的阻力越來(lái)越大，此時(shí)金屬橫向流動(dòng)的速度明顯大于縱向筋條填充速度。在成型后期，橫向流動(dòng)的金屬遇到阻力筋的阻擋，橫向流動(dòng)阻力變大，迫使金屬往中間筋條部位填充，直至筋條部位填充完整。

圖3 鍛件各成型階段金屬流動(dòng)情況

圖4所示為鍛件不同成型階段溫度變化情況。由圖4可知，在鍛件成型初始階段，坯料與模具接觸部分溫度迅速下降，降到360℃左右。坯料未接觸模具部分溫度下降幅度較小，為390℃，兩區(qū)域有著明顯的分界。隨著模壓的繼續(xù)進(jìn)行，坯料兩側(cè)的溫降速度開(kāi)始下降，與中間筋條部分基本保持一致，此時(shí)坯料整體溫度在340℃左右。直至成型結(jié)束，坯料后期的溫降不是太明顯，基本保持在330℃左右，這與擠壓機(jī)行程及模壓速度有一定聯(lián)系。

圖4 鍛件各成型階段溫度場(chǎng)

圖5所示為鍛件不同成型階段金屬等效應(yīng)變。由圖5可知，在鍛件成型初始階段，坯料整體等效應(yīng)變都較小。隨著模具下壓，坯料整體等效應(yīng)變開(kāi)始加大，主要變形區(qū)域體現(xiàn)在筋條部分以及腹板變形末端部分。隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，后期金屬的變形主要在筋條部位的填充，此時(shí)坯料筋部區(qū)域的金屬等效應(yīng)變最大。

圖5 鍛件各成型階段應(yīng)變場(chǎng)

圖6所示為鍛件不同成型階段金屬等效應(yīng)力。由圖6可知，在鍛件成型初始階段，坯料整體應(yīng)力較小，主要集中在腹板兩側(cè)。隨著模壓的繼續(xù)進(jìn)行，坯料金屬等效應(yīng)力逐漸增大，整體分布比較均勻。

圖6 鍛件各成型階段應(yīng)力場(chǎng)

圖7所示為鍛件成型時(shí)載荷隨時(shí)間的變化情況。由圖7可知，在模壓初始階段，由于有一段放空過(guò)程，此時(shí)鍛件成型載荷幾乎為零。隨著坯料金屬的變形，鍛件成型載荷逐漸增大，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)增長(zhǎng)的幅度逐漸加大。造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)榕髁辖饘俚募庸び不芭髁辖饘匐S著時(shí)間的延長(zhǎng)料溫下降。在鍛件成型的終了階段，載荷急劇增大，最大值達(dá)到2140t。由于本模型采用的1/4模型，實(shí)際的鍛件整體成型載荷值應(yīng)在此基礎(chǔ)上放大4倍，因此實(shí)際成型最大載荷為8560t。

圖7 鍛件成型載荷曲線

3 結(jié)論

(1)坯料在變形的初始階段金屬流動(dòng)受到阻力較小，坯料與模具接觸部分溫度下降速度較快，此時(shí)坯料變形及應(yīng)力值也較小。

(2)隨著模具下壓，中間高筋部分筋條越來(lái)越狹窄，金屬填充受到的阻力越來(lái)越大，此時(shí)金屬橫向流動(dòng)的速度明顯大于縱向筋條填充速度；坯料腹板兩側(cè)的溫降速度開(kāi)始下降，與中間筋條部分基本保持一致；坯料整體的等效應(yīng)變及應(yīng)力逐漸增大。

(3)鍛件成型最大載荷為8560t。

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Study on Forging Process of An Aircraft Window Frame Based on Numerical Simulation

LIN Hai-tao,WU Dao-xiang,CHEN Huan-liang,LI Dan-dan(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326)

Numerical simulation is used to study the distribution rules and changes of physical fields such as temperature field,strain field and velocity field of an aircraft window frame forging.The results show that the metal flow in the initial stage of deformation is less resistant,and the temperature of the contact between the blank and the mold drop faster.At this time,the deformation and stress value of the blank are also small.As the mold press,metal filling resistance is more and more big,temperature drop rate began to fall on both side of the billet web,are almost consistent with the middle rib part,equivalent strain and stress of the blank overall increased gradually.Maximum load of forging forming is 8560t.

numerical simulation;aircraft window frame;die forging;forming load

TG319，TP392

A

1005-4898(2017)05-0004-07

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.01

林海濤（1978-），男，山東煙臺(tái)人，從事鋁合金塑性成形工藝研究。

2017－06－10