李蓬川 周文武 杨靖雲

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618013)

航空发动机是所有动力装置中技术含量最高、制造难度最大的动力装置[1]。机匣是航空发动机的重要组件，属于截面异形化程度较高的大尺寸薄壁类零件[2-3]。这类锻件在锻造成形过程中，材料流动和填充规律非常复杂，容易产生折叠、穿流、充不满等宏观流动缺陷，同时由于锻件投影面积大，锻造所需成形载荷高，普通压力机很难提供如此大的成形载荷，所以该类锻件在制造中常常存在材料利用率低、制造成本高、质量稳定性差等问题[4-5]。因此，科学地进行坯料尺寸优化设计是保证该类锻件成形过程顺利进行和有效控制锻件质量的关键。

本文首先对机匣模锻成形进行了有限元模拟研究，分析了成形过程中坯料的定位情况和最大成形载荷，然后针对坯料在模锻过程中出现的定位不稳、成形载荷过大、飞边过多等问题，提出一种新的坯料定位方式，并以理论分析和实际生产相结合的方法研究了坯料腰部宽度、坯料厚度对锻件充填性及成形载荷的影响规律，从而确定了最优的坯料尺寸结构，提供了一种实用、可靠的生产技术参考。

1 有限元模型的建立

图1为机匣锻造成形有限元模型，采用Deform-3D软件对该模锻成形进行模拟分析。设坯料为塑性体，材料为PH15-5不锈钢，重量为340 kg，坯料预热温度为1150℃。设模具为刚性体，模具材料为5CrNiMo，预热温度为350℃。辐射系数为0.3，热对流系数为2×10-5W/(m2·K)，热传导系数为11×10-3W/(m2·K)，压机工作速度为8 mm/s。有限元摩擦模型采用Archard理论磨损模型，摩擦边界条件选用常摩擦剪切摩擦模型。数学表达式如下：

式中，dw为磨损深度；P为模具表面正压力；ν为相对滑动速度；a、b、c为标准常数，对钢而言，通常a、b取1，c取2；H为模具表面硬度(HRC)；K为磨损系数；i为模具型腔表面节点；dt为时间增量。

图1 机匣锻造有限元模型Figure 1 FEM model of aeroengine case

2 初始模拟结果分析

机匣模锻成形时间-载荷曲线如图2所示。机匣锻件成形时间为47.1 s，成形最大载荷达到了703 MN，超过了现有压力机能够提供的最大载荷。图3为机匣锻件，该锻件主要由半圆型腹板和加强筋组成，锻件不同部位的厚度差别很大。从模拟结果可以看出，虽然锻件充填情况良好，但是锻件四周飞边多，且飞边分布不均匀(右侧飞边明显大于左边)，造成了严重的材料浪费。这是因为坯料过大，在成形后期，多余的金属开始向飞边槽甚至上下模侧壁的间隙中流动，导致载荷急剧增大，其次由于坯料没有定位，在成形过程中上模会给坯料一个侧向力，使坯料向另一端移动，导致锻件一边料多一边料少的情况。为了解决此问题，设计了一种自定位的坯料形状，使坯料在成形过程中自动定位，并对坯料尺寸进行优化，降低成形载荷，提高材料的利用率。

3 坯料优化设计方案

3.1 坯料定位方案

为了防止坯料在成形过程中发生横向移动，提出了一种自定位的坯料形状，如图4所示。根据上模形状的不对称性，在坯料的一侧设计一个圆滑的斜面与之对应，这样在成形过程中，上模与坯料腰部两侧同时接触，坯料两端受力相抵消，实现了坯料的定位。图5为成形过程中坯料定位效果图，可以看出坯料没有发生相对滑动，定位效果良好，而且这种坯料形状的设计，让坯料具有了自动归位的能力，即便由于人工摆料的原因，坯料不在正确位置，但在成形过程中，坯料也会自动回归正确的位置。

图2 机匣锻件成形时间-载荷曲线Figure 2 Time-load curves of aeroengine case forging

图3 机匣锻件Figure 3 Aeroengine case forging

图4 坯料自动定位设计Figure 4 Automatic positioning design of billet

3.2 坯料尺寸优化设计

由原始坯料模拟结果可以看出，成形载荷过大，锻件飞边过多，应该适当减小坯料的尺寸，降低成形载荷，提高材料利用率。原始坯料的形状近似工字形，其主要结构尺寸为腰部宽度a、坯料厚度h。选取以上两个结构尺寸作为优化问题的设计变量，每个变量取3个水平因子，接着根据最终锻件的充填率以及载荷大小，确定最佳的坯料结构尺寸，实验方案如表1所示。

图5 成形过程中的坯料定位效果Figure 5 Billet positioning during forming

试验序号坯料宽度mm坯料厚度mm123456789600600600500500500400400400908070908070908070

4 数值模拟与分析

4.1 充填率分析

图6所示为不同实验组的锻件充填率。从图6可以看出，随着坯料结构尺寸的减小，锻件的整体充填率呈现下降趋势。这是因为随着坯料结构尺寸的减小，坯料与终锻件的重量逐渐接近，对于坯料中金属的分配要求逐渐提高，坯料越来越难充填满型腔。对于同一腰部宽度的坯料，随着坯料厚度的减小，锻件的充填率先增大后减小。这是因为锻件不同部位的厚度不一致，所以只有当坯料的腰部长度和厚度符合一定比例时，坯料各部分成形才会比较协调，型腔才容易充满。

4.2 载荷分析

不同试验组最大成形载荷如图7所示。可以看出，最大成形载荷的变化规律与锻件填充率相似，随着坯料结构尺寸的减小，锻件的最大成形载荷在逐渐下降。当坯料腰部宽度一定时，随着坯料厚度的减小，锻件的最大成形载荷先减小后增大。

图6 不同试验组的锻件充填率Figure 6 Filling rate of forging in different experimental goups

图7 不同试验组最大成形载荷Figure 7 The maximum forming load of different experimental groups

综合以上对锻件充填率和载荷的分析可知，坯料结构尺寸为a=400 mm、h=80 mm(第8组实验方案)是最优的坯料尺寸，此时充填效果饱满，充填率为100%，成形载荷最小，仅为598 MN，并且此时坯料的重量为300 kg，较初始坯料的340 kg减少40 kg，提高了材料利用率。

5 生产验证

将以上研究得到的坯料定位方案及坯料主要结构尺寸应用于生产试制中，锻件定位效果良好，锻件充填饱满，最大成形载荷为612 MN，这与数值模拟的结果基本一致。此外由于每个坯料重量减轻40 kg，使得锻造成本降低，材料利用率大大提高，带来了可观的经济效益。

6 结论

(1)提出了一种新的坯料定位方法，根据上模形状的不对称性，在坯料的一侧设计一个圆滑的斜面与之对应，使坯料与上模相契合，从而实现定位。这种定位方法便洁易操作，定位效果好，并且不需在模具上加设任何定位装置。

(2)机匣坯料最优的腰部宽度为400 mm，厚度为80 mm，坯料重量为300 kg，此时充填饱满，成形载荷最小，仅为598 MN。

(3)有限元模拟结果和生产试制结果相吻合，验证了数值模拟的可靠性。同时也为此类锻

件的坯料设计优化提供了合理的参考模式，具有现实的指导和借鉴意义。

[1] 杨知硕，刘东，罗子健，等. 复杂锻件的坯料预成形优化设计方法[J]. 热加工工艺，2012，41(11)：119-123.

[2] 熊逸博，周杰，何雄，等. 基于数值模拟的机匣锻模堆焊再制造分析[J]. 热加工工艺，2017(9)：157-159.

[3] 王真，单德彬，薛克敏，等. 筒形机匣等温精锻时模具的加热及有限元热场分析[J]. 锻压技术，1996(4)：45-49.

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[5] 肖红，戴甲洪，刘阁. 基于BP-GA的大锻件过渡区宏观成形性能优化[J]. 锻压技术，2017，42(3)：180-183.