航空发动机高锥体零件充液成形工艺研究

航空发动机高锥体零件充液成形工艺研究

飞机是飞机的主要部件之一，由于其独特的优点，建模在航空发动机中发挥着非常重要的作用。从发动机前的整流口到尾喷口，节省的数量约占航空发动机的30%。新型航空发动机的钣金件呈现以下趋势:形状更复杂、尺寸和形位公差精度要求更高、大量使用轻质材料、表面完整性要求更高、抗疲劳、材料更薄、刚度高、强度高等充液成形技术是近年来发展起来的新型板料柔性成形技术，是现代轻量化、精确制造的代表性技术之一，能够很好地解决钣金件的精确成形问题，在新能源汽车及航空航天等领域具有较大的优越性。与传统工艺方法相比，其具有成形极限高、成形零件复杂、成形精度高、可以成形特种材料等优点，同时又适应了航空航天产品的小批量、多品种的柔性发展方向1充液成形工艺充液成形是指采用水、油或其他液体作传力介质，代替刚性的凹模或凸模，使坯料在液室压力作用下贴靠凸模或凹模而成形。该成形技术主要有如下优点:(1)半模成形，降低了模具成本;(2)提高了材料的成形极限，可减少成形道次;(3)可以成形复杂形状的薄壁零件;(4)成形零件表面质量好、回弹小、精度高;(5)成形零件壁厚均匀、刚度好、抗疲劳等板材充液成形根据液体作用方式可分为被动式充液成形和主动式充液成形。被动式充液成形也称为充液拉深，如图1所示，其中F为压边力。由于液室压力可加大变形坯料与凸模之间的有益摩擦，克服拉深凸模圆角等危险部位坯料的减薄破裂，同时，随着液室压力的加大，液体溢流可在法兰与凹模之间形成流体润滑，从而有利于提高零件的成形性及成形极限。主动式充液成形也称为充液胀形，如图2所示，其中P为液体成形压力。相比于刚性模胀形，充液胀形的零件各处所受的压力相等，壁厚减薄相对更均匀一些，成形极限相对更高，表面质量更好，回弹更小。2高锥形零件的数值模拟和分析2.1零件成形与减薄如图3所示，零件为薄壁深锥筒形件，筒部直径为Φ350mm，法兰直径为Φ450mm，锥头高度为200mm，总高度为445mm，厚度为0.8mm。零件技术要求最大减薄不大于15%，轮廓度为0.3mm。从零件结构可看出，零件头部为弧锥段，下部为直锥段，而且留有法兰，成形过程中悬空段长，变形区材料流动剧烈，容易发生减薄过大以至破裂，且悬空段控制不当也极易发生起皱航空发动机运行中，该零件在高温下受一定载荷，设计要求该零件的减薄要小，刚度、强度要高。原工艺无有效手段保证零件的成形质量。原工艺采用两段拼焊加工，其中，头部弧锥段采用刚性拉深成形，直锥段采用卷焊成形，再将两个部分进行组焊，最终零件带有一条纵向焊缝和一条周向焊缝。此工艺加工周期长、零件减薄大、表面完整性差，难以满足设计要求。通过引用充液拉深技术可完美解决该零件的成形问题。2.2材料性能测试该高锥体零件材料为高温合金，是一种主要由铬和钼固溶强化的铁含量较高的镍基高温合金，具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能，在900℃以下有中等的持久和蠕变强度，冷、热加工成形性和焊接性能良好。在原始板料上裁取单拉试样，分别截取0°，45°和90°各两组单拉试样，如图4所示，其中，L通过单拉试验得到室温下的材料性能，通过对单拉数据进行处理，拟合出3个方向的应力-应变曲线图(图5)。注意，在实际中要区别实际应力与工程应力。在模拟材料时，分别输入3个方向的应力-应变曲线、米塞斯屈服准则，考虑材料的各向异性、3个方向的材料性能参数对数值模拟结果的准确性的影响，并为实际的生产成形工艺所用到的参数提供技术意见和支持。2.3产品工艺设计通过多次仿真模拟，确定最终工艺路线为:下料—充液拉深—切割法兰，如图6所示。充液拉深需要成形一个锥头筒形件，此类曲面零件的拉深是一种极限深度拉深的成形工艺，在拉深过程中整个坯料均为变形区，相对高度越高、锥角越大，则变形越复杂、成形难度越高。模拟分析的有限元模型如图7所示。当采用传统刚性模拉深时，由于没有液室压力支撑，仅依靠凹模和材料自身变形包裹凸模。当压边力较小时，材料流动较好，拉应力较小，但切向压应力较大，导致起皱严重且此时减薄较大;当压边力逐步增大且保证不起皱时，此时零件的减薄将超过材料极限而破裂。因此，采用一次刚性拉深无法满足设计要求。若要保证零件成形过程中无皱且减薄率满足要求，应至少需要3工序刚性拉深成形。相对于刚性拉深，充液拉深在成形过程中由于有液室压力作用，坯料会紧贴在凸模上，从而使悬空区减小，起皱趋势降低，减薄也较小;且头部拉深成形后由于摩擦保持效果，继续拉深过程中减薄也不再增大。同时，充液拉深可在凹模与板料下表面之间产生流体润滑，从而大大提高零件的成形性能与表面质量。通过优化拉深位移与水压的加载曲线，调整压边力与摩擦系数，充液拉深零件模拟结果如图8所示，最大减薄率为13.67%，壁厚较均匀，成形无破裂、无起皱，满足设计要求。2.4充液成形力的计算(1)充液拉深成形力F式中:F式中:k为系数，由毛坯相对厚度和法兰相对直径决定，此处k=0.38;L为变形横截面周边的长度，mm;t为坯料厚度，mm;R式中:P当液室压力为50MPa时，通过计算得到充液拉深成形力约为5000kN。(2)压边力F由此得到，压边力约为2000kN。2.5成形机性能控制设备选用天津天锻航空科技有限公司的13000kN充液成形机，拉深力为8000kN，压边力为5000kN，采用伺服技术，压力精度控制在±10kN，水压精度为±0.05MPa，压机速度控制精度为±0.5mm·s3零件生产结果经过现场加工验证，成形零件无起皱、无破裂，表面质量优良，最大减薄率约13.8%。与传统刚性拉深相比，拉深到同一高度时，测量减薄得出充液拉深的零件成形极限比传统刚性拉深的成形极限提高了4%，轮廓度达到0.1mm。现该零件已实现批量生产，合格率高达99%。充液拉深零件如图10所示。相较于传统刚性拉深工艺，采用充液拉深工艺完美解决了零件的成形难题，主要优点有:(1)消除了焊缝，保证了零件的完整性，提高了零件的强度和高度;(2)提高了成形精度和表面质量，贴模度达到0.1mm，减薄率最大为13.8%，壁厚较均匀，而传统工艺难以满足成形精度及减薄要求;(3)提高了材料的成形极限，减少了成形道次，周期缩短了20%。4零件表面形貌(1)充液拉深可替代传统刚性拉深后的焊接成形，提高了效率并降低了成本。充液成形使零件各处所受压力相等，壁厚减薄相对更均匀。充液成形提高了零件