彈用鈦合金進氣道熱校形研究

劉亞東，孫振華，張文選

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引言

目前，采用吸氣式發(fā)動機作為動力裝置的導(dǎo)彈研究已成為一大熱門，而隨著導(dǎo)彈作戰(zhàn)使命及功能的不同，其布局也有較大變化。相應(yīng)的，進氣道的結(jié)構(gòu)形式也有較大差別［1-3］。為了適應(yīng)某些特殊要求，部分進氣道被設(shè)計成異型結(jié)構(gòu)，具有尺寸大、壁薄、通氣截面形狀不規(guī)則等特點。高溫(500 ～600 ℃)、高壓工作環(huán)境決定了彈用進氣道需要具有較好的高溫強度。鈦合金具有熔點高、密度小、比強度高等特點，同時還具有良好的高溫塑性、耐熱性，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件。通過“鑄造—加工—焊接”工藝可以制造出較為復(fù)雜的鈦合金薄壁零件［4-5］。通過這種方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品存在幾乎不可避免的缺陷——變形，鈦合金真空爐熱校形工藝正是針對這個問題提出的。鈦合金進氣道熱校形過程是一個復(fù)雜的熱彈塑性變形過程，受到預(yù)變形量、加熱溫度等因素影響。鈦合金校形通常采用真空爐，成本較高，如果反復(fù)進行嘗試，則會令校形成本變得不可接受。通過采用數(shù)值技術(shù)，模擬真空爐加熱校形，找到合適的校形參數(shù)是較為可行的方法［6-7］。通過仿真計算對關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)選，并根據(jù)計算結(jié)果在真空爐中對產(chǎn)品進行了校形。

1 校形產(chǎn)品及模具設(shè)計

1.1 校形產(chǎn)品狀態(tài)

本文研究產(chǎn)品截面為扇環(huán)型，呈面對稱分布，壁厚3 mm。變形區(qū)域主要集中在端部約100 mm 的范圍內(nèi)，對稱面處變形最大達到3 mm，如圖1 所示。

圖1 校形產(chǎn)品變形狀態(tài)

1.2 模具設(shè)計

校形模具設(shè)計需要考慮以下兩個問題:進氣道內(nèi)腔呈狹長型，其內(nèi)模無法對整個內(nèi)型面壓貼，只能在端部附近進行壓模;進氣道壁厚較薄，在進行真空電子束焊接后局部采用手工氬弧焊進行了修補，導(dǎo)致了在整個截面上焊縫收縮量較大，而變形量也相應(yīng)較大。

由于只能在端部進行壓模，且進氣道變形量較大，因此對端部采用較大的預(yù)變形量(大于產(chǎn)品需要校正的變形量)。而在采用較大預(yù)變形量時，整體式模具可能會對小變形或未變形部分造成二次有害變形，因此本文中采用模塊式模具，分為外模及內(nèi)模兩大部分，外模由兩部分組成，具有較高的剛度，限制零件向外的變形，內(nèi)模由數(shù)個壓塊組成，裝配時，根據(jù)不同的預(yù)變形量要求，通過螺釘調(diào)整各個壓塊的位置，從而實現(xiàn)進氣道的預(yù)變形。

為了保證校形過程中模具的強度、剛度，采用熱性能較好的不銹鋼1Cr18Ni9Ti，其性能見表1［8］。模具與進氣道裝配狀態(tài)如圖2 所示。

表1 不銹鋼1Cr18Ni9Ti 的性能數(shù)據(jù)

圖2 裝配狀態(tài)的進氣道與校形模具

2 校形過程有限元分析

基于有限元軟件MSC.Patran 建立的TC4 鈦合金進氣道部件校形過程三維彈塑性熱力耦合模型，考慮了材料熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)與溫度的非線性關(guān)系，模擬進氣道預(yù)變形—真空爐加熱—降溫—卸除外載整個過程，要求在進行預(yù)變形時，產(chǎn)品的應(yīng)力盡可能低于強度極限，外力卸除后，產(chǎn)品變形滿足要求。通過仿真計算，找出合適的預(yù)變形量、加熱溫度。

2.1 計算模型

模型由進氣道、校形模具和壓緊螺釘組成。進氣道、校形模具采用六面體單元，螺釘采用MPC 單元模擬，預(yù)變形加載通過螺釘預(yù)緊力方式拉動壓塊沿螺釘軸向移動模擬［9］。校形模具及進氣道之間采用接觸方式傳遞載荷，網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

2.2 材料屬性

進氣道采用鈦合金TC4，其性能見表2［3］。

表2 鈦合金TC4 的性能數(shù)據(jù)

2.3 計算內(nèi)容

一共對7 種溫度、6 種預(yù)變形量、共42 個工況進行了計算。其中，7 種 溫 度 分 別 為600、650、700、750、800、850、900℃;預(yù)變形量u 定義見表3，其中壓塊序號定義如圖3所示。

表3 預(yù)變形量控制參數(shù)說明

2.4 計算結(jié)果

限于篇幅，這里僅給出在u5預(yù)變形量，750℃工況下的變形云圖(圖4)，從左至右依次為預(yù)變形、真空爐加熱、降溫、卸除外載4 個步驟的變形云圖。

圖4 進氣道熱校形過程變形云圖

為便于分析校形效果，選取A 點為參考點，觀察A 點的位移量，如圖5 所示。

圖5 不同u 值條件下U 值隨溫度的變化曲線

從圖5 中可以看出，A 點最終變形量U 隨溫度的上升而增大，當T≤800℃時，其值隨溫度變化較快，當T≥800℃時，其值隨溫度變化較慢。這是因為溫升雖然會令屈服點降低，使材料的塑性變形變得更容易，但由于溫升同時降低了彈性模量，降低了整個結(jié)構(gòu)的剛度，使得彈性變形變得更為容易。當溫度較低時，屈服點下降較快，彈性模量下降相對較慢，塑性變形變化率較高，但當溫度達到800℃后，彈性模量下降得相對更快，從而使塑性變形的變化趨勢發(fā)生了轉(zhuǎn)折。這一點也表明，對于特定的材料，利用熱彈塑性進行校形時，當達到一定溫度后，通過進一步提高溫度來改善校形效果的方法是不經(jīng)濟的。計算結(jié)果表明，要滿足將A 點變形量控制在3 mm，只有u5，u6兩個條件下能夠達到，其對應(yīng)的溫度分別在750 ～800℃和600 ～650℃之間。而選擇u6時，在進行預(yù)變形加載時產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力大于u5狀態(tài)，接近材料強度極限，為保證產(chǎn)品不出現(xiàn)破壞，應(yīng)選擇“u5，爐溫800℃”這個條件比較理想。

3 產(chǎn)品校形

按照選定的參數(shù)，對校形產(chǎn)品和模具進行了裝配，在真空爐中進行了鈦合金進氣道的校形，保溫溫度為800℃，保溫4 h 后，隨爐冷卻，達到常溫后，拆除預(yù)緊螺釘及壓塊，圖6 為外模與校形后產(chǎn)品的配合狀態(tài)，測量A 點的變形量為2.7 mm，由此可以得出計算值與實驗值的誤差為10%。

圖6 校形后的產(chǎn)品

4 結(jié)束語

在無法對所有變形部位進行貼模校形時，對局部采用較大預(yù)變形量的方法也能獲得不錯的效果;在沒有空間的情況下，采用分瓣式內(nèi)模校形是可行的;當達到一定溫度后，通過進一步提高溫度來改善校形效果的方法是不經(jīng)濟的;采用有限元模擬的方法進行校形參數(shù)的優(yōu)選具備一定的精度，能夠為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo);通過局部校形工作節(jié)省了大量的成本，縮短了生產(chǎn)周期。

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