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(qiáng)度，耐輻射、耐氧化、耐腐蝕，加工焊接性能好。能制造形狀復(fù)雜的零件 合金的另一個(gè)特點(diǎn)是合金組織對(duì)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(qiáng)度水平和使用要求的零件。長(zhǎng)期使用機(jī)箱等部件。 GH4169 化學(xué)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(dá)8000°C。合金在650°C以下強(qiáng)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(zhǎng)期組織穩(wěn)定性。 GH4169 應(yīng)用:合金已用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)件、機(jī)箱、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃?xì)鈱?dǎo)管、密封元件、焊接結(jié)構(gòu)件等。 使用的各種彈性元件和格架；在石油和化工領(lǐng)域使用的各種零件。 GH4169 葉片冷軋成形過(guò)程數(shù)值模擬分析 摘 要：用于航空發(fā)動(dòng)機(jī) GH4169 以五級(jí)葉片冷軋工藝為研究對(duì)象，應(yīng)用 DEFORM 二次開(kāi)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(jié)構(gòu)模型，然后根據(jù)實(shí)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)值，驗(yàn)證了模擬模型的準(zhǔn)確性。對(duì)葉片輥軋過(guò)程中的材料流動(dòng)進(jìn)一步分析，探討了摩擦系數(shù)和輥速對(duì)葉片輥軋力的影響。 結(jié)果表明，輥軋力在初始階段穩(wěn)定，當(dāng)軋制到葉體時(shí) 2/3 附近，由于后滑，輥軋力迅速增加 40%；摩擦系數(shù)對(duì)輥軋力和輥軋力矩影響較大，摩擦系數(shù)為 0.12 和 0.4 當(dāng)兩者最大輥軋力相差時(shí) 20.2%，軋輥對(duì)輥軋力影響不大。 引言 輥軋工藝廣泛應(yīng)用于高溫合金葉片加工，克服了傳統(tǒng)加工方法周期長(zhǎng)、材料利用率低的缺點(diǎn)[1]。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片具有截面變化、弦寬、扭角等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)前滑、壓力、寬度參數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算，實(shí)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(yán)重影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)分析，但經(jīng)驗(yàn)公式誤差大，部分環(huán)節(jié)不可靠，實(shí)驗(yàn)需要大量的人力物力，工作量大，成本高，計(jì)算機(jī)輔助分析方法成為更有效的解決方案。采用相關(guān)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算公式進(jìn)行輥軋模擬和驗(yàn)證，可以有效深入地研究輥軋成型和關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響，從而優(yōu)化工藝，提高葉片加工質(zhì)量。采用相關(guān)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算公式進(jìn)行輥軋模擬和驗(yàn)證，可以有效深入地研究輥軋成型和關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響，從而優(yōu)化工藝，提高葉片加工質(zhì)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(yīng)用可以更有效地分析和計(jì)算。DEFORM-3D 它是一種基于剛塑性本構(gòu)關(guān)系的有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于大塑性變形分析，適用于葉片輥軋過(guò)程的分析。 2 CHABOCHE 模型二次開(kāi)發(fā) GH4169 是沉淀硬化鎳基高溫合金，國(guó)際品牌Inconel718廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)等高科技產(chǎn)業(yè)的深冷高溫場(chǎng)合。CHABOCHE 屬于粘彈性塑性統(tǒng)一結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)過(guò)不斷的理論優(yōu)化和實(shí)踐驗(yàn)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(jī)械性能 CHABOCHE 本構(gòu)方程有多種數(shù)學(xué)表達(dá)形式[]，本研究所涉及的本構(gòu)方程主要包括以下項(xiàng)目 對(duì)葉片材料 GH4169 與循環(huán)硬化相關(guān)的建模和簡(jiǎn)化有關(guān) CHABOCHE 模型包含 11 其中，K，n 材料率敏感特性常數(shù)；a，c 相關(guān)背應(yīng)力演化參數(shù)；Q，b，k 初始屈服強(qiáng)度和各向同性硬化參數(shù)。如表 1 作者通過(guò)拉伸試驗(yàn)、對(duì)稱和非對(duì)稱加載試驗(yàn)，并使用相關(guān)參數(shù)值 L-M 獲得非線性優(yōu)化算法。如表 1 作者通過(guò)拉伸試驗(yàn)、對(duì)稱和非對(duì)稱加載試驗(yàn)，并使用相關(guān)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(guān)的自變量，以便在滾動(dòng)過(guò)程中查看這些變量的變化，成為整個(gè)有限元程序運(yùn)行的一部分。項(xiàng)目共 4 個(gè)子程序（USRMTR、USRUPD、USR、USRMSH），計(jì)算自定義單元和節(jié)點(diǎn)變量，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能，包括變量賦值。 3 設(shè)置模擬參數(shù) 在生產(chǎn)中選擇航空發(fā)動(dòng)機(jī) GH4169 五級(jí)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(duì)象是葉片，模具設(shè)置為剛體[8]，滾動(dòng)過(guò)程網(wǎng)格變化劇烈，需要不斷劃分網(wǎng)格重量，綜合考慮計(jì)算精度和效率，選擇四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用軟件局部網(wǎng)格細(xì)化功能，網(wǎng)格密度設(shè)置為 0.6.并設(shè)置詳細(xì)的比例 0.最終單元數(shù)為01 18536 一、最小單元約 0.3mm。 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為 2 部分，首先，軋輥被迫咬入胚料，兩個(gè)軋輥相互平動(dòng)，盆模速度 10mm/s，背模靜止，步長(zhǎng)設(shè)置為 0.1mm，總步數(shù) 100 步驟；然后軋輥旋轉(zhuǎn)，使坯料通過(guò)形槽形成葉片形狀，這部分設(shè)置在第一位 1 部運(yùn)行后，重新打開(kāi) DB 在運(yùn)算末步的基礎(chǔ)上，在運(yùn)動(dòng)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)選項(xiàng)中，輸入輥的速度為0.8rad/s，設(shè)置兩輥速轉(zhuǎn)向相反，總時(shí)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(guò)程中，限制榫頭四個(gè)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(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，限制榫頭四個(gè)表面胚胎材料的寬度方向和壓力方向的平移自由度。同時(shí)，使用軟件自帶的Active inmeshing設(shè)置體積補(bǔ)償[9]，摩擦系數(shù)選擇剪切摩擦模型[10] 4 結(jié)果分析 取坯料上的 4 如圖所示 2 所示，其中 P1 點(diǎn)位于開(kāi)始咬入位置，P2 點(diǎn)位于穩(wěn)定輥軋區(qū)，P3、P4 位于葉體末端。4 點(diǎn)坐標(biāo)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(dòng)過(guò)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(dòng)，其出口速度>圓周速度>進(jìn)口速度，從模擬結(jié)果可以看出，整個(gè)葉片滾動(dòng)過(guò)程前后滑嚴(yán)重影響塑性變形過(guò)程，垂直總延伸約為 5.3mm，約占葉體長(zhǎng)度 20%與實(shí)際情況一致。 同時(shí)，由于后滑，材料在葉片上堆積 2/3 在生產(chǎn)在葉片工藝設(shè)計(jì)中必須充分考慮前后滑動(dòng)的影響，研究葉片輥軋過(guò)程中的材料流動(dòng)可以為預(yù)防缺陷提供思路。 轉(zhuǎn)速 0.8rad/s、摩擦系數(shù) 0.12 如圖3所示 4 所示。 轉(zhuǎn)速 0.8rad/s、摩擦系數(shù) 0.12 如圖3所示 4 所示。對(duì)最大輥軋力和最大輥軋力矩值進(jìn)行分類(lèi)。相應(yīng)的值是根據(jù)相對(duì)成熟的工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的，比如表 2 所示： 最大輥軋力與最大輥軋力矩的模擬計(jì)算值與工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值相差不大。由于實(shí)際工況下多個(gè)參數(shù)無(wú)法控制，可以認(rèn)為兩者的計(jì)算結(jié)果基本相同 CHABOCHE 模擬本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果更可信。 輥軋初期，輥軋力在 100000N 附近波動(dòng)穩(wěn)定，隨著輥軋后期，輥軋力和輥軋扭矩迅速增加，通過(guò)分析，相關(guān)現(xiàn)象是滑動(dòng)材料積累的結(jié)果，隨著軋制，材料逐漸積累到葉片滑動(dòng)區(qū)，導(dǎo)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(guò)程中，盆模和背模擠壓葉片胚，摩擦系數(shù)必然會(huì)影響葉片的形成。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于模具表面狀態(tài)，容易造成設(shè)備故障和產(chǎn)品缺陷，因此摩擦系數(shù)的分析對(duì)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(duì)比。如圖所示，在輥軋力的最大位置，兩個(gè)摩擦系數(shù)輥軋力的差異 171963-143006=28957N，達(dá)到 20.2%輥軋過(guò)程平均輥軋力對(duì)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(duì)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(rùn)滑，可降低輥軋所需設(shè)備噸位，延長(zhǎng)盆模背模在軋制過(guò)程中的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。 實(shí)際生產(chǎn)中的重要問(wèn)題。取摩擦系數(shù) 0.12，軋輥轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速增加 在67%的情況下，輥軋力只會(huì)增加 1%，所以在保證葉片成型質(zhì)量的同時(shí)，可以選擇較大的軋輥速度來(lái)提高工作效率，不需要過(guò)多考慮軋輥力。 4 結(jié)論 通過(guò)二次開(kāi)發(fā) CHABOCHE 嵌入材料模型 DEFORM-3D在軟件中，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片軋制過(guò)程進(jìn)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(yàn)值，模擬結(jié)果更可信。 (1)葉片軋制過(guò)程中，前后滑嚴(yán)重影響塑性變形過(guò)程，整個(gè)模擬過(guò)程的延伸量達(dá)到 大約20%與實(shí)際情況一致。 (2)葉片輥軋初期輥軋力和扭矩相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)軋制至葉體時(shí) 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(duì)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(shí)意義。 (4)軋輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋輥軋力和軋輥扭矩影響不大。在一定范圍內(nèi)，軋輥轉(zhuǎn)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。