李彥奎，呂彥明，倪明明

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2.無錫透平葉片有限公司，江蘇無錫214023)

隨著模具精鍛技術(shù)的快速發(fā)展，其在航空葉片制造中得到了廣泛應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計(jì)，國外航空葉片制造方法80%是運(yùn)用模具精鍛技術(shù)［1－2］.相對于國外，我國航空葉片精鍛模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)參數(shù)的確定較為困難.由于葉片生產(chǎn)批量小、種類繁多、型面復(fù)雜且精度要求高，使得葉片模具的設(shè)計(jì)任務(wù)大大增加［3］.經(jīng)工程驗(yàn)證，在葉片精鍛成形的過程中，當(dāng)鍛造條件一定時，模具設(shè)計(jì)參數(shù)對葉片成形力和模具磨損有著極大影響，模具設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不合理會導(dǎo)致葉片充型不完整和模具磨損加劇［4－6］.因此，研究如何優(yōu)化模具設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法、合理選擇模具設(shè)計(jì)參數(shù)、減小模具磨損、提高模具設(shè)計(jì)效率，對提高企業(yè)的核心競爭力具有重要意義［7］.

本文根據(jù)Archard摩擦理論，借助Deform－3D軟件，對不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的葉片模具精鍛成形過程進(jìn)行了模擬仿真，運(yùn)用正交試驗(yàn)分析了模具成形角度、橋部厚度、橋部寬度3種因素對葉片成形和模具磨損的影響，得到了最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合，并對該參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn);最后對參數(shù)優(yōu)化后的模具磨損量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 模具磨損分析

1.1 Archard 模型理論

Archard理論是計(jì)算摩擦磨損的常用模型.在該理論中，材料硬度和磨損系數(shù)為定值.在實(shí)際熱模鍛成形過程中，模具材料的硬度與磨損系數(shù)并非是定值，它們隨溫度的變化而變化.Lee等［8］和Behrens等［9］通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)分析了模具鋼材料(H13)在不同鍛造溫度下的材料硬度、磨損系數(shù)與鍛造溫度之間的關(guān)系，提出了修正的Archard理論:

式中:K(T)為材料磨損系數(shù)，單位cm3/(N·m);H(T)為材料硬度，單位N/mm2;W為磨損量，單位mm;p為鍛造壓力，單位MPa;v為材料流動速度，單位mm/s;T為模具溫度，單位℃.

在不同鍛造時刻，模具型腔不同位置處的壓力、溫度、材料流動速度不同［10－11］，故第 j時間段第i處的磨損量表示為

式中:pij為模具型腔i處第j時間段的壓力;vij為模具型腔i處第j時間段材料流動速度;n為鍛造次數(shù).

1.2 基于正交試驗(yàn)的有限元仿真分析

發(fā)動機(jī)軸線與葉片模具型面截面弦長線的夾角稱為鍛造成形角度，如圖1所示.橋部厚度、橋部寬度如圖2所示.

圖1 葉片成形角度示意圖Fig.1 Diagram of blade forming angle

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是組合參數(shù)選優(yōu)的一種方法［12－13］，本文以鍛造成形角度、橋部厚度、橋部寬度3個模具設(shè)計(jì)參數(shù)為因素，采用三因素四水平設(shè)計(jì)方法對某型號葉片鍛造成形過程進(jìn)行模擬仿真，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)因素水平對鍛造載荷、橫向側(cè)向力和模具磨損的影響.因素水平表見表1，正交試驗(yàn)方案見表2.

圖2 模具橋部局部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Local structure schematic diagram of bridge die

表1 因素水平變量值Table 1 Factor level variable values

表2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表Table 2 Orthogonal test design

Deform－3D作為有限元工藝仿真軟件，主要用于模鍛金屬成型分析、熱處理等，在模鍛成形仿真時，需設(shè)置模擬對象屬性和鍛造邊界條件［14－16］:

1)鍛件材料為 Ti－6Al－4V(TC4)，鍛造終鍛溫度950℃，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，最大網(wǎng)格尺寸為2 mm.

2)模具材料為4Cr5MoSiV1(H13)，上模參考溫度250℃，溫度允許變化范圍250～540℃，運(yùn)動方向+Y;下模固定，參考溫度300℃，溫度允許變化范圍300～540℃;最小網(wǎng)格尺寸1 mm，最大網(wǎng)格尺寸2 mm，硬度55HRC.

3)接觸關(guān)系.磨損模型設(shè)為Archard模型，熱傳導(dǎo)系數(shù)為2，摩擦因子為0.3.

4)模擬行程控制.由有限元分析理論知，鍛造步長約為最小單元網(wǎng)格尺寸的0.2～0.3倍，故設(shè)置鍛造步長為0.25 mm.根據(jù)模具鍛造時的初始位置和最終成形位置，估算鍛造行程約為24 mm，故鍛造步數(shù)設(shè)為100步.

借助模擬軟件Deform－3D對16種方案的3種考察對象進(jìn)行模擬仿真，得到的結(jié)果如表3所示.由表3計(jì)算得出的各因素水平偏差量總和如表4所示.

為了綜合評估考察對象對各因素、各水平的依賴性，需對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析和方差分析.

根據(jù)圖3的直觀分析圖，可以得出不同因素水平與考察對象之間的關(guān)系.由圖3(a)可知，成形載荷最佳組合為A2B4C1;由圖3(b)可知，橫向側(cè)向力最佳組合為A2B3C4;由圖3(c)可知，模具磨損量最佳組合為A2B2C3.

表3 各方案模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of each program

表4 各水平因素偏差量總和Table 4 Sum of the levels of the amount of deviation

圖3 不同因素水平與考察對象之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between different factors and subjects:(a)forming load at different factor levels;(b)transverse force at different factor levels;(c)die wear at different factor levels

由表5方差分析可知考察對象對各因素的依賴顯著性關(guān)系.對于鍛造載荷，因素A、C表現(xiàn)為不顯著，B顯著;對于橫向側(cè)向力，因素A表現(xiàn)為高度顯著，B、C不顯著;就模具磨損量而言，因素A表現(xiàn)為高度顯著，B、C不顯著.

通過直觀分析和方差分析可知:橋部厚度為影響鍛造載荷的主要因素，故選擇B4;成形角度為影響橫向側(cè)向力和模具磨損量的主要因素，故選擇A2.因素C對上述3個考察對象的影響較小，考慮到本文討論的主題是模具磨損，根據(jù)直觀分析選擇C3.因此，得到的模具設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合為A2B4C3.

表5 方差分析表Table 5 Analysis of variance

2 模具參數(shù)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

2.1 橋部參數(shù)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

根據(jù)上述分析可知，橋部厚度越大鍛造載荷越小，但考慮到葉片實(shí)際鍛造成形規(guī)律，由于葉片飛邊處較薄，在葉片鍛造成形時，過大的橋部厚度會使得模具型腔充型不完整，導(dǎo)致葉片殘缺，如圖4所示.因此，適當(dāng)增加鍛造時的材料流動阻力，更有利于模具充型完整.根據(jù)熱鍛過程中材料的流動特性和流體熱力學(xué)理論［17－18］，經(jīng)過大量的模擬和工程實(shí)驗(yàn)，對以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行了改進(jìn)，得出葉片成形規(guī)律與葉片飛邊厚度之間的關(guān)系:在橋部厚度約為飛邊厚度的1.1倍，橋部寬度約為飛邊厚度的2倍時，葉片成形規(guī)律和鍛造載荷最好:

故應(yīng)選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合為A2B3C3.

圖4 d=1.3h時材料的流動特性Fig.4 Flow characteristics of the material at d=1.3h

2.2 成形角度設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

由上述分析可知，模具鍛造成形角度對模具的橫向側(cè)向力影響很大，成形角度設(shè)計(jì)不合理將會增加模具側(cè)向力，從而導(dǎo)致其橫向移位，加劇模具磨損，使得模具使用壽命嚴(yán)重縮短.現(xiàn)階段成形角度的設(shè)計(jì)一般采用幾何構(gòu)造法［19］，其設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、誤差較大，需要多次實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證，嚴(yán)重影響了模具的開發(fā)周期.成形角度的確定原則:應(yīng)保證模具型腔曲面在鍛造方向上的投影面積最大.本文在分析幾何構(gòu)造法設(shè)計(jì)成形角度的基礎(chǔ)上，通過對多個葉片葉身截面的曲率分析，結(jié)合多次模擬仿真和工程實(shí)驗(yàn)，對鍛造成形角度的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了葉身截面與鍛造成形角度之間的關(guān)系模型，即三截面平均法:

式中，α1、α2、α3分別為葉尖、葉身中點(diǎn)、葉根與葉身截交面的弦長線與發(fā)動機(jī)軸線夾角.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選用優(yōu)化前后的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合A2B3C3的某型號航空葉片精鍛模具，通過軟件模擬和工程實(shí)驗(yàn)對其摩擦磨損量進(jìn)行分析驗(yàn)證.在葉片精鍛成形時，最大允許模具磨損量為0.2 mm，運(yùn)用軟件對參數(shù)優(yōu)化前后的模具進(jìn)行鍛造仿真，得到的模具磨損量如圖5(a)和(b)所示，參數(shù)優(yōu)化前其一次鍛造的最大磨損量為0.286μm，鍛造壽命約為699次;參數(shù)優(yōu)化后其一次鍛造的最大磨損量為0.217μm，鍛造壽命約為921次，其壽命相差24%.這種現(xiàn)象的發(fā)生主要是因?yàn)閮?yōu)化前模具設(shè)計(jì)參數(shù)存在誤差，這種誤差會導(dǎo)致模具所受鍛造壓力、橫向側(cè)向力和金屬局部流動速度增加，又由于模具在高溫高壓下工作，其表面屈服應(yīng)力下降，金屬的高溫、高速流動會導(dǎo)致模具磨損增加.

圖5 參數(shù)優(yōu)化前后模具磨損Fig.5 Die wear before and after parameter optimization:(a)die wear before parameter optimization;(b)die wear after parameter optimization

選用優(yōu)化后的參數(shù)組合A2B3C3，實(shí)體模具如圖6所示，通過鍛造實(shí)驗(yàn)對該模具磨損量進(jìn)行驗(yàn)證.圖7為其三坐標(biāo)測量報(bào)告，可以看出:模具最大磨損量為0.211μm，其鍛造壽命約為947次;且最優(yōu)組合設(shè)計(jì)參數(shù)模具的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性.

圖6 參數(shù)優(yōu)化后的模具實(shí)體Fig.6 Die entity after parameter optimization

圖7 模具檢測報(bào)告Fig.7 Die test report

4 結(jié)論

1)數(shù)值仿真結(jié)果表明，成形角度是影響側(cè)向力和模具磨損的主要因素，15°為該模具的最優(yōu)成形角度;橋部厚度是影響材料流動性的主要因素，1.1h為其最優(yōu)橋部厚度，超過1.3h葉片成形規(guī)律難以控制.通過模擬仿真和材料的流動性分析，最終確定了模具設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合為A2B3C3.

2)通過分析現(xiàn)有模具參數(shù)設(shè)計(jì)方法和大量的模擬、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了模具設(shè)計(jì)參數(shù)與葉片自身結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對成形角度和橋部結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，簡化了模具參數(shù)設(shè)計(jì)的過程，提高了模具參數(shù)設(shè)計(jì)的精度，減少了模具設(shè)計(jì)參數(shù)的修正次數(shù)和模具的試鍛次數(shù).

3)通過模擬仿真對參數(shù)優(yōu)化前后的葉片模具的摩擦磨損進(jìn)行了分析，得出二者的鍛造壽命相差約24%.最后通過工程實(shí)驗(yàn)對一般設(shè)計(jì)參數(shù)和最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)葉片模具進(jìn)行摩擦磨損驗(yàn)證，通過分析得出:二者壽命相差近2倍，且A2B3C3模具的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性較好.即借助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和有限元模擬仿真為航空葉片模具設(shè)計(jì)參數(shù)選優(yōu)和鍛造壽命預(yù)測提供了一種方法.