基于智能优化算法的锥壁类锻件变形量控制研究
发布时间：2022-01-11 18:38
锥壁形零件作为飞机发动机重要的连接与传动部件,内部连接发动机主轴,外部与涡轮盘或者风扇盘固定,长期服役在高温高压的环境中,对其性能要求较为严格。由于该类型零件锥形薄壁的形状特点,采用常规的锻造生产工艺在直接锻造生产时材料利用率低,并且各部位变形不均,造成各位置性能差异大,影响性能与服役寿命;传统的预成形模具是基于经验和模拟方法,通过不断的试错来设计,效率低下。论文针对上述问题,通过对锥壁类锻件的形状结构和锻造工艺进行深入分析,制定更加合理的锻造工艺,以保证在终锻成形时充填完整与变形合理,并提高材料利用率和降低生产成本;同时为解决预成形模具的设计与优化问题,提出一种基于多学科软件联合仿真的预成形模具优化方法。论文基于数值模拟与生产试验开展如下研究工作:（1）以航空发动机锥壁类锻件为研究对象,分析传统锻造工艺生产锥形薄壁锻件过程中的难点以及控制要点,改进锥壁类锻件锻造工艺方案。结果表明,对于壁厚均匀锥壁类锻件,应该通过优化饼坯高度对材料的流动进行控制,从而避免折叠缺陷的产生;对于壁厚差异较大的锥壁类锻件,应该添加预锻工序来合理分料,从而提高材料利用率以及控制锻件变形均匀性。（2）联合参数化...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锥形薄壁锻件
重庆大学硕士学位论文2锥壁类锻件成形工艺分析及优化10各种问题。2.1.2锥壁类锻件成形要点及控制难点采用两火成形的锻造生产工艺，在实际生产过程中发现了诸多问题，造成锻件合格率较低，浪费大量资源，不符合节能减排、绿色制造的理念。①壁厚均匀锻件对于各位置壁厚差异较小的锻件，在直接采用可两火锻造成形时可以获得各位置变形效果较好的锻件，但是，在实际生产中经常会出现在锻件顶部出现折叠缺陷，如下图2.2(a)所示，可以看出锻件顶部区域流线紊乱且向内凹。②壁厚不均匀锻件各位置壁厚差异较大的锻件在生产过程中存在问题较多：1)由于此类零件分支结构较多形状复杂，在锻件设计时为了保证在两火成形工艺的情况下能够充填完整以及尽量减小模具磨损而在局部位置进行了余量放大导致了材料利用率低；2)零件形状较为复杂，壁厚差异较大，所以在填充过程中金属的填充同时性不能保证，由下图2.2(b)可以看出直接使用饼坯成形易造成分料不均锻件充填不完整、变形不均匀；3)终锻工艺利用侧面进行定位，在锻造时因为终锻荒坯的形状不规整，导致摆料时无法合理定位，造成锻件轮廓各部位飞边不均匀，锻造成形稳定性降低。（a）折叠（b）变形不均匀图2.2锻件缺陷Fig.2.2Forgingdefect高温合金具有变形抗力大、导热性差及可锻温度范围窄等特点，由于边缘部位壁厚小与空气接触面积大，温度降低速度快，造成锻造时不能达到终锻温度，导致锻件报废；高温合金锻件热处理为低温固溶处理，固溶温度低于静态再结晶温度，因此，锻件的晶粒尺寸不能通过热处理细化，需要通过锻造工艺来控制[43]；此外，由于锻件尺寸大，在成形过程中，各部位的变形情况不能保持相同，锻件内部微观组织形态不能进行合理的控制，造成最终锻件性能不能达到发动机的?
重庆大学硕士学位论文2锥壁类锻件成形工艺分析及优化11用标准。因此，针对上述问题应该做出相对应的改进措施。2.2锥壁类锻件成形工艺优化为了保证锻件形状完整且内部较好的组织形态，应该从填充、温度、变形等方面进行合理的控制。因此，在锻造过程中为了保持温度均匀，防止局部降温过快，在终锻锻荒坯外层使用包套。并通过设计合理的荒坯形状来调节各部位的变形，来控制锻件各部位变形均匀[16]。①壁厚均匀锥形零件对于形状较为简单的壁厚均匀锥壁锻件，分析其产生折叠缺陷原因为：在锻造成形过程中荒坯高度较大，材料流动距离远，由于材料表面与模具型腔的摩擦阻力导致内部材料流动速度比表层材料流动速度快，如图2.3所示，进而造成在顶部产生折叠缺陷。因此，应该通过合理的控制饼坯的厚度来控制材料的流动，对饼坯高度进行优化便可完成，此过程操作较为简单可通过经验及简单数值模拟来解决。图2.3速度分布图Fig.2.3Speedmap②壁厚差异较大锥形零件壁厚不均匀锻件，1)对于材料利用率低的问题：应该根据零件进行随形设计锻件形状，避免材料浪费，通过添加预锻工序来合理分料，避免材料不合理的流动对的模具磨损；2)锻件变形不均匀的问题：添加预锻工序，进行合理分料确保各位置的材料具有合理的变形量，以及保证锻件各部位填充的同时性；3)针对终锻过程中定位不合理的问题：改变定位方式，在锻造成形中锻造荒坯形状不稳定，因此，应该避免利用饼坯的自然成形形状（外轮廓）进行定位，应采用形状固定的凹槽等方式完成定位。综合来说，为了获得形状完整、变形均匀合格的锥壁形锻件，设计形状合理的终锻荒坯是非常重要的，对于壁厚均匀锻件需要优化合适的饼坯高度；对于壁
【参考文献】：
期刊论文
[1]C919“大发”核心机部分关键技术取得重要进展[J]. 余晓洁,施雨岑. 科技传播. 2018(05)
[2]高温钛合金的研究现状及其发展[J]. 黄栋,杨绍利,马兰,廖鑫,朴荣勋. 钢铁钒钛. 2018(01)
[3]面向参数化建模的CATIA知识工程的二次开发技术[J]. 刘滕,郝博,张信淋. 沈阳大学学报(自然科学版). 2015(06)
[4]三维零件参数化建模设计[J]. 郭晶,赵广东. 科技尚品. 2015(12)
[5]CATIA三维参数化建模技术及其应用[J]. 王永岗,杨利杰. 机械工程师. 2014(05)
[6]金属体积成形有限元分析管理与工艺优化平台[J]. 陈华书,胡广洪. 热加工工艺. 2013(23)
[7]基于变形均匀的叶片锻造预成形拓扑优化设计[J]. 邵勇,陆彬,任发才,陈军. 上海交通大学学报. 2014(03)
[8]体积成形预成形设计及优化方法的研究与应用[J]. 邵勇,陆彬,陈军,郭平义. 塑性工程学报. 2012(06)
[9]GH4169合金研制进展[J]. 杜金辉,吕旭东,邓群,庄景云. 中国材料进展. 2012(12)
[10]复杂锻件的坯料预成形优化设计方法[J]. 杨知硕,刘东,罗子健,高国杰. 热加工工艺. 2012(11)
博士论文
[1]镍基高温合金高温变形行为及变形机理研究[D]. 周舸.东北大学 2013
[2]实数编码遗传算法机理分析及算法改进研究[D]. 朱灿.中南大学 2009
[3]实数编码遗传算法杂交算子组合研究[D]. 周永华.华南理工大学 2003
硕士论文
[1]铝合金轴箱体锻造成形工艺设计及优化[D]. 龙帅.重庆大学 2017
[2]GH4169合金高温塑性变形行为及组织演变规律研究[D]. 宫润燕.东北大学 2014
[3]GH4169合金涡轮盘组织均匀性控制研究[D]. 刘帅.燕山大学 2014
[4]实数编码下的混合算子遗传算法在非线性问题的应用[D]. 倪金林.合肥工业大学 2007
[5]材料成形过程的类等势场法模拟与预成形设计[D]. 肖军.西北工业大学 2006
本文编号：3583265
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锥形薄壁锻件
重庆大学硕士学位论文2锥壁类锻件成形工艺分析及优化10各种问题。2.1.2锥壁类锻件成形要点及控制难点采用两火成形的锻造生产工艺，在实际生产过程中发现了诸多问题，造成锻件合格率较低，浪费大量资源，不符合节能减排、绿色制造的理念。①壁厚均匀锻件对于各位置壁厚差异较小的锻件，在直接采用可两火锻造成形时可以获得各位置变形效果较好的锻件，但是，在实际生产中经常会出现在锻件顶部出现折叠缺陷，如下图2.2(a)所示，可以看出锻件顶部区域流线紊乱且向内凹。②壁厚不均匀锻件各位置壁厚差异较大的锻件在生产过程中存在问题较多：1)由于此类零件分支结构较多形状复杂，在锻件设计时为了保证在两火成形工艺的情况下能够充填完整以及尽量减小模具磨损而在局部位置进行了余量放大导致了材料利用率低；2)零件形状较为复杂，壁厚差异较大，所以在填充过程中金属的填充同时性不能保证，由下图2.2(b)可以看出直接使用饼坯成形易造成分料不均锻件充填不完整、变形不均匀；3)终锻工艺利用侧面进行定位，在锻造时因为终锻荒坯的形状不规整，导致摆料时无法合理定位，造成锻件轮廓各部位飞边不均匀，锻造成形稳定性降低。（a）折叠（b）变形不均匀图2.2锻件缺陷Fig.2.2Forgingdefect高温合金具有变形抗力大、导热性差及可锻温度范围窄等特点，由于边缘部位壁厚小与空气接触面积大，温度降低速度快，造成锻造时不能达到终锻温度，导致锻件报废；高温合金锻件热处理为低温固溶处理，固溶温度低于静态再结晶温度，因此，锻件的晶粒尺寸不能通过热处理细化，需要通过锻造工艺来控制[43]；此外，由于锻件尺寸大，在成形过程中，各部位的变形情况不能保持相同，锻件内部微观组织形态不能进行合理的控制，造成最终锻件性能不能达到发动机的?
重庆大学硕士学位论文2锥壁类锻件成形工艺分析及优化11用标准。因此，针对上述问题应该做出相对应的改进措施。2.2锥壁类锻件成形工艺优化为了保证锻件形状完整且内部较好的组织形态，应该从填充、温度、变形等方面进行合理的控制。因此，在锻造过程中为了保持温度均匀，防止局部降温过快，在终锻锻荒坯外层使用包套。并通过设计合理的荒坯形状来调节各部位的变形，来控制锻件各部位变形均匀[16]。①壁厚均匀锥形零件对于形状较为简单的壁厚均匀锥壁锻件，分析其产生折叠缺陷原因为：在锻造成形过程中荒坯高度较大，材料流动距离远，由于材料表面与模具型腔的摩擦阻力导致内部材料流动速度比表层材料流动速度快，如图2.3所示，进而造成在顶部产生折叠缺陷。因此，应该通过合理的控制饼坯的厚度来控制材料的流动，对饼坯高度进行优化便可完成，此过程操作较为简单可通过经验及简单数值模拟来解决。图2.3速度分布图Fig.2.3Speedmap②壁厚差异较大锥形零件壁厚不均匀锻件，1)对于材料利用率低的问题：应该根据零件进行随形设计锻件形状，避免材料浪费，通过添加预锻工序来合理分料，避免材料不合理的流动对的模具磨损；2)锻件变形不均匀的问题：添加预锻工序，进行合理分料确保各位置的材料具有合理的变形量，以及保证锻件各部位填充的同时性；3)针对终锻过程中定位不合理的问题：改变定位方式，在锻造成形中锻造荒坯形状不稳定，因此，应该避免利用饼坯的自然成形形状（外轮廓）进行定位，应采用形状固定的凹槽等方式完成定位。综合来说，为了获得形状完整、变形均匀合格的锥壁形锻件，设计形状合理的终锻荒坯是非常重要的，对于壁厚均匀锻件需要优化合适的饼坯高度；对于壁
【参考文献】：
期刊论文
[1]C919“大发”核心机部分关键技术取得重要进展[J]. 余晓洁,施雨岑. 科技传播. 2018(05)
[2]高温钛合金的研究现状及其发展[J]. 黄栋,杨绍利,马兰,廖鑫,朴荣勋. 钢铁钒钛. 2018(01)
[3]面向参数化建模的CATIA知识工程的二次开发技术[J]. 刘滕,郝博,张信淋. 沈阳大学学报(自然科学版). 2015(06)
[4]三维零件参数化建模设计[J]. 郭晶,赵广东. 科技尚品. 2015(12)
[5]CATIA三维参数化建模技术及其应用[J]. 王永岗,杨利杰. 机械工程师. 2014(05)
[6]金属体积成形有限元分析管理与工艺优化平台[J]. 陈华书,胡广洪. 热加工工艺. 2013(23)
[7]基于变形均匀的叶片锻造预成形拓扑优化设计[J]. 邵勇,陆彬,任发才,陈军. 上海交通大学学报. 2014(03)
[8]体积成形预成形设计及优化方法的研究与应用[J]. 邵勇,陆彬,陈军,郭平义. 塑性工程学报. 2012(06)
[9]GH4169合金研制进展[J]. 杜金辉,吕旭东,邓群,庄景云. 中国材料进展. 2012(12)
[10]复杂锻件的坯料预成形优化设计方法[J]. 杨知硕,刘东,罗子健,高国杰. 热加工工艺. 2012(11)
博士论文
[1]镍基高温合金高温变形行为及变形机理研究[D]. 周舸.东北大学 2013
[2]实数编码遗传算法机理分析及算法改进研究[D]. 朱灿.中南大学 2009
[3]实数编码遗传算法杂交算子组合研究[D]. 周永华.华南理工大学 2003
硕士论文
[1]铝合金轴箱体锻造成形工艺设计及优化[D]. 龙帅.重庆大学 2017
[2]GH4169合金高温塑性变形行为及组织演变规律研究[D]. 宫润燕.东北大学 2014
[3]GH4169合金涡轮盘组织均匀性控制研究[D]. 刘帅.燕山大学 2014
[4]实数编码下的混合算子遗传算法在非线性问题的应用[D]. 倪金林.合肥工业大学 2007
[5]材料成形过程的类等势场法模拟与预成形设计[D]. 肖军.西北工业大学 2006
本文编号：3583265
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