飞机翼身接头模具设计及等温锻造工艺模拟

来源：互联网    作者：黄湘龙  易幼平      
关键字：有限元  QForm  等温锻造  仿真模拟  

本文在QForm 2D/3D仿真平台上对7085铝合金翼身接头进行等温锻造过程模拟，对等温锻造中流线、应力、应变、最大载荷以及可能产生的折叠进行全方面模拟，提出了相应的等温锻造成形方案与工艺参数，为等温锻造参数以及锻造用模具优化设计提供帮助。

       轻质高强度铝合金模锻件在航天航空领域中应用广泛，翼身接头作为连接飞机机翼与机身的重要承力部件，要求必须具有优良的综合力学性能。传统的通过焊接工艺加工航空接头，抗疲劳能力较差；而采用自由锻或机加工方法会浪费大量材料。等温模具锻造技术具有尺寸精确、材料利用率高、锻造所需液压机吨位小以及组织均匀等优点。等温锻造由于锻件与模具温度相同，消除了温锻工艺冷模效应，大幅度降低了材料变形抗力，非常适合复杂型面模锻件的精密成形，受到了国内外学者的普遍关注。同时，等温锻造对模具强度和锻件设计提出了很高的要求，要获得充填完好的航空接头锻件并不容易，其工艺制订常规做法是采用多次工业试验方法，调试确定锻造工序与模具，这个导致了制造成本与生产周期的增加。

       随着计算机和CAE技术发展，数值模拟方法已成为求解复杂成形问题的强有力工具。QForm由俄罗斯Quantor公司专家基于有限元计算方法开发而成，专门用于解决锻造问题，适合于模拟冷锻、温锻和热锻等工艺。同时，QForm也可以模拟粉末锻造和镦锻，适应设备有机械压力机、锻锤、螺旋压力机、液压机和多锤头压机。QForm优点在于不需人工控制网格生成、步距和其他数值模拟特定参数，结果准确度与用户对有限元技术熟练程度无关。

       本文在QForm 2D/3D仿真平台上对7085铝合金翼身接头进行等温锻造过程模拟，对等温锻造中流线、应力、应变、最大载荷以及可能产生的折叠进行全方面模拟，提出了相应的等温锻造成形方案与工艺参数，为等温锻造参数以及锻造用模具优化设计提供帮助。

1 翼身接头锻件及模具三维造型设计

       1.1 翼身接头结构件三维实体造型

       飞机翼身接头零件外形如图1所示。长宽高度具体尺寸为647mm×216mm×124mm。零件两腹板平面之间有一个角度，腹板上、下方均有两个台阶；零件两端由两个互成角度的面拼接而成，具有典型的高筋和薄壁特点。常规冷锻工艺下锻件切削量大，难以保证锻件流线完整，所以使用Pro/E widefire软件进行预锻件三维实体造型。

       零件是终锻件通过机加工后获得的，故终锻件腹板和两端都加厚3mm；同时将腹板上、下面台阶包裹，简化零件筋轮廓，简化后尺寸为655mm×256mm×18lmm。

 

图1 锻件零件图

       预成形设计是指根据终锻件几何形状设计出若干几何形状近似、截面相同的预成形件，旨在增强金属流动性、降低材料变形抗力以及避免产生折叠或穿筋等缺陷。预成形设计原则为截面面积相等或者稍大原则，即预锻件截面面积应等于最终成形的相应截面面积和飞边截面面积。利用QForm软件进行仿真模拟，经过不断调整和修改，最终得到合适的预锻件设计，如图2所示。

 

图2 翼身接头锻件三维造型图

       1.2 锻件仿真成形结果

       通过改变圆角半径以及合理分配金属体积，解决了金属材料在圆角过渡处的折叠问题。最终，锻件完全成形，折叠出现在非关键部位，并可以通过机加工去除，仿真成形结果如图3所示。

 

图3 仿真成形结果

       1.3 锻件模具三维实体造型

       采用QForm软件进行模拟仿真前需设计模具型腔，即设计锻件的凸凹模。利用Pro/E三维造型软件自动生成模具功能模块。Pro/E模具模块的模具设计流程如下：第一，进行零件设计以及装配；第二，开始模具组件设计；第三，参照零件拔模角度以及厚度分析，设定收缩率，并定义分型面；第四，建立模具体积块；第五，绘制模具工程图。在模具设计中，分模面位置的选择关系到锻件精度、内部流线走向以及模具生产周期成本。合理的分模面位置应满足以下两点要求；首先，与变形力方向相垂直的锻件投影面积最大，外廓形状最简单，使模具型槽浅，金属容易充满，锻件容易出模；其次，流线要保持完整，模锻成型应使流线方向与取件方向一致，避免锻件内产生涡流或穿流，导致模件疲劳强度降低。

2 锻压成形工艺数值仿真

       2.1 工艺方案与仿真参数

       材料为高强韧7085铝合金，材料模型需通过热模拟实验建立本构方程。在锻压成形模拟中，不考虑模具变形问题，模具材料属性设为刚体。等温锻造的工件与模具温度均为450℃。

       2.2 工艺参数对锻件成形的影响规律

       以锻出合理流线分布、晶粒大小分布均匀的锻件为目的，对成形工艺展开研究。利用QForm软件进行锻件塑性成形有限元仿真，综合分析工艺参数对锻件整体质量的影响，确定成形工艺。等温锻造成形模拟有三个主要工艺参数：第一，液压机下压速度；第二。工件摩擦系数；第三，锻造温度。

       为了得到等温锻造下最优锻造参数，对比两组仿真试验，并在摩擦系数一定情况下，改变液压机下压速度和锻造温度。

       2.2.1 锻造温度对终锻件成形工艺的影响

       在选择温度时，要考虑金属流动应力、塑性指标、相变点以及超塑性等因素。7085铝合金锻造温度范围比较小，一般为400～490℃，若下压速度为0.2mm/s、摩擦系数为0.4，则可以通过进行420℃和450℃仿真实验来分析锻件温度、有效应变、有效应变率、流动应力及载荷等条件，环境温度保持为450℃，其他参数可省略。最终，比较预锻件在不同温度下的成形情况和力学性能，获得合适的锻造温度。

       锻件不过烧情况下，提高锻造温度，对提升锻件质量有利。因此，可适度提高锻造温度以改善锻件成形质量，降低成形载荷，所以选择450℃作为锻造温度。不同仿造模具仿真结果如表1所示。

表1 不同锻造模具仿真结果对比

 

       2.2.2 液压机下压速度对终锻件成形工艺的影响

       液压机下压过程也是锻件成形的过程，取不同下压速度来分析锻件成形、应力、应变、温度分布及成形载荷，从而选择合适的下压速度。

       一般等温锻造成形速度为0.5mm/s，故选取0.2、0.5、1以及1.5mm/s四个下压速度进行仿真实验；摩擦系数取0.4，锻件和模具温度为450℃，环境温度保持在450℃，其他参数省略。

       从减小应力和降低成形载荷方面考虑，选择0.2mm/s的下压速度比较合适，因为下压速度0.5mm/s的流动应力和成形载荷均接近1mm/s和1.5mm/s数值了。不同液压机下压速度仿真结果如表2所示。

表2 不同液压机下压速度仿真结果对比

 

3 结语

       本文通过QFORM有限元软件进行等温锻造工艺模拟，对7085铝合金飞机翼身接头锻件成形过程中的载荷变化、温度、速度及应力应变进行了分析。结果表明锻造温度提高和下压速率降低都会造成金属流动应力与成形载荷降低。同时降低了液压机吨位要求，提高了锻件变形均匀性，保证所得锻件充填完好与变形均匀。需要注意的是，调整温度不能过高，否则会导致锻件出现过烧危险。

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