航空發動機燃燒室帽罩粘性介質成形數值仿真分析

李 威，石佩鈺，陳 淳，王 朔

（1.沈陽航空航天大學 航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136；2.中國航發西安航空發動機有限公司，陜西 西安 710021）

0 引言

航空發動機燃燒室高溫合金帽罩結構復雜，成形精度難以控制，傳統成形方式難以保證產品的一致性[1-2]。與傳統的板料成形工藝相比，粘性介質可以較好地填充復雜曲面形狀的表面，通過注入粘性介質，將壓力施加到模具容器中，在粘性介質的壓力下形成目標零件，粘性介質成形適用于薄壁復雜曲面結構零件的成形加工，當粘性介質粘度較低時，粘性介質成形類似于液壓成形，當粘性介質粘度較高時，粘性介質成形類似于剛性沖模成形，金屬薄板同時受到粘性介質法向與切向粘接應力的影響，可以延緩板料的局部縮口，提高板料的成形性，使壁厚分布更加均勻[3-4]。有效地預測收斂粘性介質成形工藝參數，可提高復雜零件的生產效率，降低成本。粘性介質成形通常采用數值模擬的方式進行預測分析，在復雜薄壁件成形研究中，王忠金等[5]分析了模具與摩擦系數對成形過程的影響，建立了成形極限與摩擦條件之間的關系，通過有限元模型實現了對粘性介質成形質量的準確預測。基于上述研究，本文結合成形零件幾何形狀，采用有限元方法對帽罩粘性介質成形工藝進行數值研究，以提高帽罩零件的成形質量和使用性能。

1 有限元模型的建立

根據粘性介質成形壓邊間隙與成形壓力范圍的不同，建立9 組粘性介質成形有限元模型，針對帽罩環形凸起等特征，壓邊方式設置為外側環形壓邊方式，粘性介質成形模型中凹模、壓邊圈、介質倉及柱塞采用剛性殼單元，板料采用殼單元，粘性介質劃分為實體單元，板坯與模具間的摩擦系數0.03，成形過程柱塞移動速度20mm/s，預成形板料半徑465mm，板料厚度1.2mm。有限元模型如圖1 所示。

圖1 帽罩粘性介質成形有限元模型

2 粘性介質成形初始方案設計

成形件除凹模入口處圓角外，最小圓角半徑為50mm，壁厚1.2mm，模具圓角半徑50mm，材料屈服強度820MPa，最小成形壓力參照公式（1），得出最小成形壓力為20MPa。

式中：t 為厚度；r 為模具圓角半徑；σb為材料屈服強度。

采用合模后壓邊圈與模具固定的方式進行數值模擬，排除壓邊力對成形過程的影響。具體方案如表1 所示。整個過程中壓邊間隙按照從1.22mm～1.4mm逐漸遞增的方式變化。對于成形壓力，初始值設定為20MPa，根據不同成形壓力對成形質量的影響，選取最終優化值。為了判定相關預測過程件的準確性，排除凹模圓角的影響，對初始參數進行仿真驗證，按照20MPa，壓邊間隙1.22mm，摩擦系數0.03 進行試分析，當間隙達到1.22mm 時壓邊圈和凹模靜止，粘性介質室壓力開始上升，零件產生部分褶皺，沒有破裂產生，整體貼模性較好，表明初始成形壓力可選定20MPa，整體貼模效果如圖2 所示。

圖2 初始參數貼模效果

表1 成形方案

3 工藝方案優化數值分析

3.1 零件壓邊間隙對成形結果的影響

圖3 為不同壓邊間隙下帽罩粘性介質成形褶皺及減薄率分布狀態，在壓邊間隙的研究中，其余參數為固定變量，成形壓力為20MPa，摩擦系數為0.03，壓邊間隙對成形結果影響較大，根據帽罩尺寸特征，研究壓邊間隙分別為1.22mm、1.26mm、1.30mm、1.34mm、1.37mm、1.40mm。結果顯示，壓邊間隙為1.22mm～1.30mm時，壓邊部分褶皺數量及深度較小，壓邊間隙為1.34mm～1.40mm時，壓邊部分褶皺程度相對嚴重。壓邊間隙的增大，壓邊部分褶皺程度增加顯著，壓邊間隙為1.34mm～1.40mm時，壓邊部分褶皺情況無明顯上升趨勢，表明褶皺達到極限值。壓邊間隙合理值范圍為1.22mm～1.30mm，具體值需結合壓邊間隙值對減薄率的影響進行分析。

圖3 不同壓邊間隙粘性介質成形減薄率分布狀態

圖4 給出了壓邊間隙對零件厚度變化趨勢影響的折線圖，當壓邊間隙分別為1.22mm、1.26mm、1.30mm、1.34mm、1.37mm、1.40mm時，最大減薄率分別 為5.173%、5.080%、5.180%、5.214%、5.318%、5.226%，最大增厚率分別為12.291%、10.881%、10.543%、11.209%、12.141%、11.986%。壓邊間隙為1.26mm時，減薄率最低為5.08%，壓邊間隙為1.3mm時，最大增厚率為10.543%，結合褶皺分布情況，壓邊間隙合理區間為1.22mm～1.30mm，合理壓邊間隙為1.26mm、1.30mm。在成形過程中壓邊間隙對凹模兩圓角的壁厚有明顯影響，隨著壓邊間隙的增加，在1.26mm～1.37mm 范圍內，內側凹模圓角處的減薄率升高，外側凹模圓角處的最大增厚率增大，由于增厚對后續加工影響較小，減薄對后續加工存在限制，因此選擇壓邊間隙為1.26mm。

圖4 壓邊間隙對零件減薄率與增厚率的影響

3.2 粘性介質成形壓力對成形結果的影響

圖5 為不同成形壓力下帽罩粘性介質成形褶皺及減薄率分布狀態，在該研究中摩擦因素與壓邊間隙為固定量，摩擦因素為0.03，壓邊間隙為1.26mm，研究成形壓力（20MPa、50MPa、80MPa、110MPa）對成形結果產生的影響。粘性介質成形壓力由20MPa 升高至110MPa 的過程中，環形凸起區域褶皺分布顯著減少，表明增大粘性介質成形壓力，可有效降低褶皺在成形區域的分布。成形壓力為20MPa、50MPa時，成形后零件褶皺嚴重，在80MPa、110MPa時，褶皺程度降低。在粘性介質成形過程中，隨著成形壓力的增大，最大減薄率逐漸升高，最大增厚率逐漸降低，在80MPa時，材料壁厚分布均勻，因此最優粘性介質成形壓力值約為80MPa。

圖5 不同成形壓力粘性介質成形減薄率分布狀態

圖6 給出了成形壓力對零件厚度變化趨勢影響的折線圖，當成形壓力分別為20MPa、50MPa、80MPa、110MPa時，最大減薄率分別為5.08%、5.42%、7.48%、9.25%，最大增厚率分別為10.88%、17.29%、14.58%、6.57%。不同成形壓力下，最大減薄率與增厚率均低于20%，成形壓力為80MPa時，最大減薄率與最大增厚率分別為7.48%、14.58%，相比50MPa 成形壓力，分別高出2.06%、-2.71%，差異較小，成形壓力為110MPa時，最大減薄率達到9.25%，接近10%。結合不同成形壓力下，環形凸起區域的褶皺分布情況，考慮到高減薄率帶來的破裂等風險，選擇成形壓力為80MPa，在保證成形區域褶皺較小的情況下，具有符合成形要求的壁厚減薄及增厚要求。

圖6 成形壓力對粘性介質成形零件減薄率與增厚率的影響

4 結論

（1）壓邊間隙過高、過低均可引起較高的減薄率與增厚率，合適的壓邊間隙范圍可有效控制粘性介質成形減薄率與增厚率，與成形壓力相比，壓邊間隙對環形凸起區域褶皺分布影響較小。

（2）提高成形壓力，可有效避免成形區域褶皺的產生，在粘性介質成形過程中，較高的成形壓力具有高減薄率，成形壓力過低對環形凸起區域褶皺影響不明顯。

（3）與減薄率相比，增厚率對褶皺缺陷影響較大，較高的增厚率可促進成形區域褶皺的產生。

（4）帽罩環形凸起區域及圓角區域在成形過程中較難控制，易產生褶皺分布及減薄率過高等問題，通過對壓邊間隙、成形壓力的量化控制，可有效避免褶皺及減薄率問題。

（5）通過對不同壓邊間隙與成形壓力范圍的優化，結合環形凸起區域的褶皺分布情況，考慮到高減薄率帶來的破裂等風險，最終選擇壓邊間隙為1.26mm，成形壓力為80MPa，為進一步的粘性介質成形試驗提供參數優化支撐。