帶凸緣深錐形薄壁回轉(zhuǎn)件旋壓成形工藝分析

束學(xué)道，鄭學(xué)著，李又春，楊云峰，王云，李子軒，王雨

1. 寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211

2. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000

3. 南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063

航空工業(yè)是一個(gè)國家核心科技競爭力的體現(xiàn)，堅(jiān)定不移地發(fā)展航空事業(yè)是我國現(xiàn)階段的主要任務(wù)之一。為此，提高航空工業(yè)中的零部件質(zhì)量，改善零部件成形工藝對航空事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。對于某航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣類零件（材料為高溫合金GH3030）——帶凸緣深錐形薄壁回轉(zhuǎn)零件的加工，目前主要采用焊接組合的成形方法。該方法成形零件尺寸精度低、次品率高，零件焊接部位易變形，難以滿足服役要求。因此對于帶凸緣深錐形薄壁回轉(zhuǎn)零件，可以考慮采用多道次旋壓整體成形工藝。國內(nèi)外學(xué)者不乏對高溫合金熱旋壓成形工藝的研究，趙云豪[1]通過高溫合金管材不同旋壓變薄率的試驗(yàn)，探討了常用高溫合金的旋壓工藝參數(shù)。結(jié)果表明，在高溫合金管材可旋性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有效控制塑性變形的穩(wěn)定流動，可以旋壓高精度薄壁管材。王大力等[2]論述了GH4169高溫合金筒形件流動旋壓成形的工藝路線的制定和試驗(yàn)方法，并采用錯(cuò)距旋壓成形方法，探索了錯(cuò)距流動旋壓的工藝參數(shù)對尺寸精度的影響，為該類產(chǎn)品的旋壓成形提供了技術(shù)支持。劉繼強(qiáng)等[3]對用于成形波紋管的GH4169高溫合金薄壁管的旋壓成形進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了焊接管坯質(zhì)量、旋壓工藝等因素對薄壁管成形精度的影響，給出了旋壓工藝設(shè)計(jì)方法。黎波等[4]采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對GH625高溫合金管縮頸旋壓成形過程進(jìn)行分析研究，研究結(jié)果表明，高溫合金變徑管在旋壓過程中，隨旋輪的軸向進(jìn)給，不同的區(qū)域截面變化趨勢不同；軸向進(jìn)給速度及旋輪圓角半徑增大時(shí)，壁厚增大；旋輪安裝角對零件壁厚無明顯影響。安震等[5]基于ABAQUS軟件建立了Ni-Cr-W-Mo合金異形件熱旋成形的多道次熱力耦合三維有限元模型，研究了Ni-Cr-W-Mo合金異形件熱旋成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變場的分布以及成形規(guī)律和常見缺陷。結(jié)果表明，工件在靠近中心軸的部分貼膜性非常好，但越靠近工件口部，不貼模的趨勢越明顯。Li等[6]采用DEFORM有限元分析軟件，對Inconel718高溫合金薄壁筒形件滾珠旋壓過程進(jìn)行了仿真模擬，分析了芯模轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給速度和壁厚減薄率等工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，并對仿真模擬進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。Hiuhu[7]對Inconel 718高溫合金剪切旋壓過程進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到了旋輪進(jìn)給量和旋輪與芯模間隙對成形質(zhì)量的影響，并在不同的溫度和保溫時(shí)間下，對旋壓成品件進(jìn)行固溶處理，得到了其對應(yīng)的晶粒尺寸和硬度水平。陸鵬等[8-9]采用滾珠熱旋壓的方法對鎳鈦記憶合金管的成形工藝進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變溫度場分析，并針對管件的減薄量對旋壓載荷進(jìn)行了研究。對于以高溫合金GH3030為材料，帶凸緣深錐形薄壁回轉(zhuǎn)件的旋壓成形工藝研究未見報(bào)道。

由此可見，室溫下高溫合金GH3030材料成形過程中的硬化速度較快，抗拉強(qiáng)度較高。為了保證材料的可旋性并減小旋壓力，宜采用多道次熱旋壓成形工藝，本文為此分析了第1、4道次旋壓的成形機(jī)理，即不同成形階段各工件應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)；又由于零件的深錐形導(dǎo)致在其不同錐面位置的直徑相差較大，若采用相同的芯模轉(zhuǎn)速和旋輪進(jìn)給速度，則旋輪在不同位置成形時(shí)的線速度相差巨大，易造成零件的成形受力不均、壁厚不均勻。為此，提出了芯模的分段不同轉(zhuǎn)速來保證零件成形壁厚均勻性的方法，得到了成形的工藝方案。

1 成形工藝方案分析

1.1 原工藝缺陷及改進(jìn)工藝分析

圖1為帶凸緣深錐形薄壁回轉(zhuǎn)件的零件圖，其由錐形零件XX9.55.005A-1和凸緣零件XX9.55.004-1焊接組成。在焊接過程中，焊接處變形大，零件的尺寸精度達(dá)不到要求，且焊接后對零件進(jìn)行整形處理的工序較為復(fù)雜，效果也較差。為了避免由于焊接引起的變形問題，采用零件整體旋壓成形工藝，再利用車削加工保證零件的尺寸要求。

圖1 帶凸緣深錐形薄壁回轉(zhuǎn)件零件

而采用熱旋壓整體成形工藝，必然要求最終旋壓毛坯件的法蘭邊厚度為6 mm，所以平板坯料的厚度要求至少為6 mm，同時(shí)為了減小旋壓力大小，考慮將平板坯料的厚度定為6 mm。由于錐形筒壁厚為2 mm，將厚度為6 mm的平板坯料旋壓成2 mm，必須考慮每道次旋輪減薄率的大小。對于板料厚度為6 mm的高溫合金GH3030，每道次減薄率不宜過小，以免工件回彈過大，一般每道次減薄率控制在30%左右，每道次強(qiáng)力旋壓中工件半錐角的變化不少于5°為宜[10]。綜合分析，應(yīng)采用4個(gè)道次熱旋壓成形。

1.2 毛坯尺寸計(jì)算

依據(jù)圖1可以推算出車削加工前旋壓毛坯件的體積，再考慮車削余量和旋壓成形余量，并結(jié)合等體積原則，可得到圓形平板坯料的直徑[11]。如圖2所示為毛坯的反推過程圖，圖2（a）為產(chǎn)品零件 P，其體積Vp，theo= 602 576 mm3；圖 2（b）為第4道次旋壓毛坯件P4，其體積VP4=756 373 mm3；圖2（c）為圓形平板坯料P0，按等體積原則，其圓形平板坯料的理論體積VP理等于毛坯件P4的體積VP4，即Vp由此可以得到圓形平板坯料的理論直徑Dtheo≈400 mm。此外，每道次旋壓的工藝余量留12 mm左右。

圖2 毛坯尺寸反推過程

1.3 工藝方案的確定

將圓形平板坯料P0加工成第4道次旋壓毛坯件P4需要4道次熱旋壓成形。

第1道次旋壓是將材料為GH3030的圓形平板坯料加工成半錐角α1=48°、錐形筒身壁厚t1=4.5 mm的預(yù)制件P1，預(yù)制件P1的尺寸如圖3所示。顯然，第1道次旋壓屬于強(qiáng)力旋壓。之所以將平板坯料旋壓加工成半錐角α1=48°，錐形筒身壁厚t1=4.5 mm的預(yù)制件P1，是因?yàn)槎嗟来螐?qiáng)力旋壓成形過程中應(yīng)盡量遵循正弦定律，即

式中：β1為第n次旋壓后的錐形件半錐角；t1為第i次旋壓后的錐形件筒身壁厚；β2為第i+1次旋壓后的錐形件半錐角；t2為第i+1次旋壓后的錐形件筒身壁厚（i=0，1，2，3，······）。

圖3 預(yù)制件P1尺寸(mm)

旋壓成形的具體工藝參數(shù)如表1所示，其中，芯模轉(zhuǎn)速沿芯模主軸呈一定的分布，是因?yàn)槿绻捎煤愣ㄞD(zhuǎn)速時(shí)，大小兩端的軸向線速度相差很大。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，大端的線速度過大，容易產(chǎn)振動；而當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時(shí)加工效率降低；恒轉(zhuǎn)速會使工件兩端面旋壓螺紋痕跡差別很大。因此，考慮采用變轉(zhuǎn)速，恒周向線速度控制。對于GH3030高溫合金材料，旋速為200 m/min左右，由其轉(zhuǎn)換而來的芯模轉(zhuǎn)速分布如表2所示。旋輪和毛坯剛接觸時(shí)，旋輪沿主軸的進(jìn)程定義為0。此外，旋輪軌跡與芯模母線平行。

表1 第1道次工藝參數(shù)

表2 第1道次芯模轉(zhuǎn)速分布

第2道次旋壓是將預(yù)制件P1加工成半錐角α2=30°、錐形筒身壁厚t2=3 mm的預(yù)制件P2，預(yù)制件P2的尺寸如圖4所示。第2道次旋壓屬于強(qiáng)力旋壓。其中，α2、t2與α1、t1也滿足正弦定律。旋壓成形的具體工藝參數(shù)如表3所示，芯模轉(zhuǎn)速分布如表4所示。旋輪軌跡與芯模母線平行。

圖4 預(yù)制件P2尺寸(mm)

表3 第2、3道次工藝參數(shù)

表4 第2道次芯模轉(zhuǎn)速分布

第3道次旋壓是將預(yù)制件P2加工成成半錐角α3=20°、錐形筒身壁厚t3=3 mm的預(yù)制件P3，預(yù)制件P3的尺寸如圖5所示。第3道次旋壓過程中壁厚保持不變，屬于普通貼膜旋壓，旋輪軌跡與芯模母線平行。旋壓成形的具體工藝參數(shù)與第2道次相同如表3所示，芯模轉(zhuǎn)速分布如表5所示。

圖5 預(yù)制件P3尺寸(mm)

表5 第3道次芯模轉(zhuǎn)速分布

第4道次旋壓是將預(yù)制件P3加工成半錐角α4=13.5°、錐形筒身壁厚t4=2 mm的旋壓毛坯件P4，毛坯件P4的尺寸如圖6所示。第4道次旋壓過程中壁厚減薄，屬于強(qiáng)力旋壓，成形錐形筒身時(shí)，旋輪軌跡與芯模母線平行，最后旋輪沿芯模徑向進(jìn)給，且旋輪與芯模周向凸臺的間隙為6 mm，以達(dá)到校平凸緣的目的。具體的工藝參數(shù)如表6所示，芯模轉(zhuǎn)速見表7。

圖6 預(yù)制件P4尺寸(mm)

表6 第4道次工藝參數(shù)

表7 第4道次芯模轉(zhuǎn)速分布

2 仿真分析與結(jié)果

2.1 有限元模型的建立

第1道次和第4道次旋壓成形包含了整個(gè)旋壓成形過程的特點(diǎn)，因此，將第1、4道次旋壓成形的仿真分析闡述清楚，整個(gè)旋壓過程的仿真分析隨之闡明。如下所述的有限元模型建立和成形機(jī)理分析只針對第1、4道次旋壓成形。

圖7為第4道次建立的有限元模型，由圖可知，毛坯在頂緊塊的壓緊作用下隨芯模一起轉(zhuǎn)動，同時(shí)旋輪沿芯模軸向做進(jìn)給運(yùn)動并繞自身軸被動旋轉(zhuǎn)，毛坯在轉(zhuǎn)動的同時(shí)受旋輪的壓下作用而逐漸成形。

圖7 第4道次有限元模型

平板毛坯定義為彈塑性變形體，單元網(wǎng)格類型為八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體板單元。為保證計(jì)算精度，平板毛坯沿厚度方向有3個(gè)單元層，單元總數(shù)為28 644個(gè)，平均單元尺寸為4.2 mm，并以平均單元尺寸不變?yōu)榫W(wǎng)格重劃分原則；芯模、旋輪和頂緊塊均定義為剛體，毛坯和頂緊塊的接觸類型定義為粘結(jié)，毛坯和芯模、旋輪的接觸類型定義為接觸；旋輪與坯料的摩擦類型定義為剪切摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.12；材料設(shè)置為GH3030高溫合金[12]；為減少模擬計(jì)算時(shí)間，在平板坯料圓心處設(shè)置一定大小的開孔，以減少網(wǎng)格數(shù)量；忽略成形過程中旋輪與坯料因摩擦而產(chǎn)生的熱量，環(huán)境溫度、工件溫度以及模具溫度均設(shè)置為780 ℃。第4道次旋壓成形預(yù)制件P3中的數(shù)據(jù)（包括網(wǎng)格數(shù)、材料等）繼承第3道次得到的旋壓件。

2.2 成形機(jī)理分析

第1道次旋壓成形中，工件在不同成形階段的等效應(yīng)力分布如圖8所示?？芍?，等效應(yīng)力主要分布在變形區(qū)及變形區(qū)附近區(qū)域，且變形區(qū)等效應(yīng)力最大，越是遠(yuǎn)離變形區(qū)，等效應(yīng)力越小。其中，旋輪與工件接觸處的等效應(yīng)力最大；錐形筒身處的等效應(yīng)力分布較為均勻；錐形筒和凸緣過渡處等效應(yīng)力最大；凸緣處的等效應(yīng)力分布也較為均勻，但等效應(yīng)力值較小。

圖8 第1道次旋壓各成形階段等效應(yīng)力分布

第1道次旋壓成形中，工件在不同成形階段的等效塑性應(yīng)變分布如圖9所示。由圖可知，等效塑性應(yīng)變沿軸向分層分布，且同一層圓周方向上的等效塑性應(yīng)變值的大小基本相等。最大等效塑性應(yīng)變的分布在靠近錐形小端圓角處，表明此處出現(xiàn)破裂的趨勢較大。凸緣處的等效塑性應(yīng)變很小，基本為零。錐形筒身處的等效塑性應(yīng)變分布總體上較為均勻。

圖9 第1道次旋壓各成形階段等效塑性應(yīng)變分布

第4道次旋壓成形中，工件在不同成形階段的等效應(yīng)力分布如圖10所示。等效應(yīng)力主要分布在變形區(qū)及其附近區(qū)域，越遠(yuǎn)離變形區(qū)，等效應(yīng)力值越小。錐形小端圓角處附近等效應(yīng)力較大，工件與旋輪接觸處等效應(yīng)力較大。以預(yù)制件P3為毛坯的旋壓過程中，工件開始呈現(xiàn)階梯錐形筒，預(yù)制件P3的錐形筒部分逐漸減小直至消失，旋壓毛坯件P4的錐形筒逐漸變大。特別是當(dāng)P3的錐形筒部分即將消失時(shí)，隨著旋輪的進(jìn)給，凸緣會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的上翹現(xiàn)象（見圖10（c）），此時(shí)，凸緣處的等效應(yīng)力會急劇增大。工件在不同成形階段的等效塑性應(yīng)變分布如圖11所示。

圖10 第4道次旋壓各成形階段等效應(yīng)力分布

圖11 第4道次旋壓各成形階段等效塑性應(yīng)變分布

等效塑性應(yīng)變沿工件軸向分層分布，但整個(gè)成形錐形筒的等效塑性應(yīng)變較大，凸緣處的等效塑性應(yīng)變很小，錐形筒身處的等效塑性應(yīng)變分布總體上較為均勻。

壁厚均勻性是衡量旋壓成形零件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。芯模分段不同轉(zhuǎn)速而保持恒定線速度的方法是保證金屬均勻流動的一種有效方法，也是控制壁厚均勻性的有效方法之一。圖12顯示的是表7中芯模在旋輪位于不同主軸進(jìn)程時(shí)，由于半徑不同而采用不同芯模轉(zhuǎn)速以保證旋輪與坯料接觸區(qū)域恒定線速度的成形方法。

速度分段后壁厚沿主軸方向分布較為均勻，壁厚差最大值為0.64 mm，壁厚最大值為2.42 mm，壁厚最小值為1.78 mm，此初坯再經(jīng)機(jī)加工后能夠滿足零件精度要求。

由圖12可知，壁厚值沿零件軸向從小端到大端呈現(xiàn)先減小后增大的分布規(guī)律。這主要是因?yàn)槌跏汲尚坞A段，材料變形不均勻，金屬流動不充分，壁厚增厚；成形后期，金屬變形較快，金屬沿軸向從小端到大端加快流動，導(dǎo)致壁厚變薄。

3 結(jié)論

1）錐形筒身處的等效塑性應(yīng)變分布總體上較為均勻，錐形筒身處的等效應(yīng)力分布較為均勻，錐形筒和凸緣過渡處等效應(yīng)力最大；凸緣處的等效應(yīng)力分布也較為均勻，但等效應(yīng)變值較小。

2）以預(yù)制件為毛坯的旋壓成形中，當(dāng)預(yù)制件的錐形筒部分即將消失時(shí)，隨著旋輪的進(jìn)給，凸緣會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的上翹現(xiàn)象，成形時(shí)應(yīng)增大旋輪安裝角或者將上翹的凸緣校平后再進(jìn)行成形，以免上翹的凸緣與旋輪產(chǎn)生干涉。

3）旋壓成形后，工件的壁厚沿工件軸向從錐形小端至大端呈現(xiàn)先增厚后減薄的分布規(guī)律。采用變轉(zhuǎn)速、恒周向線速度控制芯模轉(zhuǎn)速的方法可有效保證成形過程中坯料的壁厚均勻性。