環(huán)形腹板零件成形工藝技術(shù)研究

孫培秋 王立成 李曉光

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

GH907是1種以鐵-鎳-鈷為基的低膨脹高溫合金，用礬、鈦、硅和微量硼進(jìn)行綜合強(qiáng)化，在650 ℃以下具有很高的強(qiáng)度[1]，低的膨脹系數(shù)，良好的疲勞性能以及幾乎恒定不變的彈性模量，居里點（拐點）為400 ℃～450 ℃，居里點以下呈鐵磁性，居里點以上呈順磁性。該合金適合于制造650 ℃以下，控制間隙大小的各類航空發(fā)動機(jī)環(huán)形件和機(jī)匣[2]。

GH907合金已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的各種控制間隙的環(huán)形件[3-5]，可以明顯地提高發(fā)動機(jī)效率。主要用于高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子外環(huán)塊、后機(jī)匣、承力環(huán)、燃燒室封嚴(yán)環(huán)、蜂窩座、高壓渦輪機(jī)匣后段、支撐環(huán)和隔熱環(huán)等零件制造。

內(nèi)環(huán)腹板是發(fā)動機(jī)重要的結(jié)構(gòu)部件，采用GH907薄板拉深成形加工而成。一直存在零件成形型面質(zhì)量差、尺寸超差的問題，初步分析與工藝方法、模具結(jié)構(gòu)、成形參數(shù)選擇等因素有關(guān)，通過對上述問題的改進(jìn)，提高制件的成形質(zhì)量，從而降低廢品率。

1 工藝難點分析及解決措施

1.1 材料性能

試驗原料GH907合金的化學(xué)成分為鈮、鈦、鈷、硅和微量硼等元素，見表1[6]。厚度為1 mm；試樣狀態(tài)為1040 ℃，固溶狀態(tài)；環(huán)境溫度為22 ℃。

GH907合金板材固溶處理后室溫抗拉強(qiáng)度﹥990 MPa，屈服強(qiáng)度﹥550 MPa，延展率可以達(dá)到25 %。由材料性能可以看出，零件材料常溫下塑性較差，在力學(xué)性能上具有屈服強(qiáng)度大、屈強(qiáng)比高的特點，在成型上表現(xiàn) 為變形范圍窄、易開裂、回彈大和尺寸精度難于保證。

GH907合金板材時效處理后室溫抗拉強(qiáng)度﹥1000 MPa，屈服強(qiáng)度﹥725 MPa，延展率僅有6 %。彈性模量恒定，使用中變形很小，制件主要利用材料的這一特點，滿足性能要求[7]。

1.2 零件結(jié)構(gòu)簡介

如圖1所示，內(nèi)環(huán)腹板是薄板成形件，材料GH907，料厚1 mm。其結(jié)構(gòu)特點是環(huán)形成形件，內(nèi)直邊直徑mm，拉深高度32.3 mm，外側(cè)成形出“V”形法蘭邊，法蘭邊直徑mm，“V”形角度90 °。零件公差要求較嚴(yán)格，成型難度較大，在成形過程中容易出現(xiàn)起皺、裂紋及尺寸回彈等問題。

表1 GH907合金的化學(xué)成分

圖1 低壓一導(dǎo)內(nèi)環(huán)腹板示意圖

1.3 存在問題及原因分析

該件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拉深成型工序及熱處理、腐蝕、涂漆、除漆工序多，相應(yīng)的模具較多，加工中存在起皺、裂紋的問題。另外，零件彈性模量大，尺寸回彈很難精確地計算和控制。根據(jù)內(nèi)環(huán)腹板結(jié)構(gòu)重點，設(shè)計了翻邊成形和拉深成形2套方案。

翻邊成形采用圓形坯料，先拉深“V”形法蘭邊，然后中心開孔，熱處理后翻邊成形內(nèi)直邊，然后機(jī)加出零件的最終尺寸。該方案存在的問題主要為內(nèi)壁面型面不規(guī)則，出現(xiàn)多棱形，且直口末端回彈大，未完全翻直，存在圓角殘留，采用滾形校正直邊且效果不穩(wěn)定，無法完全校正回圖紙要求的型面。分析認(rèn)為該方案拉深量較小，可以有效地避免法蘭邊起皺，由于內(nèi)直邊翻邊量過大，因此翻邊時易產(chǎn)生破裂。同時，由于材料彈性模量大，因此翻邊處產(chǎn)生回彈。

拉深成形采用圓形坯料，先拉深內(nèi)直口，熱處理后再拉深法蘭邊，熱處理后經(jīng)過模具校型，保證型面要求，最后機(jī)加出零件最終尺寸。該方案可以避免內(nèi)直口破裂和回彈，但是成形后法蘭邊褶皺嚴(yán)重，尤其是拉深直口工序，而且熱處理后變形，影響零件精度。經(jīng)過分析，該方案拉深量過大，外圈毛料大，在第一次拉深時即起皺嚴(yán)重，后續(xù)拉深法蘭邊時皺褶加重且無法消除。同時，零件熱處理后應(yīng)力釋放，造成扭曲變形。

為了改變零件成形的現(xiàn)狀，需要對該零件的成形方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。通過分析，翻邊成形方案存在的問題主要與材料特性相關(guān)，暫時不能通過工藝改進(jìn)消除，因此不在該方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)。拉深成形方案存在的問題主要是工藝方法的改進(jìn)及模具、成形參數(shù)等優(yōu)化，在該方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而改進(jìn)方案的關(guān)鍵在于控制拉深直口時控制皺褶的產(chǎn)生。

1.4 成形改進(jìn)技術(shù)方案

目前拉深的主要工藝流程為下料→尖邊倒圓→涂漆→拉深直口（4000 kN液壓機(jī)，拉深模具壓邊力不均衡）→熱處理→涂漆→成型法蘭邊（4000 kN液壓機(jī)）→熱處理→吹砂→手工敲修→車加工端面與止口（立式車床）→最終檢驗。

改進(jìn)后的主要工藝流程為下料→尖邊倒圓→涂漆→拉深直口（4000 kN液壓機(jī)，改進(jìn)拉深模具和成形參數(shù)，均勻壓邊力，消褶）→熱處理→涂漆→成型法蘭邊（4000 kN液壓機(jī)）→熱處理、吹砂→涂漆→校正型面（4000 kN液壓機(jī)，增加校正，消除熱處理變形）→除漆→手工敲修→車加工端面與止口（立式車床）→最終檢驗。為了驗證改進(jìn)方案的合理可行性，對改進(jìn)后的工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析。

1.4.1 數(shù)值模擬仿真優(yōu)化（采用1/4模型）

采用UGS NX7.5軟件提供的三維造型平臺對零件進(jìn)行了三維實體造型。有限元模擬實驗中選用美國ETA和LSTS公司聯(lián)合研發(fā)的Dynaform軟件。Dynaform采用基于顯式動力算法的LS-DYNA求解器[8]。

1.4.1.1 拉深內(nèi)直邊

1.4.1.1.1 分析模型及參數(shù)設(shè)置

按拉深成形的工藝路線，進(jìn)行改進(jìn)模擬分析，采用圓形坯料，拉深內(nèi)直口分析模型圖及壓力加載曲線如圖2和圖3所示。

1.4.1.1.2 模擬結(jié)果及分析

液壓成形的主要失效形式為法蘭邊的起皺及破裂，法蘭區(qū)的起皺通過壓邊圈的方式可以消除，合適的壓邊力能夠有效地避免破裂發(fā)生。最大減薄約為12.182 %，最大增厚3.720 %，成形過程無起皺和破裂趨勢。上述模擬結(jié)果表明，增大壓邊力（從原使用的70 t增大到350 t），能夠消除一拉時法蘭邊起皺，且無拉裂風(fēng)險。

1.4.1.2 初拉法蘭邊

1.4.1.2.1 分析模型及參數(shù)設(shè)置

采用拉深內(nèi)直口后，進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力，拉伸法蘭邊，圖4和圖5為初拉法蘭邊分析模型圖及壓力加載曲線。

圖2 分析模型

圖3 壓邊力加載曲線模擬結(jié)果及分析

圖4 分析模型

圖5 壓邊力加載曲線模擬結(jié)果及分析

1.4.1.2.2 模擬結(jié)果及分析

初拉法蘭邊最大減薄約為12.784 %，最大增厚4.301 %，成形過程無起皺和破裂趨勢。上述模擬結(jié)果表明，采用帶壓邊的法蘭邊脹形加工，能夠消除法蘭邊拉深時起皺風(fēng)險。

1.4.1.3 型面校正

1.4.1.3.1 分析模型及參數(shù)設(shè)置

熱處理消除初拉法蘭邊產(chǎn)生應(yīng)力，為了保證型面要求，最后機(jī)加出零件最終尺寸，進(jìn)行型面校正模型圖及壓力加載曲線如圖6和圖7所示。

1.4.1.3.2 模擬結(jié)果及分析

最大減薄約為13.477 %，最大增厚4.665 %，成形過程無起皺及破裂。模擬結(jié)果表明，整體減薄控制在合理范圍內(nèi)，法蘭邊存在回彈，后期需要修模和熱處理抑制回彈[9]。

通過模擬分析得出，通過均勻并增大壓邊力能有效地消除直口拉深成形時的皺褶。

1.4.2 改進(jìn)方案確定

1.4.2.1 優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)，均勻壓邊力

由于工廠的成形設(shè)備400 t液壓機(jī)選用的頂桿位置為非沿圓周均布，在拉深過程中壓邊力不均而引起皺褶。為了保證壓邊力均勻，對拉深直口模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如圖8所示。

改進(jìn)后模具為均衡壓邊力，在原外圈頂桿的內(nèi)側(cè)按設(shè)備置板孔位置，增加1圈四處頂桿孔，并將凸模干涉處銑豁口避讓。這樣，在零件拉深時，內(nèi)外圈頂桿同時頂出，保證壓邊力均勻地作用在坯料法蘭邊，防止起皺。

1.4.2.2 優(yōu)化加工參數(shù)，增大壓邊力，減小法蘭邊皺褶

按模擬結(jié)果，拉深時增加壓邊力可以減小皺褶，且沒有拉裂風(fēng)險。

2 實際應(yīng)用介紹

2.1 拉深成形改進(jìn)試驗

2.1.1 成形設(shè)備

400 t液壓機(jī)（天津鍛壓力機(jī)廠，YH27-400A）。

圖6 分析模型

圖7 壓邊力加載曲線

圖8 改進(jìn)后的直口拉深模具示意圖

2.1.2 成形試驗過程

液壓機(jī)的成形試驗過程包括以下3道工序。

2.1.2.1 拉深直口工序

采用改進(jìn)后的模具均勻壓邊力，同時，壓邊力從70 t提高到150 t（受設(shè)備能力限制，150 t已為設(shè)備極限），成形后零件還有輕微皺褶。進(jìn)一步對操作過程進(jìn)行調(diào)整，在零件壓下一半時，抬起床頭，旋轉(zhuǎn)毛坯，進(jìn)一步控制皺褶的產(chǎn)生，調(diào)整后皺褶更輕。

2.1.2.2 初拉法蘭邊工序

新設(shè)計模具增大圓角，為后續(xù)校正留出變形量，控制零件變形。成形后，未產(chǎn)生新皺褶。

2.1.2.3 校正工序

采用原二拉模具，所有尺寸符合設(shè)計圖紙，通過對圓角部位的脹型，產(chǎn)生塑性變形，消除熱處理變形，零件型面符合要求。

2.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明，調(diào)整零件工藝流程，改進(jìn)拉深直口模具頂出桿位置來均勻壓邊力，并調(diào)整各工序成形參數(shù)，可以有效地消除零件皺褶和破裂風(fēng)險，提高零件型面符合性。受設(shè)備條件的限制，仍然沒有達(dá)到最優(yōu)成形參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，如果需要繼續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以考慮采用更大設(shè)備或直接改變工藝方法，采用充液成形等工藝，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)語

環(huán)形腹板零件采用調(diào)整零件工藝流程，改進(jìn)拉深直口模具頂出桿位置來均勻壓邊力，并調(diào)整各工序成形參數(shù)等工藝改進(jìn)措施，解決了成形零件型面不合格、法蘭邊皺褶嚴(yán)重、翻邊成形裂紋的問題，減少了廢品損失，以及因零件返工而增加的無效生產(chǎn)周期，提高了加工效率。工藝方案正確、可行，工藝路線合理，具有實際應(yīng)用價值。