双锥薄壁铝合金件热挤压模拟探讨 本文关键词：薄壁，挤压，铝合金，探讨，模拟
双锥薄壁铝合金件热挤压模拟探讨 本文简介：摘要：用机械切削法制造铝合金双锥薄壁零件，材料浪费严重、生产效率低。本文采用热挤压对其成形。借助Deform-3D软件对挤压过程进行了数值模拟，分析了不同形状与尺寸的坯料对挤压载荷、等效应变分布的影响。利用模拟结果设计的模具与坯料进行了实际成形试验。结果表明，管状坯料为最佳的挤压坯料，热挤压可获得完
双锥薄壁铝合金件热挤压模拟探讨 本文内容：
摘要：用机械切削法制造铝合金双锥薄壁零件，材料浪费严重、生产效率低。本文采用热挤压对其成形。借助Deform-3D软件对挤压过程进行了数值模拟，分析了不同形状与尺寸的坯料对挤压载荷、等效应变分布的影响。利用模拟结果设计的模具与坯料进行了实际成形试验。结果表明，管状坯料为最佳的挤压坯料，热挤压可获得完好的铝合金双锥薄壁件。
关键词：铝合金；挤压成形；数值模拟；等效应变
铝和铝合金材料具有一系列的优良特性，如良好的成形性能、力学性能、物理性能以及工艺性能[1]。对于双锥薄壁零件，由于其服役须具有一定的强度要求，所以使用7A04铝合金。7A04属Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，是一种可热处理强化的超强铝合金，有良好的锻造性能[2-3]。另外，利用机械加工方法生产零件时，会造成材料的浪费，并且影响生产效率，难以满足大批量生产的需要[4]，所以选择热挤压成形，不仅节省了材料，而且降低了生产成本[5]。挤压成形是最重要的压力加工方法之一[6]。本文使用Deform-3D软件模拟各种双锥形薄壁铝合金零件的毛坯形状的成形过程，并预测成形结果。通过分析其挤压载荷随变形位移的变化曲线以及坯料的等效应变分布来确定最佳的坯料。
1模型的建立和模拟条件的设置
1.1模型的建立
双锥薄壁铝合金零件及其尺寸如图1所示。该零件的成形难点在于：底部圆台和顶部圆环与中间的锥壁过渡性较差，尺寸有一定差异，所以在它们的接触处容易出现金属填充不完全，金属流动不均匀等情况，造成缺陷。另外，两个倾斜的锥壁厚度仅有3.5mm，在挤压成形后期需要较大载荷。文献[7]研究表明，设计合理的坯料形状不仅可以改善零件的成形，使组织更加均匀，而且可以提高零件的力学性能。对于双锥薄壁零件，根据其形状特征，通过Pro/E软件计算后，初步确定三种坯料：内径31mm、外径55mm、高56.7mm的管状坯料；直径55mm、高38.7mm的圆柱坯料；内径15.24mm、外径81mm、厚18.5mm的圆环坯料。然后将用Pro/E绘制的模具与坯料的三维图形以STL格式导入Deform-3D中。为了提高效率，选取模型的1/6作为研究对象即可，但须设定好对称面。各个方案最终的模型图如图2所示。
1.2模拟条件的设置
采用等温挤压成形，挤压温度485℃，压头下压速度5mm/s，摩擦系数0.2。对坯料进行网格划分，最小单元尺寸0.6mm，最大尺寸比3，步长为0.2mm。对参数检查无误后，即可运行软件进行计算并得到结果。
2模拟结果与分析
2.1挤压力比较分析
采用Deform-3D软件可以得到模具在变形工件上所施加的载荷大小[8]。采用不同形状的坯料进行数值模拟后得到的挤压载荷随变形位移的变化曲线如图3所示。由图可知，在挤压初期，三种坯料随着上模向下运动时，由于挤压刚开始，还有很多空间可供坯料流动，所以载荷增加的都很缓慢。随着挤压过程的进行，圆环状坯料和管状坯料的金属流动方向出现分界线，此时它们的挤压载荷随变形位移的变化曲线出现略微波动，当挤压过程进行到上部圆环被坯料填满时，载荷开始快速增大，然后再开始填充下端圆台，此时由于圆台与壁部呈90°台阶过渡，有较大尺寸差异，并且摩擦会使塑性变形困难，所以载荷不仅快速增大并且伴有较为剧烈的波动。最终，坯料填满圆台部位，载荷达到最大值，挤压结束。圆柱状坯料受到挤压时，会先填充下部圆台，所以在坯料受挤压开始填充下部圆台时，金属流动方向会发生改变，坯料金属由向下流动变为向上流动，正挤压变为反挤压，载荷也逐渐增大。当挤压过程进行到坯料开始填充上部圆环时，由于上部圆环与上锥壁之间有尺寸差异，所以载荷的增加会有一定的波动。最终，坯料填满圆环部位，载荷达到最大值，挤压结束。由于反挤压所需要的载荷大于正挤压，所以圆柱坯料成形所需要的载荷在理论上大于圆环坯料和管状坯料所需要的载荷。由图可以看出，管状坯料成形所需的载荷为2019kN，圆环坯料成形所需的载荷为2058kN，圆柱坯料成形所需的载荷为2205kN。所以，管状所需载荷最小，分别比圆环、圆柱坯料小39、86kN，对设备要求最低。
2.2等效应变对比分析
图4为不同坯料成形的零件等效应变分布图。由图可知，三种坯料成形后等效应变分布的规律大致相同，上锥壁处等效应变较小，下锥壁处等效应变较上锥壁略大，而等效应变最大的区域都是底部空心圆台的台阶处和上端圆环顶部的内边缘。总体来说，圆环坯料和圆柱坯料的等效应变的大小和最大等效应变的分布面积均大于管状坯料，圆柱坯料的最大等效应变达到了15.3，而管状坯料的最大等效应变为10.4，最小等效应变仅为1.17。所以，采用圆柱坯料成形时，成形后的零件具有很大的等效应变，组织不均匀，在后期的加工中可能会出现裂纹等缺陷，影响零件的性能。而采用管状坯料成形时，零件变形均匀，等效应变整体低。因此，管状坯料更好。
3零件试制
选用H13耐热模具钢作为模具材料，FS32-160四柱式液压机作为挤压设备，GY11-23箱式工业电阻炉作为模具与坯料的预热设备对零件进行试制。试制得到的零件如图5所示。零件表面较为光滑，成型度好。
4结论
（1）管状坯料高度最高，截面积最小，最接近零件形状，整个成形过程最平稳，成形效果最好；圆柱坯料与圆环坯料高度较小，截面积较大，对成形效果有一定影响。（2）圆柱坯料在成形过程中以反挤压方式成形圆锥壁，其挤压力最大；管状坯料和圆环坯料在成形过程中，底端空心圆台为最后成形部分，成形过程较为均匀、平缓。管状坯料所需挤压力最小，分别比圆环、圆柱坯料小39、86kN。（3）由等效应变分布图可知，底部空心圆台拐角处和上端圆环边缘处的等效应变较大，但管状坯料变形最均匀，整体等效应变最低。（4）零件试制表明，用管状坯料进行热挤压，更易于获得完整的铝合金双锥薄壁零件。
作者：胡嘉玮 王云鹏 许小云 刘道峰 王晓勇 蒋洪章 于常沛 任建荣 申小平 颜银标 单位：南京理工大学 材料科学与工程学院 国营第一二一厂 沈阳工业集团有限公司
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