基于DEFORM-3D的飛機用平衡機匣的鍛造數值模擬

文／孫德順，安愛玲，穆劍菲，姜星智·蘇州昆侖重型裝備制造有限公司

1Cr11Ni2W2MoV合金是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，不僅具有較高的強度，而且有較好的韌性。因此，廣泛應用于航空發動機零部件中。本文中某型號發動機用平衡機匣材料就是1Cr11Ni2W2MoV。該鍛件傳統的成形方式為鐓粗-軋環-模鍛，需多火次、多工步鍛造成形，而該合金對熱加工工藝極為敏感，多火次成形不僅易造成晶粒粗大，也會增加開裂風險，降低產品質量。本文采用DEFORM-3D軟件對平衡機匣一火模鍛精密成形進行數值模擬，分析成形過程中坯料溫度場、應力應變場分布及變化，并對比數值模擬流線分布與實際鍛件流線分布結果，確定該型號平衡機匣一火模鍛代替傳統鍛造的可行性。

有限元模型的建立及工藝參數

在我公司的3萬噸精密液壓機上進行1Cr11Ni2W2MoV合金平衡機匣鍛件的熱模鍛成形，圖1為鍛造用模具與坯料裝配圖，使用坯料規格為φ250mm×280mm。

將建立的裝配體模型導入到DEFORM-3D軟件中進行鍛造過程的模擬。根據實際情況，設置上模壓制速度為25mm/s，模具初始溫度為300℃，坯料溫度為1160℃，摩擦系數為0.3，坯料與空氣、坯料與模具的傳熱系數采用軟件默認值。為了提高仿真的效率且保持較好的仿真精度，本文采用了四面體網格劃分，建模模型如圖2所示。并在坯料中心軸位置選取三個點（如圖1所示），分析三個不同位置處的溫度、應力應變變化趨勢。

圖1 鍛造裝配圖

圖2 坯料的有限元模型

結果及討論

溫度場

圖3為鍛件鍛造結束時的溫度場圖。由圖3可以看出，最高溫度分布在飛邊及鍛件1/2厚度部位，而最低溫度則分布在與模具接觸的邊緣部位。坯料在鍛造過程中，接觸模具的部位與模具發生熱交換后溫度下降，導致低溫區出現，而飛邊及鍛件中部因塑性變形量較大產生內部熱效應，并且不接觸模具，基本不發生熱交換，所以區域為高溫區。

圖3 鍛造過程中溫度場分布云圖

圖4 所示為三個點在鍛造過程中溫度隨時間的變化曲線。結合溫度場云圖，P2點屬于鍛件中部位置，不與模具接觸，該處溫度隨著鍛造的進行呈上升趨勢，在成形后期才略有下降。而P1、P3點屬于與模具接觸部位，在鍛造過程中由于熱交換損失熱量，溫度隨著鍛造過程呈階段性的下降趨勢。從圖3、圖4分析結果不難發現，在鍛造過程中P1、P3處最易產生表面裂紋。

圖4 三個點的溫度變化曲線

圖5 不同時刻的等效應力場云圖

應力場、應變曲線

圖5 為開始鍛造后的第7s、9s、10s時的等效應力場圖。圖中反映出鍛件的最高等效應力分布在鍛件與模具接觸的部位，在鍛造過程中與模具接觸的部位與模具發生熱交換，溫度驟然下降，此區域金屬塑性降低、流動性變差，在后續壓制過程中金屬流動困難，繼而導致變形抗力增大。P1、P2、P3點處的等效應變曲線見圖6，從圖中可知，P1點和P3點處的等效應變值相對于P2點處小很多，如前面所述，產生這種現象的原因是P1和P3點處與模具接觸，溫度驟降，導致金屬流動性變差，變形抗力增加，而P2點處的材料不與模具接觸，熱量損失較小，金屬流動劇烈，內部組織產生熱效應，促進變形量大。

圖6 三個點的等效應變

流線分布

DEFORM-3D軟件數值模擬鍛件的流線分布見圖7。對相同參數下實際鍛造的平衡機匣鍛件進行縱向解剖、磨拋、低倍腐蝕，鍛件流線分布如圖8所示。結合鍛件鍛造過程中的溫度場、應力應變場變化趨勢可知，鍛造過程中坯料受擠壓向外緣流動，P2位置流動最為劇烈，鍛件內的流線分布基本沿幾何外形，未出現紊流、穿流和亂流，實際鍛件的流線分布也基本與模擬結果相匹配。另外，鍛件表面無任何開裂現象。

圖7 數值模擬鍛件流線分布

圖8 實際鍛件的流線分布

結論

通過DEFORM-3D軟件數值模擬對平衡機匣鍛件成形過程中溫度場、應力應變場、流線分布的分析，并結合實際鍛件的表面質量和組織流線分布得出如下結論：1Cr11Ni2W2MoV合金平衡機匣鍛件一火模鍛成形表面無任何裂紋出現；流線分布基本沿幾何外形，未出現紊流、穿流和亂流現象；鍛件充滿效果良好，各項性能均能達到客戶要求。該型號平衡機匣一火模鍛代替傳統鍛造的方法完全可行，不僅節省了產品的生產成本，同時提高了產品質量。