FGH96合金盘件等温锻造温度的优化设计

文章编号16720121201001008703FGH96合金盘件等温锻造温度的优化设计李庆华，李付国，李淼泉，焦雷魁，昝林西北工业大学材料学院，陕西西安710072摘要FGH96合金属于难变形材料，采用等温锻造成形是其最佳成形工艺。等温锻造时模具长时间处于高温状态，由于模具十分昂贵，最佳的成形温度必须综合考虑温度对材料的成形性能和模具强度及寿命的影响。通过对等温成形过程坯料和模具的热力耦合有限元模拟，获得了FGH96合金等温锻造温度范围内模具型腔表面等效应力峰值、模具材料屈服极限、强度极限随温度的变化规律。根据模腔上的等效应力峰值最大程度地小于模具材料的屈服极限的原则，确定出FGH96合金最佳等温成形温度为1050C左右。应用于实际生产，取得了良好的效果。关键词机械制造；等温锻造；FGH96合金；模具；优化设计中图分类号TG319文献标识码B1引言FGH96合金属于难变形材料，具有变形抗力大、热力参数容差小、锻后组织对锻造热力参数敏感且难以控制等特点，很难采用传统的成形工艺来生产，这给塑性成形工艺提出了更高的要求。粉末高温合金涡轮盘的生产，发达国家主要采用等温锻造的成形方法【L】。由于粉末高温合金锻造成形需要较高的温度，对模具寿命有较大影响，加之锻件在成形过程中易产生裂纹，因此，国内在考虑现有技术条件的基础上，也普遍采用等温锻造。FGH96合金锻造温度范围为900OC1100“C，锻造模具成本十分昂贵，只有综合考虑温度对材料的成形性能和模具强度及寿命的影响，才能优选出最佳的成形温度。等温锻造过程中，坯料和模具都处于高温状态，由于温度不但对材料的成形性能和流变抗力影响显著，而且对模具工作表面受到的应力和模具的强度也有很大的影响，因此，等温锻造成形温度的确定就显得尤为重要。在锻造温度范围内，随着温度的升高，工件的塑性变形抗力呈下降趋势，但另一方面模具自身的强度也呈下降趋势。当模具工作表面某些部位受到过大的峰值应力，则会造成此部位因应力大于模具材料的屈服强度而发生塑性变形，影响模具型腔的精确性和牢固性。此外，在很高的温度下工作，模具材料的相变、热应力和模具表面基金项目航空基础科学基金资助项目03H53048收稿日期20090914作者简介李庆华1970一，男，博士在读，主攻金属塑性加32_T_程的氧化等都会相当严重。随着模具使用次数的增加，这些破坏形式的累积必然造成模具最终因热疲劳而失效，模具的使用寿命将会下降F2J。为此，选择一个合理的锻造温度，使模具承受到的工作载荷远小于模具材料本身强度，提高模具工作安全性，便成为解决问题的关键。本文对FGH96合金盘件的等温锻造过程进行了热力耦合有限元模拟，得到了不同温度锻造过程中模具与坯料的应力场、应变场、速度场等场变量的分布。对于这些多变的因素，在等温锻造过程中，必然存在一个合理的工作温度，使得模具材料强度大于成形过程中的峰值应力，由于模具强度容限的增大将有利于减小模具因应力过大而造成破坏的可能。因此，根据求出的模具型腔表面受到的峰值应力变化曲线，并通过与模具材料的屈服强度进行XJ比，优选出了最佳的成形温度。2FGIFI96合金盘件等温成形模拟有限元法能够对塑性加工过程给出全面、精确的数值解F31。随着有限元技术和软件的发展大大简化了锻造加工工艺的设计和优化过程，能把一个昂贵、耗时、需要反复试生产的复杂热加工过程转化用计算机快速进行模拟计算，从而完成最佳工数的理想设计。终锻成形时模具承受的载荷最恶劣，是研重点。对于终锻成形的细晶态FGH96合金，根温恒应变速率热模拟压缩试验获得的流动应值，拟合出细晶态FGH96合金的本构关系L4J垂0“23382ARCSINHKA“EXPQ39094RT】1AEXP748682Q85048X103式中D一真实应力，MPA；真应变；应变速率，S。；N应变速率敏感性指数；P变形激活能，J；R气体常数，R8314JMOLK；卜变形绝对温度，K。为了得到温度对模具型腔峰值应力的影响规律，需要把模具视作可变形体，才能获得模具内部的应力场分布，进而得到模具型腔的峰值应力。在较高的温度条件下进行热锻时，将工件材料的弹性变形忽略，则变形形式视为刚塑性体，模具变形形式采用弹塑性模型。由于涡轮盘是轴对称类锻件，其模具型腔为回转体，原始坯料为圆柱形棒料，应用MSCSUPERFORM软件建立成二维轴对称模型，选定为热力耦合分析类型。将工件和模具都划分为四边形单元，某尺寸FGH96合金涡轮盘的成形过程有限元分析模型如图1所示。下表1K21的屈服极限N2和强度极限6“2090095098010O010301050LO9002MPA6525692558048044253853806MPA77757OO6075552550544O410295力场分布，其他温度条件下模具和工件内部的等效应力场分布与之相似。成形过程中模具所受峰值等效应力最大的部位是强度最薄弱的地方，由图中可以看出，变形量不大时峰值等效应力主要出现在坯料和顶料杆接触部位图2A，坯料与下模以及下模与顶料杆接触的部位也存在峰值等效应力，随着变形程度的增加峰值等效应力只出现在下模与顶料杆图1高温合金盘件等温锻造有限元模型B压下量为60C压下量为90D压下量为100图2模具压下过程的等效应力分布单位MPA接触的部位图2B和图2C，成形结束时刻，模具内下模与顶料杆接触部位的峰值等效应力最大图2D。050100150200250300上模行程RAM图3载荷一上模行程曲线图3是该盘件等温成形过程中的载荷一上模行程曲线。从图中可以看出，当上模压下至A点时，载荷有一个突然增大的过程，这是因为下模的顶料杆与坯料先接触，载荷较小，当模具压下一段距离之后，坯料边缘部分由于变形，并开始和模具底部接触，使得载荷突然增大。在AB这个过程中载荷随着模具和坯料的接触面积的增大也逐渐增大，坯料在模具的作鼬地辩麟磷堆惯辩辨辩瑚LL一432L0一莹一N挺一一用下逐渐填充模具的内型腔图2A。在BC阶段，模具的下型腔已经被充满，坯料在外载荷的作用下向桥部填充图2B。在CD阶段，坯料开始填充模具的外型腔图2C。坯料在开始填充时，坯料与上模没有接触而导致模具与坯料的接触面积减少，使其载荷突然下降；另一方面的原因是材料在变形过程中发生了动态再结晶而产生的软化效应所致。在DE阶段，当坯料的外缘和模具侧壁相接触时图2D，载荷急剧增大。其他温度条件下，等温成形过程中的载荷一上模行程曲线形状与图3相似。3FGH96合金盘件等温成形温度的选择等温锻造成形过程中，坯料和模具都处于高温状态，随着锻造温度的升高，工件的塑性变形抗力呈下降趋势。但另一方面模具自身的强度也呈下降趋势，当模具型腔表面受到高于屈服极限的峰值应力时会造成模具出现局部塑性变形。随着模具使用次数的增加，变形的累积最终会导致模具因热机械疲劳而呈高温低周疲劳破坏，使模具使用寿命大大下降。对于一个合理的等温锻造温度，若能使模具受到的峰值应力与其屈服极限和强度极限有一个合理的比值，则能有效地减轻高温低周疲劳破坏，延长模具的服役期限，降低成本。为了得到峰值应力随温度的变化规律，对温度为900C1LOOC_间的等温锻造成形过程进行了模拟，并利用MSCSUPERFORM软件所具有的节点历史获取功能，得到了不同等温锻造温度下模具的等效应力峰值，见表2。FGH96合金等温成形温度范围内模具型腔表G2不同温度等温成形时模具上的等效应力峰值9OOI920940960980L0OO1020LO40105010501080L100等效应力峰值MPA73327034632355564583400736722845261823831947L146面等效应力峰值、模具材料屈服极限、强度极限随温度的变化规律见图4。从图中可以看出，模具表面的等效应力峰值、模具材料屈服极限、强度极限都随温度的升高而近似呈线性下降趋势，其中等效应力峰值减小得更快。当等温锻造温度小于970C时，模具上的等效应力峰值高于模具材料的屈服极限，模具在此温度下锻造时极易造成模具变形破坏，因此，不能选择在此温度以下进行等温锻造加工。锻造温度在970C1050OC时，模腔上的等效应力峰值与模具材料的屈服极限的差值有增大的趋势，说明模具工作时的可靠性和安全性好。从图上可以看出，在1050C时，这个差值达到了最大，而且在此温度下FGH96合金呈现出良好的超塑性51，对于成形和模具受载都非常有利。值得注意的是，等温锻造温度不能太高，因为温度过高时，模具材料和坯料的内部会很容易发生相变、高温氧化、过热和过烧等现象。同日岂等温锻造温度PC图4模具等效应力峰值、屈服极限、强度极限随温度的变化规律时，由于目前没有一种有限元模拟软件能够将高温氧化、热应力、过热和过烧等现实条件下的复杂情况全部纳入模拟过程，因此，在锻造温度高到接近材料熔点时，有限元模拟的结果与实际情况出入很大。所以，为了避免这些不利因素的影响，在结合计算所得结果和工厂生产的实际条件的基础上，选定等温锻造温度为1050C左右。按此推荐工作温度，通过工厂实际生产表明，模具的使用寿命提高了118。由此可见，等温锻造时，工作温度对模具的使用寿命影响很大，选择一个合适的工作温度，对于提高模具寿命至关重要。4结论1将模具简化为弹塑性体，将工件材料的弹性变形忽略，简化为刚塑性体，建立了FGH96合金涡轮盘件等温锻造成形过程坯料和模具的热力耦合分析有限元模型。2在压力机压下速度为005MRNS肘，对温度为900C11O0之间的FGH96合金涡轮盘件等温锻造成形过程进行了模拟，得到了模具和工件内部瞳蟹文章编号16720121201001009003圆环镦粗过程数值模拟应力场研究惠媛媛西安航空职业技术学院航空制造工程系，陕西西安710089摘要对圆环镦粗过程建立刚塑性有限元对称模型，采用AUTOFORGE有限元分析软件对纯铝圆环镦粗过程进行了有限元模拟，获得了镦粗过程应力场的相关信息，揭示了镦粗时金属内部应力分布情况。结果表明由于变形量、摩擦因子的不同，圆环内部应力场分布也有很大区别。变形量增大，圆环坯料的应力分布呈“Y”形，且有扩大趋势；摩擦因子增大，圆环坯料应力分布趋于不均匀，但坯料的变形方式发生改变。这些结果对制定圆环镦粗时的参数有指导意义。关键词机械制造；镦粗；圆环；数值模拟；纯铝中图分类号TG31611文献标识码A1前言镦粗成形是有色金属、钢材生产与零件半成形加工的主要方法之一，在金属塑性成形工业生产中有着广泛的应用。近年来，有限元数值模拟技术在金属塑性成形方面获得了越来越多的应用，正在逐步改变人们设计和制造产品的常规方法。为此，本文采用锻造成形有限元分析软件对圆环镦粗成形进行有限元模拟分析，对圆环镦粗过程应力场进行了分析研究。收稿日期20091016作者简介惠媛媛1976一，女，硕士，讲师，从事金属材料成形研究2圆环镦粗模型建立4根据模拟结果和工厂的实际生产条件，确定FGH96合金等温成形温度为1050C2F，将其应用于实际生产表明，模具的使用寿命得到了提高。【参考文献】1崔建PMRENE95合金等温成形于STMP工艺研究D北京北京航空材料研究所，1995212苏】C_A_多夫拉尔著热模锻模具强化和破坏的热力学北京国防工业出版社，1988【3K0BAYASHIS，OHSI，ALTONTMETALFORMINGANDTHEFINITECLEMENTMETHODNEWYORKOXFORDUNIVERSITYPRESS，198944刘玉红，李付国，吴诗口，等细晶态FGH96热成形时的流动行为研究航空学报2003，243278281【5王淑云，李惠曲，计晟，等等温锻造FGH96合金超塑性研究航空材料学报2003，23102528OPTIMIZEDDESIGNOFISOTHERMALFORGINGTEMPERATUREABOUTNICKELBASEPMSUPERALLOYFGH96LIQINGHUA，LIFUGUO，LIMIAOQUAN，JIAOLEIKUI，ZANLINSCHOOLOFMATE