CN108062427B - 基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法。本发明通过数值模拟方法结合试验测试分析涡轮盘在锻造过程中的锻造速度对于残余应力分布的影响，并基于锻造速度对于残余应力的影响规律给出了一种梯度控速降低涡轮盘残余应力的新方法，从而提高涡轮盘的成形质量及服役寿命。本发明针对涡轮盘件残余应力问题，通过对其锻造过程进行数值建模分析涡轮盘件在锻造过程中每一阶段的应力应变以及温度场分布，揭示涡轮盘锻造过程中的流动规律、盘锻件内部的热力参数分布、载荷－行程/能量－行程曲线、模具工作应力等锻造工艺和模具设计过程中至关重要的信息。

Description

基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法。
背景技术
发动机尤其是商用发动机，其安全性、可靠性和耐久性的要求都明显高于军机，而且这些性能都主要取决于盘类件和叶片等核心部件，因此要求采用先进的材料和严格的制造工艺制备以上关键零件。涡轮盘作为发动机关键的热端部件，需要承受高温、高压以及复杂的交变载荷作用。
残余应力是指没有外力或外力矩作用时在物体内部存在且自身保持平衡的应力。涡轮盘在制造过程中由于温度、变形和材料相变的不均匀性，产生了不均匀的弹塑性变形，必然会产生残余应力。残余应力导致：1)制件力学性能，例如低周疲劳性能下降，影响发动机的安全性；2)后续加工中出现严重的加工变形，导致成品制件尺寸与设计尺寸发生偏差，影响发动机的性能；因此残余应力与加工变形的控制技术是航空发动机关键件制造过程的关键技术。
近年来，航空发动机涡轮盘锻造工艺的研究重点之一就是降低盘件的残余应力，提高涡轮盘的成形质量以及服役寿命。如何在塑性加工中采取有效的措施，在保证其成形性能前提下减低盘件整体的残余应力，降低装配误差并大幅度提高涡轮盘的疲劳寿命具有极其重要的实际意义与军事战略意义。
对于涡轮盘件锻件残余应力的问题，通过对其锻造过程进行数值建模分析涡轮盘件在锻造过程中每一阶段的应力应变以及温度场分布，揭示涡轮盘锻造过程中的流动规律、盘锻件内部的热力参数分布、载荷－行程/能量－行程曲线、模具工作应力等锻造工艺和模具设计过程中至关重要的信息。通过涡轮盘的锻造工艺数值模拟，获得涡轮盘锻造完成后整体残余应力分布云图，并获取锻造过程中各阶段的应力应变分布；通过计算不同锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，获得锻造速度对于残余应力的影响关系规律，并由此提出了梯度控速减低涡轮盘残余应力的新方法，通过数值模拟优化锻造阶段速率，降低盘件的残余应力，为涡轮盘残余应力的降低以及检测与标准制定提供数据参考。
国际上以及国内关于涡轮盘件锻件残余应力已有大量研究。但大多数都是采用检测的方法，残余应力的检测过程中存在不同检测设备以及检测深度限制等的原因导致的检测结果不准确以及成本过高等问题。
在涡轮盘的锻造过程中，锻造速度对于其残余应力具有重要的影响，传统的涡轮盘锻造工艺中只考虑成形控制，因此采取均等锻造速度，随着发动机性能以及涡轮盘疲劳服役性能要求的提高，涡轮盘的制造工艺逐渐由控形研究上升为控性研究，而通常的等速锻造工艺已经不能满足涡轮盘锻造工艺中控性的要求，迫切需要改革现有锻造工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法。以解决目前航空发动机涡轮盘锻造过程残余应力大，影响尺寸装配以及涡轮盘疲劳服役寿命的情况。
本发明的技术解决方案是：通过数值模拟方法结合试验测试分析涡轮盘在锻造过程中的锻造速度对于残余应力分布的影响，并基于锻造速度对于残余应力的影响规律降低涡轮盘锻造残余应力的方法步骤是，
a)运用三维造型软件建立涡轮盘初始坯料以及锻造模具的三维几何模型，并建立模具与初始坯料之间的装配关系；
采用Catia或者UG软件建立涡轮盘锻造模具及初始坯料的三维几何模型，根据锻造过程中上模、下模以及初始坯料的空间几何定位关系建立三者之间的装配关系，设定上模、下模以及初始坯料的初始几何接触条件。
b)采用有限元分析软件Deform或Abaqus或其他通用有限元分析软件对涡轮盘锻造成形过程进行数值建模，采用有限元法离散坯料弹塑性体，建立残余应力计算数值分析模型，根据实际工况设置边界条件并进行模拟计算；实际工况包括：轮盘件初始坯料尺寸形状、初始坯料近等温锻造、模具设备加热温度、润滑条件及锻造速度，将步骤a)中的模型导入有限元分析软件Deform或Abaqus或其他通用有限元分析软件，导入后，分别对轮盘件初始坯料及锻造模具进行网格划分；其中，轮盘件初始坯料为塑性体，模具为刚体，坯料采用四面体或六面体单元，定义网格重划分与自适应特征。在涡轮盘材料特性中定义热导率、热扩散率、比热容、线膨胀系数、弹性性能和氧化速率的函数关系；定义热交换边界条件，并设置运动几何特征，运用该数值模型计算不同锻造速度情况下涡轮盘残余应力的分布特征；
c)在上述数值分析模型基础上，选取实际锻造速度范围为0.1mm/s～25mm/s，计算不同锻造速度对于涡轮盘残余应力的影响关系规律，获取不同锻造速度对于涡轮盘残余应力影响关系曲线；
d)利用上述步骤b)所述分析模型及步骤c)所得的不同锻造速度对于涡轮盘残余应力影响关系曲线计算结果，根据曲线导数为零的拐点及锻造火次，确定梯度控速分界点，通过计算梯度锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，给出最优的梯度控速参数区间值。
所述步骤a)、b)中数值分析有限元软件选择Deform或Abaqus用于涡轮盘锻造成形工艺过程残余应力分布，根据等效应力计算结果综合分析不同锻造速度对于涡轮盘残余应力分布的影响。
本发明具有的优点和有益效果
本发明针对涡轮盘件残余应力问题，通过对其锻造过程进行数值建模分析涡轮盘件在锻造过程中每一阶段的应力应变以及温度场分布，揭示涡轮盘锻造过程中的流动规律、盘锻件内部的热力参数分布、载荷－行程/能量－行程曲线、模具工作应力等锻造工艺和模具设计过程中至关重要的信息。通过涡轮盘的锻造工艺数值模拟，获得涡轮盘锻造完成后整体残余应力分布云图，并获取锻造过程中各阶段的应力应变分布；通过计算不同锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，获得锻造速度对于残余应力的影响关系规律曲线，根据曲线导数为零的拐点及锻造火次，确定梯度控速分界点，计算梯度锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，最终给出最优的梯度控速参数区间值，从而满足涡轮盘锻造工艺中控性的要求。本发明是一种切实有效的降低涡轮盘锻造过程中残余应力的方法，本发明提出的梯度控速法可以大幅度降低涡轮盘件锻造过程中的残余应力，减少残余应力预测不准确而导致的尺寸偏差，同时有力提高涡轮盘件的疲劳服役寿命，减少盘件残余应力检测费用及耗时周期长等问题，对于实际的涡轮盘残余应力可控锻造工艺设计与改进优化具有十分重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明算例中的涡轮盘尺寸与三维模型图，其中图1a为涡轮盘截面尺寸图；图1b为模拟盘件上下模具三维造型图；
图2为模拟盘几何模型与网格划分；
图3为模拟盘锻造过程的等效应力分布；
图4为不同锻造速度的模拟盘锻后残余应力分布云图；其中图4(a)锻造速度为0.5mm/s，图4(b)为1mm/s；
图5为锻造速度与残余应力最大值的关系规律曲线；
图6为梯度控速与残余应力的计算分析结果，其中图6(a)为梯度锻造速度，图6(b)为涡轮盘残余应力分布曲线。
具体实施方式
通过数值模拟方法结合试验测试分析涡轮盘在锻造过程中的锻造速度对于残余应力分布的影响，给出锻造速度与残余应力的影响规率，并根据锻造速度与残余应力的影响曲线提出了优化的阶梯锻造速度，从而降低涡轮盘在锻造过程中的残余应力，其过程包括以下步骤：
a)运用三维造型软件建立涡轮盘初始坯料以及锻造模具的三维几何模型，并建立模具与初始坯料之间的装配关系；
三维造型软件可以采用Catia或者UG软件，建立涡轮盘锻造模具及初始坯料的三维几何模型，根据锻造过程中上模，下模以及初始坯料的空间几何定位关系建立三者之间的装配关系，设定初始几何接触条件；
b)采用有限元分析软件Deform或Abaqus对涡轮盘锻造成形过程进行数值建模，采用有限元法离散坯料弹塑性体，建立残余应力计算数值分析模型，根据实际工况设置边界条件并进行模拟计算；
采用有限元分析软件Deform或Abaqus或其他通用有限元分析软件对涡轮盘锻造成形过程进行数值建模，采用有限元法离散坯料弹塑性体，建立残余应力计算数值分析模型，根据实际工况设置边界条件并进行模拟计算；实际工况包括：轮盘件初始坯料尺寸形状、初始坯料近等温锻造、模具设备加热温度、润滑条件及锻造速度，将步骤a)中的模型导入有限元分析软件Deform或Abaqus或其他通用有限元分析软件，导入后，分别对轮盘件初始坯料及锻造模具进行网格划分；其中，轮盘件初始坯料为塑性体，模具为刚体，坯料采用四面体或六面体单元，定义网格重划分与自适应特征。在涡轮盘材料特性中定义热导率、热扩散率、比热容、线膨胀系数、弹性性能和氧化速率的函数关系；定义热交换边界条件，并设置运动几何特征，运用该数值模型计算不同锻造速度情况下涡轮盘残余应力的分布特征；
c)在上述数值分析模型基础上计算不同锻造速度对于涡轮盘残余应力的影响关系规律，选取锻造速度范围为0.1mm/s～25mm/s；
d)利用上述步骤b)所述分析模型及步骤c)所得的不同锻造速度对于涡轮盘残余应力影响关系曲线计算结果，根据曲线导数为零的拐点及锻造火次，确定梯度控速分界点，通过计算梯度锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，给出最优的梯度控速参数区间值。
实施例
本算例中，对图1所示的涡轮盘成形工艺进行研究，盘件直径为311mm，其截面二维图如图1(a)所示。根据涡轮盘的成形尺寸，考虑涡轮盘件几何特征与体积，设计其锻造过程的上下模具几何特征，如图1(b)所示。
考虑锻造模具以及涡轮盘件的中心对称性，该涡轮盘锻造过程数值模拟在Deform2D中进行，只选取涡轮盘件及锻造模具的轴向截面进行分析。涡轮盘件初始坯料采用圆柱型坯料，近等温锻造温度为1010℃，模具设备加热温度为930℃，涂抹专用润滑剂。几何模型创建中，将模具及坯料二维尺寸图导入Deform 2D中以后，需要分别对圆柱坯料及锻造模具进行网格划分。其中，圆柱坯料为塑性体，模具为刚体，坯料采用8920个四边形面单元，并定义网格重划分与自适应特征，几何模型及网格划分如图2所示。本次算例中选取涡轮盘材料为变形高温合金IN718，并定义其热导率、热扩散率、比热容、线膨胀系数、弹性性能、氧化速率相关函数关系；定义热交换边界条件，并设置运动几何特征，运用该数值模型计算不同锻造速度情况下涡轮盘残余应力的分布特征。
当锻造速度设定为恒定的0.5mm/s时，涡轮盘热锻过程中的坯料残余应力值分布如图3所示。可见随变量的增加，涡轮盘坯料上的残余应力值逐渐增加，尤其在坯料与模具接触区域以及模具形腔内曲率较大区域残余应力值较大。残余应力的存在会影响涡轮盘的尺寸稳定性、抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能以及静态力学性能等，因此必须在一定范围从制造工艺参数域的优化上来控制残余应力。
图4为不同锻造速度的模拟盘锻后残余应力分布云图；其中图4(a)锻造速度为0.5mm/s，图4(b)为1mm/s，可见锻造速度不同时，涡轮盘最终的残余应力分布会存在差异。通过多轮次计算不同锻造速度下，即锻造速度范围为0.01mm/s～25mm/s情况下涡轮盘的残余应力，得出锻造速度与每一锻造速度下对应的残余应力最大值的关系规律，如图5所示。
根据图5计算结果，选取曲线导数为零的拐点及锻造火次，确定梯度控速分界点，通过计算梯度锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，给出最优的梯度控速参数区间值。图6(a)为该涡轮盘在锻造过程中采取的梯度锻造速度，图6(b)为在该梯度锻造速度条件下涡轮盘锻造完成后的最终残余应力分布，对比图4可见，梯度速度的控制可以明显降低盘件残余应力值，残余应力最大值降低了28.2％，且最大载荷低于均速锻造条件下的最大锻造载荷值，最高载荷降低50％以上。经过多组锻造速度模型计算对比分析，最终给出了梯度锻造速度的最优区间为[0,20s]2mm/s,[20s,40s]1mm/s,[40s,60s]0.5mm/s.
从该实施例可以看出，涡轮盘在锻造过程中的工艺参数会直接影响锻造完成后的残余应力，其中最为重要的影响因素就是锻造速度，采取数值模拟方法可以计算分析不同锻造速度盘件的残余应力，给出其相互影响规律，并基于此提出了梯度控速降低盘件残余应力的方法，给出了该涡轮盘梯度锻造速度的最优区间。
本发明是一种切实有效的通过数值计算降低涡轮盘锻造过程中残余引力的方法，本发明提出的梯度控速法可以大幅度降低涡轮盘件锻造过程中残余应力预测不准确而导致的尺寸偏差，同时有力提高涡轮盘件的疲劳服役寿命，减少盘件残余应力检测费用及耗时周期长等问题，对于实际的涡轮盘残余应力可控锻造工艺设计与改进优化具有十分重要的指导意义。该方法不仅适用于本算例中IN718涡轮盘锻造过程残余应力计算与控制，也适用于任意涡轮盘用金属材料在锻造过程中残余应力的计算与控制优化技术。

Claims (3)

1.一种基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法，其特征在于，通过数值模拟方法结合试验测试分析涡轮盘在锻造过程中的锻造速度对于残余应力分布的影响，并基于锻造速度对于残余应力的影响规律降低涡轮盘锻造残余应力的方法步骤是，
a)运用三维造型软件建立涡轮盘初始坯料以及锻造模具的三维几何模型，并建立模具与初始坯料之间的装配关系；
b）采用有限元分析软件Deform或Abaqus或其他通用有限元分析软件对涡轮盘锻造成形过程进行数值建模，采用有限元法离散坯料弹塑性体，建立残余应力计算数值分析模型，根据实际工况设置边界条件并进行模拟计算；实际工况包括：轮盘件初始坯料尺寸形状、初始坯料近等温锻造、模具设备加热温度、润滑条件及锻造速度，将步骤a）中的模型导入有限元分析软件Deform或Abaqus或其他通用有限元分析软件，导入后，分别对轮盘件初始坯料及锻造模具进行网格划分；其中，轮盘件初始坯料为塑性体，模具为刚体，坯料采用四面体或六面体单元，定义网格重划分与自适应特征；在涡轮盘材料特性中定义热导率、热扩散率、比热容、线膨胀系数、弹性性能和氧化速率的函数关系；定义热交换边界条件，并设置运动几何特征，运用该数值模型计算不同锻造速度情况下涡轮盘残余应力的分布特征；
c)在上述数值分析模型基础上，选取实际锻造速度范围为0.1mm/s~25mm/s，计算不同锻造速度对于涡轮盘残余应力的影响关系规律，获取不同锻造速度对于涡轮盘残余应力影响关系曲线；
d) 利用上述步骤b)所述分析模型及步骤c)所得的不同锻造速度对于涡轮盘残余应力影响关系曲线计算结果，根据曲线导数为零的拐点及锻造火次，确定梯度控速分界点，通过计算梯度锻造速度下涡轮盘的残余应力分布，给出最优的梯度控速参数区间值。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法，其特征在于，采用Catia或者UG软件建立涡轮盘锻造模具及初始坯料的三维几何模型，根据锻造过程中上模、下模以及初始坯料的空间几何定位关系建立三者之间的装配关系，设定上模、下模以及初始坯料的初始几何接触条件。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法，其特征在于，所述步骤b)中数值分析有限元软件选择Deform或Abaqus用于涡轮盘锻造成形工艺过程残余应力分布，根据等效应力计算结果综合分析不同锻造速度对于涡轮盘残余应力分布的影响。
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