航空发动机冷气导管冲压法翻边成形工艺研究

航空发动机冷气导管冲压法翻边成形工艺研究

陈振强黄福天

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨150066）

摘要：冷气导管的冲压法翻边成形方法是基于圆截面管的平法兰生产制造工艺提出的，主要包含扩口和压平两道工序，因此研究冷气导管的冲压法翻边成形工艺的重点就是研究冷气导管扩口和压平过程。冷气导管作为大推重比航空燃气涡轮发动机的重要部件，主要用于发动机导向叶片冷却及调节叶片腔内的温度场，是包括气流沿导管轴向流出及通过管壁上的小孔流向叶片内腔的薄壁零件，其管端翻边等工艺已成为该部件制造的瓶颈。目前，国外航空发动机先进制造公司对该部件实行制造技术保密。因此，开展其相关成形工艺的研究具有重要意义。

关键词：航空发动机；冷气导管；冲压；翻边

1.冷气导管冲压法翻边成形工艺分析

扩口是将空心毛坯件管端扩大的一种成形方法，按扩口方式的不同主要分为手工扩口和模具扩口，其中手工扩口主要用于外形简单、生产批量小的零件的制造，模具扩口则主要用于对扩口质量要求较高或者生产批量较大的零件的制造。

影响扩口成形的因素较多，主要包括材料的塑性、相对厚度、摩擦与润滑、扩口模具形状以及传力区的失稳控制等。其中材料的塑性和相对厚度只与零件的材料有关，而与成形过程无关，所以如果想提高零件的扩口变形程度就要从改变成形过程中的工艺参数着手，一般情况下有效润滑可以提高扩口变形程度；采用刚性锥形凸模扩口相比于分瓣凸模扩口的允许扩口变形程度更大；使用支撑内芯可以提高传力区抵抗失稳的能力。

冷气导管在翻边时最大的问题就是易破裂，通过上述分析可知，采用整体刚性锥形凸模和添加支撑内芯都可以在一定程度上提高零件的扩口变形程度，因此研究冷气导管扩口成形的重点就在于研究如何通过控制摩擦与润滑来提高毛坯的扩口变形能力和控制合适的变形区高度获得所需翻边高度。

2.冷气导管冲压法翻边成形数值模拟研究

2.1有限元模型的建立

使用通用非线性有限元软件Abaqus对冲压翻边过程进行模拟。由于冷气导管毛坯为异形截面零件，不具有对称性，选择完整毛坯进行建模，同时为了降低计算成本、提高计算效率，模拟中仅针对翻边区域和临近的部分管坯进行建模分析。冲压翻边成形有限元模型主要由凸模、凹模、管坯和支撑内芯组成，其中凸模分为扩口凸模和压平凸模，扩口凸模锥度为45度。凸模、凹模和支撑内芯为离散刚体，单元类型为4节点三维四边形双线性刚体单元R3D4；管坯为变形体，单元类型为4节点减缩积分一般壳单元S4R。管坯与模具间的接触属性为自动面面接触。

2.2摩擦系数对冲压翻边成形的影响

1.摩擦系数对壁厚的影响

在冷气导管的冲压翻边成形过程中，管坯与模具间的摩擦是影响冲压翻边成形结果的重要因素。摩擦对冲压翻边成形的影响主要表现为可以影响材料的流动和变形区的应力应变状态。为研究摩擦系数对冲压翻边成形的影响规律，管坯高度选择为18.5mm，对5种不同摩擦系数0.05、0.10、0.15、0.20和0.25时的冲压翻边过程建立的有限元模型进行模拟，然后针对得到的仿真结果的壁厚分布和翻边高度进行对比分析。

随着摩擦系数的增大，零件的最大厚度随之不断增大；零件的最小壁厚在摩擦系数从0.05增大到0.20时其大小均在0.1600mm附近变化，此时壁厚的最大减薄率约为20%，而当摩擦系数增大到0.25时，零件减薄迅速增大，最小壁厚减小为0.1480mm，对应的壁厚的最大减薄率为26%。为了更加深入的了解不同摩擦系数对壁厚分布的影响，特别是对最小壁厚分布的影响，沿成形后零件的最外沿的某个单元逆时针测量所有单元的厚度，该厚度分布曲线呈现为波浪状，对比波峰和波谷出现的位置我们可以发现零件减薄最为严重的区域为圆角区，随着与圆角区的距离的增大零件的减薄减小，在各直边的中心区域附近零件的减薄最小。同时发现当摩擦系数从0.05增大到0.20时，各点处的壁厚分布规律基本一致，而当摩擦系数增大到0.25时圆角区壁厚分布出现了较大变化，这表明当摩擦系数超过一定值时摩擦力对圆角区材料流动会产生显著的影响，这种影响一方面表现为翻边外缘区域材料的大幅度减薄，分析认为这是由于摩擦力的增大影响了材料沿切线方向的流动，使得两侧直边区域对圆角区的补料不足引起的；另一方面摩擦力的增大会使得圆角区法兰根部壁厚的有所增加。

2.摩擦系数对翻边高度的影响

摩擦力的大小对冲压翻边成形过程中的材料流动具有重要影响，而材料流动不仅影响壁厚的分布与变化，同样对于翻边高度也会产生一定的影响。在摩擦系数为0.05和0.25时翻边成形得到的毛坯的对比图，从图中可以看出摩擦系数为0.05时圆角区域的翻边高度大于摩擦系数为0.25时的翻边高度。由于在有限元软件Abaqus中仅可以对两个节点间的位移进行测量，无法直接测得成形后的翻边高度，因此通过CATIA软件创建了翻边高度为1.20~1.80mm、间隔为0.05mm的标准翻边成形数模，将其导入到Abaqus中与有限元模拟得到的结果进行对比。结果表明在摩擦系数为0.05零件的最小翻边高度约为1.45mm，翻边系数为0.25时的零件最小翻边高度约为1.40mm，两者相差0.05mm。综上所述，在管坯高度不变时，采用有效润滑可以在一定程度上增大翻边高度。

2.3管坯高度对冲压翻边成形的影响

1.管坯高度对壁厚分布的影响

增大管坯高度可以在一定程度上获得更大的翻边高度，但是在翻边高度增大的同时，圆角区材料的变形程度也随之增大，壁厚也会随之减小。在不同管坯高度翻边成形时得到的零件的最小和最大壁厚，可以发现，随着管坯高度的增加，零件的最小壁厚不断减小，最大壁厚不断增大，当管坯高度为19.5mm时，零件的最小壁厚为0.1484mm，此时零件的最大减薄率为25.80%。

2.管坯高度对翻边高度的影响

随着管坯高度的增加，最小翻边高度逐渐增大。当管坯高度增大到19.0mm时，零件的最小翻边高度为1.60mm，达到了设计要求，此时零件的最小壁厚为0.1553mm，材料的最大减薄率为22.35%。

3.管坯高度对起皱缺陷的影响

由于管坯与凸模间存在一定的摩擦，随着凸模下降，管坯与凸模间的接触面积逐渐增大，管坯与凸模间的摩擦力也就越来越大。在翻边成形过程中，特别是在压平工序中，较大的摩擦力会使得管坯圆角区的材料向内流动造成零件在法兰根部起皱现象，而随着管坯高度的增加，在翻边成形过程中凸模与管坯的接触面积随之增大，两者间的摩擦力越来越大，材料向内流动越来越明显，局部起皱也就越严重，起皱一方面使得零件的局部形状发生变化，另一方面也会造成壁厚的局部增厚，成形中的最大厚度往往就出现在起皱区域。

当管坯高度从18.0mm增大到19.0mm，起皱程度明显增加。由于在翻边工序后为零件的腔体胀形工序，所以较小的缩颈可以通过后续工序消除，但是较大的起皱则会影响零件的型面。综上所述，增加管坯高度虽有利于获得更大的翻边高度，但是当管坯高度增加时，一方面会引起材料壁厚的减薄，同时也会使得法兰区根部材料向内流动造成起皱缺陷，因此为防止死皱等却缺陷的出现，应合理选择管坯高度。

参考文献

[1]何爱杰,李世峰,李万福,等.世界航空发动机高压涡轮导向器研究综述[J].航空科学技术,2013,3:15~17.

[2]刘金合,李华伦,张津生,等.航空发动机前后冷气导管CO2激光焊研究[J].材料工程,1999,6:22~23..

作者简介：陈振强（1990.11-），男，黑龙江哈尔滨市，本科，研究方向：钣金冲压成型；

黄福天（1989.11—），男，黑龙江哈尔滨市，硕士，研究方向：冲压工艺。