來源：互聯網    作者：黃湘龍  易幼平      
關鍵字：有限元  QForm  等溫鍛造  仿真模擬  

本文在QForm 2D/3D仿真平臺上對7085鋁合金翼身接頭進行等溫鍛造過程模擬，對等溫鍛造中流線、應力、應變、最大載荷以及可能產生的折疊進行全方面模擬，提出了相應的等溫鍛造成形方案與工藝參數，為等溫鍛造參數以及鍛造用模具優化設計提供幫助。

       輕質高強度鋁合金模鍛件在航天航空領域中應用廣泛，翼身接頭作為連接飛機機翼與機身的重要承力部件，要求必須具有優良的綜合力學性能。傳統的通過焊接工藝加工航空接頭，抗疲勞能力較差；而采用自由鍛或機加工方法會浪費大量材料。等溫模具鍛造技術具有尺寸精確、材料利用率高、鍛造所需液壓機噸位小以及組織均勻等優點。等溫鍛造由于鍛件與模具溫度相同，消除了溫鍛工藝冷模效應，大幅度降低了材料變形抗力，非常適合復雜型面模鍛件的精密成形，受到了國內外學者的普遍關注。同時，等溫鍛造對模具強度和鍛件設計提出了很高的要求，要獲得充填完好的航空接頭鍛件并不容易，其工藝制訂常規做法是采用多次工業試驗方法，調試確定鍛造工序與模具，這個導致了制造成本與生產周期的增加。

       隨著計算機和CAE技術發展，數值模擬方法已成為求解復雜成形問題的強有力工具。QForm由俄羅斯Quantor公司專家基于有限元計算方法開發而成，專門用于解決鍛造問題，適合于模擬冷鍛、溫鍛和熱鍛等工藝。同時，QForm也可以模擬粉末鍛造和鐓鍛，適應設備有機械壓力機、鍛錘、螺旋壓力機、液壓機和多錘頭壓機。QForm優點在于不需人工控制網格生成、步距和其他數值模擬特定參數，結果準確度與用戶對有限元技術熟練程度無關。

       本文在QForm 2D/3D仿真平臺上對7085鋁合金翼身接頭進行等溫鍛造過程模擬，對等溫鍛造中流線、應力、應變、最大載荷以及可能產生的折疊進行全方面模擬，提出了相應的等溫鍛造成形方案與工藝參數，為等溫鍛造參數以及鍛造用模具優化設計提供幫助。

1 翼身接頭鍛件及模具三維造型設計

       1.1 翼身接頭結構件三維實體造型

       飛機翼身接頭零件外形如圖1所示。長寬高度具體尺寸為647mm×216mm×124mm。零件兩腹板平面之間有一個角度，腹板上、下方均有兩個臺階；零件兩端由兩個互成角度的面拼接而成，具有典型的高筋和薄壁特點。常規冷鍛工藝下鍛件切削量大，難以保證鍛件流線完整，所以使用Pro/E widefire軟件進行預鍛件三維實體造型。

       零件是終鍛件通過機加工后獲得的，故終鍛件腹板和兩端都加厚3mm；同時將腹板上、下面臺階包裹，簡化零件筋輪廓，簡化后尺寸為655mm×256mm×18lmm。

 

圖1 鍛件零件圖

       預成形設計是指根據終鍛件幾何形狀設計出若干幾何形狀近似、截面相同的預成形件，旨在增強金屬流動性、降低材料變形抗力以及避免產生折疊或穿筋等缺陷。預成形設計原則為截面面積相等或者稍大原則，即預鍛件截面面積應等于最終成形的相應截面面積和飛邊截面面積。利用QForm軟件進行仿真模擬，經過不斷調整和修改，最終得到合適的預鍛件設計，如圖2所示。

 

圖2 翼身接頭鍛件三維造型圖

       1.2 鍛件仿真成形結果

       通過改變圓角半徑以及合理分配金屬體積，解決了金屬材料在圓角過渡處的折疊問題。最終，鍛件完全成形，折疊出現在非關鍵部位，并可以通過機加工去除，仿真成形結果如圖3所示。

 

圖3 仿真成形結果

       1.3 鍛件模具三維實體造型

       采用QForm軟件進行模擬仿真前需設計模具型腔，即設計鍛件的凸凹模。利用Pro/E三維造型軟件自動生成模具功能模塊。Pro/E模具模塊的模具設計流程如下：第一，進行零件設計以及裝配；第二，開始模具組件設計；第三，參照零件拔模角度以及厚度分析，設定收縮率，并定義分型面；第四，建立模具體積塊；第五，繪制模具工程圖。在模具設計中，分模面位置的選擇關系到鍛件精度、內部流線走向以及模具生產周期成本。合理的分模面位置應滿足以下兩點要求；首先，與變形力方向相垂直的鍛件投影面積最大，外廓形狀最簡單，使模具型槽淺，金屬容易充滿，鍛件容易出模；其次，流線要保持完整，模鍛成型應使流線方向與取件方向一致，避免鍛件內產生渦流或穿流，導致模件疲勞強度降低。

2 鍛壓成形工藝數值仿真

       2.1 工藝方案與仿真參數

       材料為高強韌7085鋁合金，材料模型需通過熱模擬實驗建立本構方程。在鍛壓成形模擬中，不考慮模具變形問題，模具材料屬性設為剛體。等溫鍛造的工件與模具溫度均為450℃。

       2.2 工藝參數對鍛件成形的影響規律

       以鍛出合理流線分布、晶粒大小分布均勻的鍛件為目的，對成形工藝展開研究。利用QForm軟件進行鍛件塑性成形有限元仿真，綜合分析工藝參數對鍛件整體質量的影響，確定成形工藝。等溫鍛造成形模擬有三個主要工藝參數：第一，液壓機下壓速度；第二。工件摩擦系數；第三，鍛造溫度。

       為了得到等溫鍛造下最優鍛造參數，對比兩組仿真試驗，并在摩擦系數一定情況下，改變液壓機下壓速度和鍛造溫度。

       2.2.1 鍛造溫度對終鍛件成形工藝的影響

       在選擇溫度時，要考慮金屬流動應力、塑性指標、相變點以及超塑性等因素。7085鋁合金鍛造溫度范圍比較小，一般為400～490℃，若下壓速度為0.2mm/s、摩擦系數為0.4，則可以通過進行420℃和450℃仿真實驗來分析鍛件溫度、有效應變、有效應變率、流動應力及載荷等條件，環境溫度保持為450℃，其他參數可省略。最終，比較預鍛件在不同溫度下的成形情況和力學性能，獲得合適的鍛造溫度。

       鍛件不過燒情況下，提高鍛造溫度，對提升鍛件質量有利。因此，可適度提高鍛造溫度以改善鍛件成形質量，降低成形載荷，所以選擇450℃作為鍛造溫度。不同仿造模具仿真結果如表1所示。

表1 不同鍛造模具仿真結果對比

 

       2.2.2 液壓機下壓速度對終鍛件成形工藝的影響

       液壓機下壓過程也是鍛件成形的過程，取不同下壓速度來分析鍛件成形、應力、應變、溫度分布及成形載荷，從而選擇合適的下壓速度。

       一般等溫鍛造成形速度為0.5mm/s，故選取0.2、0.5、1以及1.5mm/s四個下壓速度進行仿真實驗；摩擦系數取0.4，鍛件和模具溫度為450℃，環境溫度保持在450℃，其他參數省略。

       從減小應力和降低成形載荷方面考慮，選擇0.2mm/s的下壓速度比較合適，因為下壓速度0.5mm/s的流動應力和成形載荷均接近1mm/s和1.5mm/s數值了。不同液壓機下壓速度仿真結果如表2所示。

表2 不同液壓機下壓速度仿真結果對比

 

3 結語

       本文通過QFORM有限元軟件進行等溫鍛造工藝模擬，對7085鋁合金飛機翼身接頭鍛件成形過程中的載荷變化、溫度、速度及應力應變進行了分析。結果表明鍛造溫度提高和下壓速率降低都會造成金屬流動應力與成形載荷降低。同時降低了液壓機噸位要求，提高了鍛件變形均勻性，保證所得鍛件充填完好與變形均勻。需要注意的是，調整溫度不能過高，否則會導致鍛件出現過燒危險。

本文來源于互聯網，天佑有限元本著傳播知識、有益學習和研究的目的進行的轉載，為網友免費提供，并已盡力標明作者與出處，如有著作權人或出版方提出異議，本站將立即刪除。如果您對文章轉載有任何疑問請告之我們，以便我們及時糾正。聯系方式：QQ785980159，郵箱785980159@qq.com