工藝參數(shù)對(duì)航空空心葉片背弧熱沖壓成形質(zhì)量的影響

　　摘要：目前航空空心葉片熱成形的工藝參數(shù)選擇不夠合理，使得葉片成形質(zhì)量欠佳。由于板料較厚且屬于加熱成形范疇，使得板料的起皺缺陷和拉裂缺陷不容易發(fā)生或不明顯，而葉片成形后的厚度不均勻和回彈缺陷突出。因此為了深入了解成形工藝參數(shù)對(duì)葉片成形質(zhì)量的影響規(guī)律，本章以成形時(shí)主要工藝參數(shù)板料加熱溫度、摩擦系數(shù)、壓邊力和保壓時(shí)間作為因子變量，以葉片成形后的最小厚度值量和最大回彈量（Z向）為目標(biāo)變量，通過控制變量法來研究空心葉片背弧成形時(shí)的最佳工藝參數(shù)區(qū)間，為后續(xù)的需要最佳的工藝參數(shù)組合提供基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：航空空心葉片；熱沖壓；影響因素

　　1.加熱溫度對(duì)最小厚度值及最大回彈量的影響

　　本文熱沖壓空心葉片背弧所用材料為X2CrNi12，為了保證板料在轉(zhuǎn)移的過程中有足夠的剛度，因此熱沖壓板料的加熱溫度應(yīng)低于1000℃。為研究熱沖壓成形葉片過程中不同的加熱溫度下對(duì)最小厚度值及最大回彈量影響規(guī)律，本次模擬保持摩擦系數(shù)µ=0.30、壓邊力F=500KN、保壓時(shí)間t=4min，初始溫度T按照每隔40℃取值，即800℃、840℃、880℃、920℃、960℃，其它模擬參數(shù)保持不變進(jìn)行模擬，得到的最小厚度值及最大回彈量。

　　最小厚度值隨溫度變化呈現(xiàn)出先變化不大而后持續(xù)減小的趨勢(shì)，這是由于當(dāng)溫度低于840℃左右時(shí)，在板料的轉(zhuǎn)運(yùn)25s左右后，板料的溫度已經(jīng)下降到600℃左右，使得板料不能在設(shè)定的合適溫度680-740℃左右成形，造成板料成形力比較大而板料的最小厚度值變化不大，而當(dāng)溫度高于840℃時(shí)，隨著溫度的增加，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及硬化指數(shù)等參數(shù)減小，而使得材料硬化性能降低，造成主應(yīng)變變化較大，材料流動(dòng)劇烈使得葉片厚度減薄嚴(yán)重，最大減薄率達(dá)到8.7%。另一方面，最大回彈量隨著溫度變化較明顯，由圖中曲線可以看出，在溫度840℃前，最大回彈量隨著溫度的增高而回彈量減小較少，最大值在800℃時(shí)為3.40mm左右，這是由于加熱溫度較低時(shí)，在板料的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中溫度已經(jīng)下降到材料X2CrNi12合適熱成形溫度區(qū)間以下，導(dǎo)致板料拉延不充分而造成成形后最大回彈量較大，但加熱溫度高于840℃時(shí)，最大回彈量整體上隨著加熱溫度的升高而降低明顯，因此可以看出840℃是X2CrNi12熱成形的溫度分界點(diǎn)，當(dāng)高于該溫度時(shí)，板料的流動(dòng)性增強(qiáng)，因此在保持其他參數(shù)不變的前提下，板料外表面的主應(yīng)力不斷增大，且加熱溫度增大時(shí)，材料的彈性模量E和屈服強(qiáng)度σs變小在成形空心葉片時(shí)材料的塑形增加，使得葉片成形后塑形變形的比例占總體變形比例增加，而彈性變形比例減小，因此保壓冷卻后板料的回彈減小，但加熱溫度也不宜過高，否則會(huì)出現(xiàn)材料過熱導(dǎo)致晶粒過分長(zhǎng)大或者過燒等問題。綜上所述，為保證葉片背弧熱成形后獲得較小的減薄率和回彈量，較合適的加熱溫度區(qū)間840-920℃。

　　2.壓邊力對(duì)最小厚度值及最大回彈量的影響

　　對(duì)空心葉片熱成形，由于板料較厚且屬于熱成形，因此可以不設(shè)拉延筋等方法控制壓邊力，而僅通過控制壓邊力大小的方法進(jìn)行成形。本文為研究熱沖壓成形葉片過程中不同的壓邊力下對(duì)最小厚度值及最大回彈量影響規(guī)律，本次模擬保持加熱溫度T=900℃、摩擦系數(shù)µ=0.30、保壓時(shí)間t=4min，壓邊力按每隔200KN取值，即400K、600KN、800KN、100KN、1200KN，其它模擬參數(shù)保持不變進(jìn)行模擬，得到的最小厚度值及最大回彈量。

　　葉片背弧的最小厚度值隨著壓邊力的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，最大的減薄率約為7.5%，這是由于葉片背弧成形屬于高溫成形，材料在高溫下硬化性能急劇下降，隨著壓邊力的的增大，葉片背弧成形時(shí)的主應(yīng)變變化的斜率增大，使得最大主應(yīng)力逐漸增大，而板料的厚度減薄量的敏感度增加，造成板料減薄率增大。另一方面，隨著壓邊力的增大葉片背弧成形后的最大回彈量逐漸減少，但是整體的減少量變化較小，這是由于隨著壓邊力的增大，葉片背弧最外層的主應(yīng)變逐漸增大但變化趨勢(shì)較小，且葉片背弧熱成形與冷成型相比，板料在成形時(shí)變形抗力更低，在較小的壓邊力作用下就可以保證葉片進(jìn)行較大程度的變形，使得塑形變形充分而回彈量較小，同時(shí)過大的壓邊力增大了零件減薄傾向和開裂的傾向。因此合適的壓邊力可以有效的控制材料的流動(dòng)，使零件變形更加均勻化且獲得較小的回彈量，從而提高葉片背弧的成形精度，綜上所述，空心葉片背弧熱成形較合適的壓邊力區(qū)間為500-900KN。

　　3.保壓時(shí)間對(duì)最小厚度值及最大回彈量的影響

　　本文為研究熱沖壓成形葉片過程中不同的保壓時(shí)間下對(duì)最小厚度值及最大回彈量影響規(guī)律，本次模擬保持加熱溫度T=900℃、摩擦系數(shù)µ=0.30、壓邊力F=500KN，保壓時(shí)間按照每隔3min取值，即3min、6min、9min、12min、15min，其它模擬參數(shù)保持不變進(jìn)行模擬，得到的最小厚度值及最大回彈量結(jié)果。

　　葉片背弧成形后的保壓冷卻時(shí)間對(duì)葉片厚度減薄率的影響較小，隨著保壓時(shí)間的增加，葉片背弧成形后的厚度基本上不發(fā)生變化，這是由于板料厚度減薄主要與材料塑形流動(dòng)相關(guān)，而保壓過程中基本上不發(fā)生塑形流動(dòng)，只存在溫度降低和板料的熱收縮，但這兩個(gè)因素基本上不影響板料厚度的變化。另一方面，葉片背弧的最大回彈量隨著保壓時(shí)間的增加而逐漸較小，這是由于隨著保壓時(shí)間的增加，葉片背弧出模的溫度則越低，使得板料溫度在空氣中降溫至室溫的過程中釋放的熱應(yīng)力也越小，因此引起的回彈就越小。但保壓時(shí)間越久，葉片的單件生產(chǎn)所用時(shí)間則越長(zhǎng)，保壓時(shí)間過短時(shí)葉片表面溫度過高造成實(shí)際生產(chǎn)操作不便。為了測(cè)量不同保壓時(shí)間下的殘余溫度分布，以相同的平均間隔取葉片大頭端與小頭端各5個(gè)點(diǎn)測(cè)量其殘余溫度，得到的保壓時(shí)間與葉片背弧測(cè)試點(diǎn)殘余溫度關(guān)系。綜上，為保證葉片背弧保壓后獲得較小的回彈和較合適的出模溫度，合適的保壓時(shí)間區(qū)間為5-9min。

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　　作者黃福天陳振強(qiáng)

《工藝參數(shù)對(duì)航空空心葉片背弧熱沖壓成形質(zhì)量的影響》

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