黃通柱 門正興 董卓林 王瑞林 岳太文 馬亞鑫

(1.中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，四川610500；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

鍛造鋁合金零件具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、流線完整、內(nèi)部缺陷少以及綜合力學(xué)性能好等特點(diǎn)，是航空航天、軌道交通等領(lǐng)域輕量化設(shè)計(jì)的首選成形方案。邱磊等人[1]對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)2A70鋁合金筒體關(guān)鍵零部件鍛造過程進(jìn)行了有限元分析，認(rèn)為擠壓+終鍛的工藝方案可以有效減少毛邊開裂，提高材料利用率；高志遠(yuǎn)[2]通過沖擊性能和熱疲勞性能分析確定了某新型鋁合金活塞模鍛的鍛壓溫度范圍；張鴻飛等人[3]采用Forge軟件對(duì)鋁合金輪轂終鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了影響終鍛成形效果的主要因素；王旺兵等人[4]采用Deform-3D對(duì)鋁合金封頭沖鍛成形模具進(jìn)行了應(yīng)力分析，確定了最佳的沖鍛工藝參數(shù)；康峰等人[5]采用元胞自動(dòng)機(jī)模擬方法研究了大型鋁合金航空零件等溫鍛造過程組織演變，模擬結(jié)果與工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。楊昭[6]分析了7050鋁合金高速列車大型箱體零件鍛造工藝，采用數(shù)字模擬方法消除了折疊、充填不滿、流線紊亂等鍛造缺陷。呂弘毅等人[7]通過有限元分析消除了鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)支架在熱鍛過程中所產(chǎn)生的金屬流線紊亂和折疊。

2A70鋁合金屬于Al-Cu-Fe-Ni系，是熱塑性優(yōu)良、可熱處理強(qiáng)化、耐腐蝕性強(qiáng)的變形鋁合金，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)用某型2A70鋁合金接頭殼體零件為研究對(duì)象，根據(jù)零件特點(diǎn)制定了鍛造工藝方案，在綜合對(duì)比不同毛坯成形效果的情況下最終確定了最終毛坯尺寸。

1 工藝方案確定

接頭殼體鍛件如圖1所示，鍛件整體結(jié)構(gòu)接近矩形，其中腹板高度7 mm，內(nèi)腔最大深度42 mm。根據(jù)鍛件特點(diǎn)，選取零件底面為分模面，上模為平面，零件型腔在下模。設(shè)計(jì)下模型腔如圖2所示，鍛件設(shè)計(jì)單面加工余量為2 mm，非加工面按HB 6077—2008執(zhí)行。下模型腔最大深度為46 mm，設(shè)計(jì)飛邊槽橋部高度2 mm，寬度10 mm，模鍛斜度5°。采用25 MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)一次成形，打擊能量設(shè)定10%。

2 有限元模型建立

鍛造過程模擬用有限元模型如圖3所示，采用熱-力耦合方式進(jìn)行接頭殼體成形過程模擬，過程包括：(1)毛坯初始溫度空冷10 s；(2)毛坯放置在下模2 s；(3)鍛造成形。模擬用主要參數(shù)如表1所示。

圖3 鍛造過程模擬有限元模型
Figure 3 Finite element model for forging process simulation

表1 模擬基本參數(shù)Table 1 Basic simulation parameters

3 鍛造過程模擬及分析

3.1 方形毛坯成形

采用方形毛坯成形接頭殼體過程如圖4所示，點(diǎn)狀陰影區(qū)域?yàn)榻饘倜髋c下模接觸區(qū)域。由圖可知，采用方形毛坯成形零件過程中，零件型腔可以完全填充，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。但是，成形過程中飛邊分布非常不均勻，在鍛件兩側(cè)橢圓形區(qū)域內(nèi)零件飛邊較大，表明采用方形毛坯在該區(qū)域余量太多。

3.2 棒料毛坯成形

采用棒料毛坯后，鍛件毛坯飛邊分布得到明顯改善，如圖5所示。與方形毛坯的成形過程不同，棒料毛坯金屬材料在較早時(shí)間與模底部接觸，成形過程中飛邊較少，毛坯體積也大幅減少。接頭殼體成形過程中無缺陷，但上端飛邊仍然較大，可以進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 棒料毛坯成形過程
Figure 5 Forming process of bar billet

圖6 變直徑棒料毛坯成形過程
Figure 6 Forming process of variable diameter bar billet

圖7 行程-載荷關(guān)系
Figure 7 Stroke-load relationship

3.3 變尺寸棒料毛坯成形

根據(jù)等直徑棒料模擬分析結(jié)果繼續(xù)對(duì)毛坯形狀進(jìn)行優(yōu)化，減少棒料上端尺寸(如圖6所示)。由圖6可知，采用變尺寸棒料后零件成形無缺陷且飛邊分布均勻。

3.4 成形載荷分析

三種不同形式毛坯成形過程的行程-載荷關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，采用方形毛坯的壓機(jī)行程最短，其次為變直徑棒料，等直徑棒料行程最長(zhǎng)；就成形載荷而言，由于變直徑棒料成形后飛邊均勻、整體投影較少，因此成形載荷最小，其次

為等直徑棒料，方形毛坯成形載荷最大。綜合載荷及壓機(jī)行程，采用變直徑棒料成形的最大載荷為方形毛坯時(shí)的60%，壓機(jī)行程為等直徑棒料的82%。與方形毛坯相比，采用變直徑棒料成形零件可以減少材料30%。

4 工藝方案驗(yàn)證

根據(jù)模擬結(jié)果采用變直徑棒料進(jìn)行2A70鋁合金接頭殼體鍛造成形，采用車削加工方法對(duì)棒料端部進(jìn)行加工。接頭殼體零件鍛造過程與模擬結(jié)果一致，檢測(cè)無缺陷，經(jīng)機(jī)械加工后得到圖8(a)所示零件，圖8(b)為陽(yáng)極化后的接頭殼體。

5 結(jié)論

根據(jù)2A70鋁合金接頭殼體特點(diǎn)設(shè)計(jì)上平面下型腔的鍛造模具結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比分析方形毛坯、等直徑棒料以及變直徑棒料毛坯成形過程、成形載荷、壓機(jī)行程、飛邊分布等結(jié)果，最終確定采用變直徑棒料毛坯進(jìn)行2A70鋁合金接頭殼體鍛造。優(yōu)化后方案可以減少材料30%，成形載荷下降50%，實(shí)際鍛造結(jié)果與模擬一致，驗(yàn)證了模擬的可靠性。