航空發動機鈑金件多工序連續工藝鏈式仿真方法研究及實驗驗證

朱宇，門明良，孟寶*，石佩玨，劉紅梅

（1.中國航空發動機研究院，北京 101304；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191；3.中國航發動力股份有限公司，西安 710021）

航空發動機中的鈑金件是航空工程中的重要組成部分，其占比可達30%左右[1]。一些構件具有復雜的幾何形狀和薄壁結構，包含深腔和細小的孔洞[2-5]，通常采用高溫合金[6]、鈦合金[7]、鋁合金[8]等具有高強度和優異抗腐蝕性的材料制造，以承受航空發動機工作過程中的高溫、高壓和高速等極端工況[1,9]。這些鈑金件的制造通常需要多道次的成形及中間退火來實現，而不同道次之間工藝參數的交互影響較為復雜，因此對多階段加載過程的研究必不可少。

國際上已經發展了很多集工藝設計、成形分析、數據管理等于一體的鈑金成形仿真軟件系統，基于此，多工序板料成形仿真技術在鈑金件的設計和制造過程中有著廣泛的應用[10-12]。通過有限元模擬，可以減少繁重的試錯工作，利用數值分析結果指導優化產品的成形參數及工藝，可以降低實驗與生產成本[12-13]。朱宇等[14]針對復雜薄壁深腔階梯類隔熱罩構件，通過DYNAFORM 模擬分析了多道次充液復合成形中不同工藝參數的影響規律并進行了優化，確定了多道次成形過程中的變形量分配[15]，實現了復雜型面高溫合金鈑金件的整體精密成形。Li 等[16]對某型飛機深錐零件多道工序的材料變形量進行了分配和優化，并結合不同的屈服準則分析了型腔壓力和加載路徑對工件尺寸精度和厚度變化的影響，結果表明，Yld2000-2d 屈服準則可以實現預成形階段的準確預測，但誤差累積和材料加工硬化對后續變形產生了一定影響，使最終零件的成形預測精度有所降低。肖剛鋒等[17]采用ABAQUS 進行了錐形鈑金件的多道次深拉深旋壓有限元模擬，研究了不同工藝參數的影響規律，并基于優化的參數成功制備了鎳基高溫合金錐筒形件。

雖然上述研究通過多道次的成形可以得到型面及幾何尺寸良好的鈑金件，但是每一道次的加工都會產生殘余應力，這不可避免地會對后續成形過程及最終構件的疲勞壽命等產生負面影響[18-19]，通過退火處理可以有效消除殘余應力并提升材料后續的成形性能[20]。孔祥景[21]采用ABAQUS 對X 形航天薄壁件單工序及多工序銑削過程中的殘余應力進行了分析，通過去應力退火有效減小了加工殘余應力，并將通過模擬所確定的多工序成形方案應用于工藝試驗，結果表明，工件的加工精度顯著提高。詹梅等[22]基于ABAQUS建立了包含旋壓、回彈、退火的薄壁殼體全工序仿真模型，分析了構件在兩道次成形過程中壁厚分布及工藝參數的影響。基于該方法，他們還研究了旋壓間隙對后續成形的影響，利用有限元仿真確定的實驗方案制造出滿足要求的復雜薄壁構件[23]。Wang 等[24]開發了一個集成的多尺度模型，研究了Ta-2.5W 合金在多道次冷變形和退火過程中的宏觀變形與微觀組織演變。

當前研究更多是關于單工序或忽略回彈與退火的有限元分析，一些多階段加載過程的研究更多體現在材料的基礎力學性能與微觀組織演變方面[25-27]。本文旨在對航空發動機擋濺盤鈑金件的多工序成形進行仿真和實驗研究，包括回彈與熱處理過程。分析了鈑金件的結構及工藝成形過程，分別采用ABAQUS和DEFORM 進行拉深和熱處理過程的有限元仿真，仿真結果在不同軟件及成形工序中進行數據傳遞，同時，還進行了工藝試驗，以驗證仿真結果的準確性，以期為航空發動機鈑金件的設計、制造和工藝優化提供有益的參考和指導。

1 鈑金件工藝

本文所研究的鈑金件為航空發動機燃燒室中用于保護火焰筒頭部轉接段的擋濺盤[10]，采用厚度為1 mm 的鈷基高溫合金GH5188 進行制造，其基本力學性能參考文獻[10]，零件的幾何形狀及主要特征尺寸如圖1a 所示，主要考慮內徑、型面精度及厚度減薄率，要求最大型面間隙不超過0.4 mm，減薄率不超過10%。該零件主要通過拉深及中間退火進行成形，經過工藝補充后的零件模型如圖1b 所示，采用Solidworks 軟件提取工藝補充后的零件模型的中性面，然后進行曲面展開，確定坯料為圓形毛坯，其直徑為90 mm。根據零件模型分析成形方法及成形步驟，分5 個工序進行，如圖1c 所示。

圖1 鈑金件數模及成形工藝過程Fig.1 Sheet metal model and forming process: a) geometric feature of model; b) process supplement; c) forming process

2 有限元分析流程及建模

本文以ABAQUS和DEFORM作為仿真平臺對拉深過程和熱處理過程進行仿真模擬。ABAQUS/ Explicit 分析求解模塊適合用于模擬材料的瞬時響應和動態加載下的非線性行為，包括接觸、塑性變形、斷裂等。回彈過程不存在接觸行為，作為一種弱非線性問題，可以采用ABAQUS/Standard 求解模塊模擬卸載后的回彈過程[22]。ABAQUS 可以通過重啟動和預定義場設置提供從Standard 至Explicit、Explicit 至Standard 的分析結果傳遞，因此首先采用動態顯式和靜態隱式相結合的方法對鈑金件的成形過程進行分析。成形結束后提取成形結果中的節點、單元、應力和應變分量等數據信息，將其重寫為KEY 文件，導入DEFORM 中作為退火熱處理的初始狀態進行仿真。然后再將 DEFORM 模擬結果導入 ABAQUS/Explicit 中進行后續道次拉深成形等過程的模擬分析。以前兩步成形和中間熱處理為例，其模擬分析流程如圖2 所示。

依據上述工藝分析及模擬流程建立的拉深成形及退火熱處理過程的三維有限元模型如圖3 所示。前兩道次的拉深高度均為13 mm，第三道次在前面的基礎上進行整形，整形高度為2 mm，其中所涉及的拉深模具的主要特征尺寸如表1 所示。熱處理方案為在980 ℃條件下保溫10 min，然后進行空冷，如圖3d 所示，共分為5 個階段。此外，還進行了相應工序的工藝試驗，在每一步成形后測量零件高度、法蘭直徑、圓筒內徑、筒壁厚度等尺寸，并與模擬結果進行對比分析。

表1 不同道次模具主要參數Tab.1 Main parameters of die in different passes

圖3 多道次拉深及退火熱處理有限元模型Fig.3 Multi-pass deep drawing and annealing finite element models: a) the first deep drawing model; b) the second deep drawing model; c) the third reshaping model; d) annealing model

3 結果與討論

3.1 第一步拉深回彈結果

第一步拉深及卸載回彈后的應力-應變分布對比如圖4 所示。其中，Avg: 0 表示對模型中的一組節點或單元的屬性不進行平均化處理。隨著拉深的進行，板料的塑性變形不斷增大，在拉深成形結束后，法蘭圓角區的塑性變形最大，其次為底部圓角區域，Mises應力也有相同的分布規律，如圖4a 和圖4b 所示。在卸載后，零件發生了一定的回彈，塑性應變沒有發生變化，如圖4b 和圖4d 所示。而卸載后，由于零件失去了模具的約束，應力得到了釋放，因此法蘭處的應力從800 MPa 降低至10 MPa 左右，較卸載前大幅度降低，但底部圓角區仍有大于400 MPa 的應力殘留，如圖4c 所示。較大的殘余應力可能會對后續的成形工序產生負面影響，殘余應力的累積會導致零件精度下降、疲勞壽命降低，甚至還會引起零件在拉深過程中開裂等，因此需要對成形后的零件進行退火熱處理，以消除殘余應力。

圖4 第一步拉深及卸載后應力應變分布Fig.4 Stress and strain distribution after the first deep drawing and unloading: a) stress after deep drawing forming;b) strain after deep drawing forming; c) stress after unloading of springback; d) strain after unloading of springback

零件卸載回彈后模擬與實驗結果的對比如圖5所示，其中t為零件壁厚，H為零件高度。可以看出，第一步的回彈相對較小。由于在回彈分析中選取了中間節點作為約束，因此從中心至邊緣，其相對位移逐漸增大，在法蘭處回彈位移最大為0.267 mm；零件厚度減薄率較小，模擬結果僅為5%，實驗結果略大。從3 個方面的對比可以看出，模擬值與實驗值整體上較為接近，表明了單道次拉深回彈有限元仿真的準確性。

圖5 第一步卸載回彈后模擬與實驗結果的對比Fig.5 Comparison of simulation and experimental results after unloading of springback in the first step

3.2 第二步退火熱處理結果

從ABAQUS 中提取第一步模擬結果中節點處的應力-應變及幾何坐標等數據作為熱處理的初始狀態導入DEFORM 中，以最大主應力和最大主應變為例，零件在2 個軟件中狀態的對比如圖6 所示。可以看出，該過程不僅將上一步回彈后零件的幾何形狀傳遞至DEFORM 中，而且應力-應變場云圖也高度一致，說明物理場數據得到了無損傳遞。后續將DEFORM 熱處理模擬結果傳遞至ABAQUS 中也可以達到相同的數據傳遞效果，因此后文不再詳細闡述。

圖6 ABAQUS 與DEFORM 中的應力-應變狀態對比Fig.6 Comparison of stress-strain states in ABAQUS and DEFORM: a) maximum principal stress in ABAQUS; b) maximum principal stress in DEFORM; c) maximum principal strain in ABAQUS; b) maximum principal strain in DEFORM

由圖4c 可知，底部圓角部分還有較大的殘余應力，因此從中選取一點P，如圖6b 所示，追蹤其殘余應力的變化情況。底部圓角處點P 在退火過程中不同階段的殘余應力變化情況如圖7 所示。可以看出，在快速加熱階段1，殘余應力不斷減小，在832 ℃時發生了突變，其值迅速下降，這可能是由于在加熱過程中，材料的晶體結構發生了變化，在該溫度下發生了再結晶，其中變形晶粒轉變為再結晶晶粒，位錯密度降低，導致原先存在的內部應力被釋放或重新分布[28]。隨著晶體結構的調整和應力的釋放，殘余應力可能會突然下降。在階段2，溫度保持恒定，殘余應力也相對穩定。當繼續升溫時，其內部微觀結構會進一步發生轉化，殘余應力也逐漸下降。同樣地，在階段4 的保溫過程中，殘余應力未發生變化。在快速冷卻的階段5，應力有些許的升高，最終穩定在120 MPa 左右，較退火前殘余應力有大幅度減小。這表明退火處理可以消除一部分加工硬化帶來的負面影響，從而增強材料后續成形性能。后續熱處理模擬呈現出與上述相似的趨勢與結果，不再進行詳細分析。

圖7 P 點殘余應力的變化Fig.7 Change in residual stress at point P

3.3 后續成形結果

第三步成形工序的模擬結果與實驗結果對比如圖8 所示。可以看出，在第三步拉深回彈后，模擬得到的零件整體形狀尺寸與實驗結果相差不大，零件厚度較前一步降低約2%，法蘭直徑未發生明顯變化。在第三步拉深成形中，雖然凸模的直徑為33.60 mm，但模擬結果顯示圓筒內徑為33.54 mm，這主要是由回彈造成的影響導致的，但與要求的尺寸33.50 mm較為接近。圖8 右側顯示的是車底之后的零件，可以看出，車底之后零件的內徑小于要求尺寸，這說明車底可能會進一步使零件產生回彈。如此也反映出不宜在該工序之后進行車底，否則可能會對后續的整形過程造成不利影響。

圖8 第三步卸載回彈后模擬與實驗結果的對比Fig.8 Comparison of simulation and experimental results after unloading of springback in the third step

為檢驗成形型面的精度，從零件型面上取8 個特征點與標準型面上的同樣位置進行對比，如圖9a 所示，第五步卸載回彈后模擬與實驗幾何特征的對比如圖9b 所示，詳細對比參數如表2 所示。其中誤差值E的計算如式（1）所示。

表2 主要幾何參數的對比Tab.2 Comparison of main geometric parameters

圖9 第五步卸載回彈后模擬與實驗結果的對比Fig.9 Comparison of simulation and experimental results after unloading of springback in the fifth step: a) location of the feature points; b) results after unloading of springback

式中：EExp.為實驗值；ESim.為模擬值。

從圖9b 可以看出，在第三步成形過程中，零件在法蘭處的回彈比之前工序的回彈大。需要指出的是，圖9 中的仿真結果為通過CATIA 逆向建模技術回彈補償后的結果，工藝試驗中所使用的模具形狀為根據有限元仿真確定的。雖然零件在特征點⑤處的局部回彈最大，但經過回彈補償后其型面間隙較小，然而仍與實驗結果有一定的差距。實驗結果表明，該處的型面間隙不是最大的，反而是旁邊的特征點⑥處的型面間隙最大，而且模擬值與實驗值均達到最大的0.3 mm，這主要是因為特征點⑤的局部回彈會對周圍型面的形狀產生影響，使該處型面間隙減小的同時，周圍的型面間隙增大。

從表2 的主要幾何參數與圖8 可以看出，經過回彈補償后，零件的內徑與前一步的拉深結果相比有所增大，試制零件內徑為33.6 mm，略小于模擬結果；筒壁的壁厚較前一步結果幾乎沒有區別，厚度分布較為均勻，平均減薄率為8%，略大于模擬值，滿足10%以內厚度減薄率的要求；二者型面間隙的分布及趨勢也大致相同。值得注意的是，模擬結果與實際零件尺寸相差較小，零件幾何形狀非常接近，多工序成形仿真結果可以較好地預測實驗結果。

綜上分析，雖然由于誤差累積等因素導致最后整形道次模擬結果比實驗結果稍大，但是模擬結果的趨勢與實驗結果相對一致，表明本文進行的多工序成形仿真仍可以為實際實驗提供理論指導。實驗結果雖然滿足零件的技術要求，但是在測量過程中發現，部分位置的型面間隙相對偏大，接近0.4 mm，因此可以以此為基礎對仿真進行反饋，考慮通過局部回彈補償的方法來提高仿真的精度，然后利用補償后的仿真型面對模具進行修模與實驗驗證，以進一步提高零件的形狀精度。

4 結論

基于ABAQUS 和DEFORM 兩種仿真平臺，進行了擋濺盤鈑金件的多工序成形仿真，包括回彈與退火過程，并通過相應的工藝試驗進行了對比，得到以下結論：

1）實現了ABAQUS 與DEFORM 之間的數據傳遞，包含幾何特征、應力、應變等物理場數據，數據傳遞過程幾乎為無損過程。

2）第一道次拉深卸載后零件回彈較小，模擬得到的零件幾何尺寸與實驗結果誤差較小，但隨著成形過程的進行，誤差累積使最終的模擬結果與實驗結果的差距略大，但仍在誤差允許范圍內，可以進一步通過局部回彈補償來提高零件的精度。

3）零件在每一步成形過程都會產生殘余應力，殘余應力的累積會對零件成形產生不利影響，本文所使用的退火熱處理方案可以有效降低零件內部的殘余應力，以增強高溫合金在后面工序中的成形性能。

4）擋濺盤鈑金件的多工序成形仿真結果與工藝試驗結果的誤差較小，根據有限元仿真確定的方案進行工藝試驗得到的零件滿足其主要指標要求，證明了本文所制定的工藝路線的有效性與準確性。