GH4169合金在-253～700℃綜合性能好，溫度范圍650℃變形高溫合金具有以下屈服強度，耐輻射、耐氧化、耐腐蝕，加工焊接性能好。能制造形狀復雜的零件 合金的另一個特點是合金組織對熱加工工藝特別敏感，掌握組織與工藝和性能之間的相互分析和溶解規(guī)律，可以根據(jù)不同的使用要求制定合理可行的工藝程序，獲得能夠滿足不同強度水平和使用要求的零件。長期使用機箱等部件。 GH4169 化學成分： GH4169物理性能： GH4169特性： GH4169是Ni-Cr-Fe溫度范圍-235°C～650°C,短期使用溫度可達8000°C。合金在650°C以下強度較高 ，抗疲勞性好﹑抗輻射﹑耐氧化、耐腐蝕、加工性能好﹑焊接性能和長期組織穩(wěn)定性。 GH4169 應用:合金已用于制造航空發(fā)動機、環(huán)件、機箱、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃氣導管、密封元件、焊接結構件等。 使用的各種彈性元件和格架；在石油和化工領域使用的各種零件。 GH4169 葉片冷軋成形過程數(shù)值模擬分析 摘 要：用于航空發(fā)動機 GH4169 以五級葉片冷軋工藝為研究對象，應用 DEFORM 二次開發(fā)子程序，添加適合分析高溫合金塑性變形的有限元軟件 CHABOCHE 本結構模型，然后根據(jù)實際工況模擬輥軋工藝的數(shù)值，最大輥軋力和延伸量符合實際經(jīng)驗值，驗證了模擬模型的準確性。對葉片輥軋過程中的材料流動進一步分析，探討了摩擦系數(shù)和輥速對葉片輥軋力的影響。 結果表明，輥軋力在初始階段穩(wěn)定，當軋制到葉體時 2/3 附近，由于后滑，輥軋力迅速增加 40%；摩擦系數(shù)對輥軋力和輥軋力矩影響較大，摩擦系數(shù)為 0.12 和 0.4 當兩者最大輥軋力相差時 20.2%，軋輥對輥軋力影響不大。 引言 輥軋工藝廣泛應用于高溫合金葉片加工，克服了傳統(tǒng)加工方法周期長、材料利用率低的缺點[1]。 航空發(fā)動機葉片具有截面變化、弦寬、扭角等特點，其冷軋加工工藝屬于不穩(wěn)定變形工藝，工藝難以控制，使葉片工藝設計前滑、壓力、寬度參數(shù)難以準確計算，實際生產(chǎn)葉片容易形成弓背、模具壽命低、葉片軋制狀態(tài)不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低，也嚴重影響產(chǎn)品設計和生產(chǎn)周期[2]。 目前，葉片輥軋工藝優(yōu)化研究主要依靠經(jīng)驗公式或實驗分析，但經(jīng)驗公式誤差大，部分環(huán)節(jié)不可靠，實驗需要大量的人力物力，工作量大，成本高，計算機輔助分析方法成為更有效的解決方案。采用相關實驗或計算公式進行輥軋模擬和驗證，可以有效深入地研究輥軋成型和關鍵工藝參數(shù)的影響，從而優(yōu)化工藝，提高葉片加工質量。采用相關實驗或計算公式進行輥軋模擬和驗證，可以有效深入地研究輥軋成型和關鍵工藝參數(shù)的影響，從而優(yōu)化工藝，提高葉片加工質量。 金屬成型有限元法分為彈性塑性有限元法和剛性塑性有限元法。冷軋中彈性變形占總變形的比例很小。剛性塑性有限元法的應用可以更有效地分析和計算。DEFORM-3D 它是一種基于剛塑性本構關系的有限元分析軟件，廣泛應用于大塑性變形分析，適用于葉片輥軋過程的分析。 2 CHABOCHE 模型二次開發(fā) GH4169 是沉淀硬化鎳基高溫合金，國際品牌Inconel718廣泛應用于航空航天、核工業(yè)等高科技產(chǎn)業(yè)的深冷高溫場合。CHABOCHE 屬于粘彈性塑性統(tǒng)一結構模型，經(jīng)過不斷的理論優(yōu)化和實踐驗證，可以更可靠地分析高溫和各種循環(huán)載荷下的塑性變形[3]，更適合描述高溫合金葉片塑性變形[4-5]的機械性能 CHABOCHE 本構方程有多種數(shù)學表達形式[]，本研究所涉及的本構方程主要包括以下項目 對葉片材料 GH4169 與循環(huán)硬化相關的建模和簡化有關 CHABOCHE 模型包含 11 其中，K，n 材料率敏感特性常數(shù)；a，c 相關背應力演化參數(shù)；Q，b，k 初始屈服強度和各向同性硬化參數(shù)。如表 1 作者通過拉伸試驗、對稱和非對稱加載試驗，并使用相關參數(shù)值 L-M 獲得非線性優(yōu)化算法。如表 1 作者通過拉伸試驗、對稱和非對稱加載試驗，并使用相關參數(shù)值 L-M 獲得非線性優(yōu)化算法。 將上述公式(1)~公式(3)嵌入到用戶子程序中，并定義相關的自變量，以便在滾動過程中查看這些變量的變化，成為整個有限元程序運行的一部分。項目共 4 個子程序（USRMTR、USRUPD、USR、USRMSH），計算自定義單元和節(jié)點變量，存儲數(shù)據(jù)等功能，包括變量賦值。 3 設置模擬參數(shù) 在生產(chǎn)中選擇航空發(fā)動機 GH4169 五級葉片，輥軋狀態(tài)如圖所示 1 所示。葉片寬度為 30mm，葉體厚度不均勻，其中最薄的部位約為 0.4mm。 由于研究對象是葉片，模具設置為剛體[8]，滾動過程網(wǎng)格變化劇烈，需要不斷劃分網(wǎng)格重量，綜合考慮計算精度和效率，選擇四面體進行網(wǎng)格劃分，采用軟件局部網(wǎng)格細化功能，網(wǎng)格密度設置為 0.6.并設置詳細的比例 0.最終單元數(shù)為01 18536 一、最小單元約 0.3mm。 運動過程分為 2 部分，首先，軋輥被迫咬入胚料，兩個軋輥相互平動，盆模速度 10mm/s，背模靜止，步長設置為 0.1mm，總步數(shù) 100 步驟；然后軋輥旋轉，使坯料通過形槽形成葉片形狀，這部分設置在第一位 1 部運行后，重新打開 DB 在運算末步的基礎上，在運動設置的旋轉選項中，輸入輥的速度為0.8rad/s，設置兩輥速轉向相反，總時間為 1s。 邊界約束條件是限制榫頭部分，限制部分自由度。在平移過程中，限制榫頭四個表面胚胎材料的延伸方向和寬度方向的平移自由度；在滾動旋轉過程中，限制榫頭四個表面胚胎材料的寬度方向和壓力方向的平移自由度。同時，使用軟件自帶的Active inmeshing設置體積補償[9]，摩擦系數(shù)選擇剪切摩擦模型[10] 4 結果分析 取坯料上的 4 如圖所示 2 所示，其中 P1 點位于開始咬入位置，P2 點位于穩(wěn)定輥軋區(qū)，P3、P4 位于葉體末端。4 點坐標依次為，P（1 0，0，0）；P（2 0，0，9）；P（3 0，0，17.5）；P（4 0，0，25）。 滾動過程中，模具擠壓葉片胚胎材料，使葉片材料沿縱向和橫向流動，其出口速度>圓周速度>進口速度，從模擬結果可以看出，整個葉片滾動過程前后滑嚴重影響塑性變形過程，垂直總延伸約為 5.3mm，約占葉體長度 20%與實際情況一致。 同時，由于后滑，材料在葉片上堆積 2/3 在生產(chǎn)在葉片工藝設計中必須充分考慮前后滑動的影響，研究葉片輥軋過程中的材料流動可以為預防缺陷提供思路。 轉速 0.8rad/s、摩擦系數(shù) 0.12 如圖3所示 4 所示。 轉速 0.8rad/s、摩擦系數(shù) 0.12 如圖3所示 4 所示。對最大輥軋力和最大輥軋力矩值進行分類。相應的值是根據(jù)相對成熟的工程經(jīng)驗公式計算的，比如表 2 所示： 最大輥軋力與最大輥軋力矩的模擬計算值與工程經(jīng)驗計算值相差不大。由于實際工況下多個參數(shù)無法控制，可以認為兩者的計算結果基本相同 CHABOCHE 模擬本構模型的計算結果更可信。 輥軋初期，輥軋力在 100000N 附近波動穩(wěn)定，隨著輥軋后期，輥軋力和輥軋扭矩迅速增加，通過分析，相關現(xiàn)象是滑動材料積累的結果，隨著軋制，材料逐漸積累到葉片滑動區(qū)，導致軋制區(qū)厚度增加，壓力逐漸增加，輥軋力增加。 4.1 摩擦系數(shù)影響分析 在冷軋過程中，盆模和背模擠壓葉片胚，摩擦系數(shù)必然會影響葉片的形成。在實際生產(chǎn)中，由于模具表面狀態(tài)，容易造成設備故障和產(chǎn)品缺陷，因此摩擦系數(shù)的分析對葉片的形成起著重要作用。0.12和00摩擦系數(shù).如圖5所示，4工況下的輥軋力對比。如圖所示，在輥軋力的最大位置，兩個摩擦系數(shù)輥軋力的差異 171963-143006=28957N，達到 20.2%輥軋過程平均輥軋力對比 112064-105237=6827N，摩擦系數(shù)由 0.12 到 0.四、輥軋力增加 6.5%，摩擦系數(shù)對輥軋力影響較大。降低摩擦系數(shù)有利于降低輥軋力，采用各種加工方法提高模具表面粗糙度，改善潤滑，可降低輥軋所需設備噸位，延長盆模背模在軋制過程中的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。 實際生產(chǎn)中的重要問題。取摩擦系數(shù) 0.12，軋輥轉速 2rad/s 分析，得到的輥軋力變化如圖所示 6 所示。最大輥軋力為 144112N，與轉速0.8rad/s 比較工況下最大輥軋力，差異 144112-143006=1106N，平均輥軋力差 106397-105237=1160N，增大約 1%。軋輥轉速增加 在67%的情況下，輥軋力只會增加 1%，所以在保證葉片成型質量的同時，可以選擇較大的軋輥速度來提高工作效率，不需要過多考慮軋輥力。 4 結論 通過二次開發(fā) CHABOCHE 嵌入材料模型 DEFORM-3D在軟件中，對航空發(fā)動機葉片軋制過程進行了模擬分析，比較了最大輥軋力和延伸量的模擬值和工程經(jīng)驗值，模擬結果更可信。 (1)葉片軋制過程中，前后滑嚴重影響塑性變形過程，整個模擬過程的延伸量達到 大約20%與實際情況一致。 (2)葉片輥軋初期輥軋力和扭矩相對穩(wěn)定，當軋制至葉體時 2/3 處輥軋力和輥軋力矩顯著增加，其中輥軋力增加約 40%。 (3)摩擦系數(shù)對輥軋力和輥軋力矩影響較大，摩擦系數(shù) 0.12 和 0.4 兩者最大輥軋力差 降低摩擦系數(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。 (4)軋輥轉速對軋輥軋力和軋輥扭矩影響不大。在一定范圍內，軋輥轉速增加 輥軋力僅增加67% 因此，為了生產(chǎn)效率，可以選擇合適的軋輥速度。