GH3230鍛件毛坯數(shù)值模擬優(yōu)化

■無(wú)錫派克重型鑄鍛有限公司 劉其源，劉 智，李湘軍，許 亮，王 俊

GH3230鍛件毛坯數(shù)值模擬優(yōu)化

■無(wú)錫派克重型鑄鍛有限公司 劉其源，劉 智，李湘軍，許 亮，王 俊

高溫合金是根據(jù)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的需要而發(fā)展的金屬材料，是一種兼有熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的合金，可在600~1000℃高溫氧化和燃?xì)飧g條件下承受復(fù)雜應(yīng)力，并長(zhǎng)期可靠地工作。

GH3230屬于固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，高溫塑性較差，鍛造所需壓力為20鋼的3倍，為06Cr19Ni10不銹鋼的2倍，且隨著變形程度的增加會(huì)產(chǎn)生加工硬化，這就對(duì)鍛造設(shè)備的打擊能力要求進(jìn)一步增大，因此對(duì)大規(guī)格尺寸GH3230模鍛件毛坯進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化是非常有必要的。

1. GH3230鍛件三維模型

如圖1所示，為GH3230鍛件的三維實(shí)體模型，利用三維造型軟件UG設(shè)計(jì)GH3230鍛件模具上下模，為節(jié)約模擬時(shí)間，去除了模具結(jié)構(gòu)中為防止錯(cuò)移而設(shè)計(jì)的對(duì)角鎖扣，只選取型腔部分進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2為GH3230鍛件的上模，圖3為GH3230鍛件的下模。

2. 模具及坯料的有限元模型

通過(guò)三維造型軟件UG設(shè)計(jì)好模具及坯料，由于鍛件為中心軸向?qū)ΨQ，為減少數(shù)值模擬運(yùn)算時(shí)間，提高效率，只選取坯料的一半進(jìn)行模擬，然后分別導(dǎo)出各部件STL文件，再將STL文件導(dǎo)入至Deform中，圖4為模具有限元模型，并將鍛件模具定義為剛性體，圖5為坯料有限元模型，并將坯料定義為塑性體，并將坯料局部細(xì)化。

3. 模具及坯料參數(shù)與邊界條件

鍛件模具初始溫度設(shè)定為3 0 0℃，坯料初始溫度為1150℃，坯料選用材料庫(kù)內(nèi)的IN718_6um，由于只是對(duì)坯料成形情況進(jìn)行分析，暫不考慮成形設(shè)備，因此將上模運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)速度v來(lái)控制。模具與坯料之間的剪切摩擦力和熱導(dǎo)率都采用默認(rèn)值。

圖1 GH3230鍛件零件三維實(shí)體模型

圖2 GH3230鍛件上模

圖3 GH3230鍛件下模

4. GH3230坯料形狀對(duì)成形過(guò)程中飛邊的影響

坯料形狀設(shè)計(jì)，決定了產(chǎn)品成形過(guò)程中飛邊的溢出情況，根據(jù)產(chǎn)品形狀，設(shè)計(jì)出如圖6所示的坯料，并對(duì)該尺寸坯料進(jìn)行數(shù)值模擬，選取上模壓力最大時(shí)刻，研究坯料的飛邊情況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，左半端坯料過(guò)多，導(dǎo)致該處飛邊過(guò)早溢出，加大了成形過(guò)程中的阻力，影響鍛件其他部分的充型，降低了設(shè)備的生產(chǎn)能力，因此需要對(duì)坯料尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)圖7的數(shù)值模擬結(jié)果，重新設(shè)計(jì)出了如圖8所示的坯料，并對(duì)該尺寸坯料進(jìn)行數(shù)值模擬，選取上模壓力最大時(shí)刻，研究坯料的飛邊情況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，在左半端相比于之前的坯料尺寸，有明顯改善，但是坯料依然過(guò)多，導(dǎo)致該處飛邊過(guò)早溢出，加大了成形過(guò)程中的阻力，影響產(chǎn)品其他部分的成形，降低了設(shè)備的生產(chǎn)能力，因此需要對(duì)坯料尺寸繼續(xù)優(yōu)化。

根據(jù)圖9的數(shù)值模擬結(jié)果，重新設(shè)計(jì)出了如圖10所示的坯料，并對(duì)該尺寸坯料進(jìn)行數(shù)值模擬，選取上模壓力最大時(shí)刻，研究坯料的飛邊情況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，在左半端當(dāng)其他部分都已經(jīng)成形結(jié)束，出現(xiàn)飛邊時(shí)，該處還未成形結(jié)束，沒(méi)有出現(xiàn)飛邊，說(shuō)明該處坯料過(guò)少，需要增加坯料，保證坯料各部分同時(shí)出現(xiàn)飛邊。

根據(jù)圖11數(shù)值模擬結(jié)果，重新設(shè)計(jì)出如圖12所示的坯料，并對(duì)該尺寸坯料進(jìn)行數(shù)值模擬，選取上模壓力最大時(shí)刻，研究坯料的飛邊情況，數(shù)值模擬結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，坯料各部分成形情況良好，各處飛邊也較為整齊，因此可以確定為最優(yōu)方案。

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)坯料形狀進(jìn)行優(yōu)化，利用公司成形設(shè)備進(jìn)行鍛坯和模鍛，并做出合格產(chǎn)品，如圖14所示。

圖4 模具有限元模型

圖5 坯料有限元模型

圖6 坯料尺寸形狀1

圖7 坯料模擬結(jié)果1

圖8 坯料尺寸形狀2

圖9 坯料模擬結(jié)果2

圖10 坯料尺寸形狀3

圖11 坯料模擬結(jié)果3

圖12 坯料尺寸形狀4

圖13 坯料模擬結(jié)果4

圖14 GH3230鍛件產(chǎn)品

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了GH3230鍛件毛坯的尺寸，縮短了產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，節(jié)約了材料成本，并降低了對(duì)成形設(shè)備的要求，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了坯料的成形最終形狀。

20150708