一种基于三维静电场模拟的预制坯设计新方法

　　相似与类似是自然界存在的两种基本特性,它们是模拟理论的客观基础,无论是力场、静电场、磁场还是热流场等,一般都可以用数学上的相同场方程来描述[1]。因此,根据这一相似性原理,通过适当的构造,金属塑性成形过程中材料内质点运动的速度场等就可以与静电场具有相同的场方程,即可以用相似的静电场来描述材料的流动特性。利用塑性变形过程中坯料的流动轨迹类似于静电场中的等势线分布这一规律,就可以从材料变形终了形态反推出成形件的初始形态(预制坯)。

　　预成形设计是锻造工艺设计中的重要内容之一,预制坯与终锻件形状关联性强,直接影响着金属的变形特征,从而影响到成形件的最终形状和成形质量[2, 3]。如何设计合理的预制坯形状是生产合格终锻件的关键,也是模具设计的难点之一[4]。近年来,采用基于静电场模拟的预制坯外形设计方法开始在工程中得到应用。Lee[5]首先将电场设计预制坯的方法应用于盘件设计,张仁鹏[6]采用静电场模拟确定了粉末高温合金盘件的预锻模型腔基本形状,李超[7]采用类等势场反推法对TC4合金的板料胀形工艺进行了模拟,肖军等[8]对轴对称件超塑性气压胀形过程进行了电场模拟。但现有基于静电场的预制坯设计方法均在二维条件下应用,难以模拟复杂形状锻件,极大地限制了该方法的工程应用。笔者以某TC4合金叶片为例,提出了一种基于三维静电场模拟的预制坯设计新方法。该方法可以直接反应三维坯料成形过程中的实际变形特征,并以此为依据设计预制坯,从而使坯料的成形过程更趋理想状态,并能降低成形载荷,节约原材料,提高终锻件性能。

　　1　三维静电场模拟

　　图1为某型叶片CAD实体图,叶片包含榫头、叶身和阻尼台。叶片总长为200 mm,叶身宽度为54 mm,叶身厚度为10 mm,上下阻尼台垂直高度为46 mm,叶片尺寸变化大,结构复杂,其上下两面有非对称的阻尼台,榫头与叶身连接处有一斜肋,同时叶背连接榫头的部位有一方形凸起,在叶尖部分还有两个外形与阻尼台相似的凸起。按照传统的设计方法在实际生产中极易出现充填不满及折叠等缺陷。

　　叶片锻件的原材料为 40 mm圆棒料,根据体积相等原则,计算出原始棒料的长度为150 mm。现将终锻件沿分模面分成上下两部分,即叶盆和叶背,其中叶背占总体积的70%,叶盆占总体积的30%。根据体积相等原则,将原始坯料按照7∶3分成上下两块,为了能够更精确地分析坯料的变形特征,按照1∶1比例建模。将坯料与终锻件之间留出一定的空间,形成静电等势线。坯料与终锻件之间的距离并不影响等势线的分布,只影响等势线之间的距离。针对同一个终锻件,坯料距离终锻件越远,形状也越简单,尺寸也越大。因此,坯料与终锻件之间的距离应以终锻件形状的复杂程度为基准,以能够在坯料和终锻件之间产生合适的等势线为原则。如距离过近,则坯料与终锻件所形成的空间就过小,产生等势线的间隔过密,就不利于等势线的选取;若距离过大,则等势线间隔过宽,也不利于等势线的选取。笔者参照传统静电场预制坯设计规则[6, 8],确定出的坯料与终锻件间的距离为阻尼台顶部至分模面距离的两倍。此外,由于锻件本身带有较多圆弧过渡角,在设计中会造成网格过细与计算量过大。因此,设计时,在不影响精度的情况下,将较小的圆弧过渡角简化,待设计出预制坯轮廓后再添加圆弧过度。如图2所示,将终锻件边界及连接终锻件与坯料的外围轮廓赋以0 V电压,坯料边界赋以1 V电压,其中图2(a)为叶背部分,图2(b)为叶盆部分。采用ANSYS有限元软件对该三维静电场进行模拟,并得到静电场分布。