工艺参数对航空空心叶片背弧热冲压成形质量的影响

黄福天陈振强

摘要：目前航空空心叶片热成形的工艺参数选择不够合理，使得叶片成形质量欠佳。由于板料较厚且属于加热成形范畴，使得板料的起皱缺陷和拉裂缺陷不容易发生或不明显，而叶片成形后的厚度不均匀和回弹缺陷突出。因此为了深入了解成形工艺参数对叶片成形质量的影响规律，本章以成形时主要工艺参数板料加热温度、摩擦系数、压边力和保压时间作为因子变量，以叶片成形后的最小厚度值量和最大回弹量（Z向）为目标变量，通过控制变量法来研究空心叶片背弧成形时的最佳工艺参数区间，为后续的需要最佳的工艺参数组合提供基础。

关键词：航空空心叶片；热冲压；影响因素

1.加热温度对最小厚度值及最大回弹量的影响

本文热冲压空心叶片背弧所用材料为X2CrNi12，为了保证板料在转移的过程中有足够的刚度，因此热冲压板料的加热温度应低于1000℃。为研究热冲压成形叶片过程中不同的加热温度下对最小厚度值及最大回弹量影响规律，本次模拟保持摩擦系数µ=0.30、压边力F=500KN、保压时间t=4min，初始温度T按照每隔40℃取值，即800℃、840℃、880℃、920℃、960℃，其它模拟参数保持不变进行模拟，得到的最小厚度值及最大回弹量。

最小厚度值随温度变化呈现出先变化不大而后持续减小的趋势，这是由于当温度低于840℃左右时，在板料的转运25s左右后，板料的温度已经下降到600℃左右，使得板料不能在设定的合适温度680-740℃左右成形，造成板料成形力比较大而板料的最小厚度值变化不大，而当温度高于840℃时，随着温度的增加，材料的屈服强度、抗拉强度以及硬化指数等参数减小，而使得材料硬化性能降低，造成主应变变化较大，材料流动剧烈使得叶片厚度减薄严重，最大减薄率达到8.7%。另一方面，最大回弹量随着温度变化较明显，由图中曲线可以看出，在温度840℃前，最大回弹量随着温度的增高而回弹量减小较少，最大值在800℃时为3.40mm左右，这是由于加热温度较低时，在板料的转运过程中温度已经下降到材料X2CrNi12合适热成形温度区间以下，导致板料拉延不充分而造成成形后最大回弹量较大，但加热温度高于840℃时，最大回弹量整体上随着加热温度的升高而降低明显，因此可以看出840℃是X2CrNi12热成形的温度分界点，当高于该温度时，板料的流动性增强，因此在保持其他参数不变的前提下，板料外表面的主应力不断增大，且加热温度增大时，材料的弹性模量E和屈服强度σs变小在成形空心叶片时材料的塑形增加，使得叶片成形后塑形变形的比例占总体变形比例增加，而弹性变形比例减小，因此保压冷却后板料的回弹减小，但加热温度也不宜过高，否则会出现材料过热导致晶粒过分长大或者过烧等问题。综上所述，为保证叶片背弧热成形后获得较小的减薄率和回弹量，较合适的加热温度区间840-920℃。

2.压边力对最小厚度值及最大回弹量的影响

对空心叶片热成形，由于板料较厚且属于热成形，因此可以不设拉延筋等方法控制压边力，而仅通过控制压边力大小的方法进行成形。本文为研究热冲压成形叶片过程中不同的压边力下对最小厚度值及最大回弹量影响规律，本次模拟保持加热温度T=900℃、摩擦系数µ=0.30、保压时间t=4min，压边力按每隔200KN取值，即400K、600KN、800KN、100KN、1200KN，其它模拟参数保持不变进行模拟，得到的最小厚度值及最大回弹量。

叶片背弧的最小厚度值随着压边力的增大而呈现出减小的趋势，最大的减薄率约为7.5%，这是由于叶片背弧成形属于高温成形，材料在高温下硬化性能急剧下降，随着压边力的的增大，叶片背弧成形时的主应变变化的斜率增大，使得最大主应力逐渐增大，而板料的厚度减薄量的敏感度增加，造成板料减薄率增大。另一方面，随着压边力的增大叶片背弧成形后的最大回弹量逐渐减少，但是整体的减少量变化较小，这是由于随着压边力的增大，叶片背弧最外层的主应变逐渐增大但变化趋势较小，且叶片背弧热成形与冷成型相比，板料在成形时变形抗力更低，在较小的压边力作用下就可以保证叶片进行较大程度的变形，使得塑形变形充分而回弹量较小，同时过大的压边力增大了零件减薄倾向和开裂的倾向。因此合适的压边力可以有效的控制材料的流动，使零件变形更加均匀化且获得较小的回弹量，从而提高叶片背弧的成形精度，综上所述，空心叶片背弧热成形较合适的压边力区间为500-900KN。

3.保压时间对最小厚度值及最大回弹量的影响

本文为研究热冲压成形叶片过程中不同的保压时间下对最小厚度值及最大回弹量影响规律，本次模拟保持加热温度T=900℃、摩擦系数µ=0.30、压边力F=500KN，保压时间按照每隔3min取值，即3min、6min、9min、12min、15min，其它模拟参数保持不变进行模拟，得到的最小厚度值及最大回弹量结果。

叶片背弧成形后的保压冷却时间对叶片厚度减薄率的影响较小，随着保压时间的增加，叶片背弧成形后的厚度基本上不发生变化，这是由于板料厚度减薄主要与材料塑形流动相关，而保压过程中基本上不发生塑形流动，只存在温度降低和板料的热收缩，但这两个因素基本上不影响板料厚度的变化。另一方面，叶片背弧的最大回弹量随着保压时间的增加而逐渐较小，这是由于随着保压时间的增加，叶片背弧出模的温度则越低，使得板料温度在空气中降温至室温的过程中释放的热应力也越小，因此引起的回弹就越小。但保压时间越久，叶片的单件生产所用时间则越长，保压时间过短时叶片表面温度过高造成实际生产操作不便。为了测量不同保压时间下的残余温度分布，以相同的平均间隔取叶片大头端与小头端各5个点测量其残余温度，得到的保压时间与叶片背弧测试点残余温度关系。综上，为保证叶片背弧保压后获得较小的回弹和较合适的出模温度，合适的保压时间区间为5-9min。

参考文献

[1]张翼鸣.法国SNECMA公司叶片加工技术[J].航空工艺技术.1998(02):21-23.

[2]王发成.空心叶片中复杂曲面的回弹控制与补偿研究[D].江南大学,2012.

[3]张春定，伍敏.变截面复杂型线空心静叶片成型工艺研究[J].东方汽轮机.2013(03):19-24.

作者简介：黄福天（1989.11—），男，黑龙江哈尔滨市人，硕士，研究方向：冲压工艺;

陈振强（1990.11-），男，黑龙江哈尔滨市人，学士，研究方向：钣金冲压成型