航空发动机回转类锻件充填性与变形均匀性优化控制

摘要

随着现代航空技术的快速发展，航空发动机回转类锻件的结构变得更加复杂，采用传统的经验法与试错法对其成形工艺方案进行设计难以保证锻件的充填性和变形均匀性，常出现局部折叠、充填不满以及粗晶与混晶等缺陷。为此论文首先设计一种适用于大高径比棒料镦粗的模具，以确保航空发动机回转类锻件坯料性能的稳定性。然后结合预锻件基本形状的设计与成形工艺参数的优化，以及锻件变形均匀性预测模型的建立，制定充填性与变形均匀性的优化策略。论文结合数值模拟和实际生产试制对以下几个方面开展了研究：　　首先，设计一种能控制大高径比棒料镦粗失稳的带浮动平砧模具。针对航空发动机锻件制坯失稳的问题，设计一种带浮动平砧的模具结构，并通过数值模拟对其成形规律进行探究。结果表明，圆筒加热至400℃，减小摩擦系数至0.5以内，上下模速度比控制在1.5，该模具能有效控制多个规格大高径比棒料的失稳。　　其次，以锻件难充填部位等效应变值为充填性评价指标，制定了航空发动机回转类锻件充填性优化策略。首先分析圆盘类、轴颈类与锥壁类锻件的结构特征与成形难点，总结两种预锻件基本形状设计方法的特点与适用性，再以锻件难充填部位等效应变值为充填性评价指标，结合DEFORM DOE模块优化成形工艺参数，制定了航空发动机回转类锻件充填性的优化策略。　　再者，基于智能算法建立变形均匀性预测模型，制定了航空发动机回转类锻件变形均匀性优化策略。以预锻件关键几何参数为设计变量，编写程序从模拟文件中自动提取变形均匀性评价指标作为输出目标，结合遗传算法与支持向量回归机建立变形均匀性预测模型，制定了航空发动机回转类锻件变形均匀性的优化策略。　　最后，以实际生产试制验证充填性与变形均匀性优化策略的有效性。以低压涡轮转子支撑锥壁为例，首先分析原始方案充填不满，变形不充分的原因，对预锻件基本形状进行修改，再采用DOE模块优化成形工艺参数，最后建立锻件变形均匀性预测模型。对比原始方案与优化方案的试制结果与理化检测结果表明，所提出的优化策略能有效改善锻件的充填性和变形均匀性。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 航空发动机用材料的应用与研究现状

1.2.1高温钛合金的应用与研究概况

1.2.2镍基高温合金的应用与研究概况

1.3.1 制坯失稳的控制

1.3.2 锻件预成形的优化设计

1.4.1 研究目的

1.4.2 主要研究内容

2带浮动平砧模具结构的设计

2.1.1 圆筒约束模具

2.1.2“帽子”约束模具

2.2带浮动平砧模具结构设计

2.3带浮动平砧模具镦粗成形规律分析

2.3.1 上模与下平砧运行速度的选择

2.3.2 摩擦系数对棒料成形的影响

2.3.3 温度对棒料成形的影响

2.3.4 不同高径比棒料镦粗成形模拟结果

2.4 本章小结

3航空发动机回转类锻件充填性优化

3.1.1 航空发动机回转类锻件的结构特征

3.1.2 航空发动机回转体锻件的工艺流程

3.1.3锻件局部折叠与充填不满原因分析

3.2 预锻件基本形状设计方法

3.2.1对称法

3.2.2随形设计法

3.3 基于DEFORM DOE模块的工艺参数优化

3.3.1 DEFORM DOE的特点与优势

3.3.2设计变量的定义

3.3.3 DOE输出目标的定义

3.3.4 DOE后处理结果分析

3.4 本章小结

4 基于 GA-SVR模型的变形均匀性优化控制

4. 1 GA-SVR模型结构及原理

4.1.1支持向量回归机（SVR）与遗传算法（GA）

4.1.2 GA-SVR变形均匀性预测模型总体框架

4. 2 样本模拟模块

4. 3评价指标的提取与总目标函数的建立

4. 4 支持向量回归模型的优化

4.5本章小结

5 低压涡轮转子支撑锥壁充填性与变形均匀性优化

5.1低压涡轮转子支撑锥壁原始方案生产结果分析

5.1.1 低压涡轮转子支撑锥壁

5.1.2低压涡轮转子支撑锥壁原始方案试制结果

5.1.3低压涡轮转子支撑锥壁原始方案成形缺陷原因分析

5.2低压涡轮转子支撑锥壁的工艺优化设计

5.2.1 锻件充填性的优化

5.2.2 变形均匀性的优化控制

5.3低压涡轮转子支撑锥壁优化方案生产试制与性能检测

5.3.1 锻件实际生产试制

5.3.2 锻件性能检测结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B. 学位论文数据集

致谢