杯形件等溫壓扭復合成形模具失效分析及改進

王久林，李 萍，趙 賓，薛克敏

（合肥工業大學材料科學與工程學院，230009合肥）

杯形件等溫壓扭復合成形模具失效分析及改進

王久林，李 萍，趙 賓，薛克敏

（合肥工業大學材料科學與工程學院，230009合肥）

為解決7A60鋁合金杯形件等溫壓扭復合成形實驗中凹模的早期失效問題，借助DEFORM有限元軟件，從工藝特點、應力分布及模具結構等方面詳細探討和分析失效原因，應力集中、冷熱循環熱應力以及高溫模具氧化是導致凹模轉角處發生早期破裂的主要原因.基于“未裂先分”的方法對凹模結構進行改進，結果表明：模具改進效果較好，等效應力極值降低30%，有效避免了凹模的應力集中；杯形件成形效果較好，宏觀上無明顯缺陷，表層金屬流線清晰可見.

杯形件；等溫壓扭復合成形；失效；應力集中；模具改進

高壓扭轉HPT（high pressure torsion）過程中，工件同時承受軸向壓縮和扭轉，可制備出亞微米級別甚至納米級別的組織材料；然而當前該工藝多用于制備坯料，并且工件尺寸很?。é?0×1 mm）、工業化實用性不強成為制約其推廣應用的一大瓶頸［1-4］.因此，探索HPT工藝成形回轉體零件的可行性、實用性成為今后的研究熱點之一.文獻［5］首先采用HPT工藝實現了純鋁粉末燒結體錐形件的成形實驗，得出HPT工藝可以有效提高錐形件的致密度及硬度.文獻［6-7］先后開展了鉬粉、銅粉錐形件的HPT工藝研究，得出HPT工藝在生產回轉體零件方面具有顯著優勢.這些研究為開辟HPT工藝成形實際零件提供了先例.

杯形件作為典型回轉體零件之一，在汽車、航空航天、國防軍工等領域具有廣泛應用.對于薄板類杯形件，多采用拉深工藝成形［8］；當壁厚較大時，采用反擠壓工藝從成本、金屬流線、零件質量等方面都表現出獨特的優勢［9］.

本文將傳統反擠壓工藝與HPT工藝相結合，以7A60鋁合金杯形件為研究對象，開展等溫壓扭復合成形模具工裝設計、制造及實驗，然而在實驗過程中，成形凹模出現了早期失效現象.由于目前圍繞HPT工藝的研究多集中在材料組織性能、晶粒細化和強化機理等方面［10-11］，對模具結構設計方面有所忽略，但公認的一點是HPT工藝模具壽命低、成本高.為此，本文借助DEFORM-3D有限元軟件模擬該杯形件的等溫壓扭復合成形過程，詳細探討和剖析模具發生早期失效的原因，這對HPT工藝的完善和發展具有顯著意義；并在此基礎上提出模具改進措施，最后采用改進后的模具進行杯形件的小批量試制.

1 模具結構

圖1為等溫壓扭復合成形模具工裝，下模座1固定在旋轉臺上，凹模5通過螺栓固定于下模座1，凹模外側安裝有加熱圈12；為保證整個凹模機構的旋轉運動，在凹模5與墊板4、墊板4與下模座1之間均安排有鍵3.沖頭（圖2）頂端留有與墊板8相配合的臺階以防止其旋轉，其工作面上的扇形凹槽用以增大摩擦，防止扭轉時金屬發生滑動.

該模具工裝工作原理：首先加熱模具至400℃，放入已加熱至400℃的坯料；然后沖頭下行擠壓坯料，金屬徑向流動并填充模具表面的扇形凹槽，此時凹模不旋轉；當金屬剛要發生反擠時，旋轉臺開啟，整個凹模機構旋轉，沖頭繼續下行完成杯形件的成形.接著沖頭回程，由頂桿14、頂塊13將杯形件11頂出；取出杯形件后，對沖頭、凹模型腔表面刷水基石墨乳以降低摩擦，將模具再次加熱至400℃，繼續下一個杯形件的成形，由此周而復始的完成杯形件的連續生產.

圖1 模具結構示意

圖2 沖頭結構

采用上述模具工裝成形20個杯形件后，發現杯形件直壁外側根部出現毛刺、啃傷現象，對應的凹模型腔轉角處存在大量金屬堆積.卸下模具后發現沿凹模型腔轉角處出現環形裂紋（圖3（a）），并且裂紋向模具內部擴展至螺栓孔位置，最終導致整個凹模完全斷裂（圖3（b））.

圖3 凹模早期失效

2 工藝過程模擬及失效分析

為詳細探究凹模發生環形破裂的原因，借助DEFORM軟件建立該杯形件的等溫壓扭復合成形有限元模型，獲取金屬流動場、應力場、成形載荷等信息模型中，坯料尺寸Φ100×40 mm，溫度400℃，材料7A60鋁合金；模具材料為H13鋼，預熱溫度400℃，其高溫力學性能［12］見表1.

表1 H13鋼室溫和工作溫度下力學性能

2.1 工藝過程分析

由圖4可知：成形過程可分為擠壓、擠扭兩個階段. 1）擠壓階段（圖4（a）），金屬沿徑向鋪展開，同時填充扇形凹槽，該階段所需成形載荷不到1 000 kN（圖4（c））；2）擠扭階段（圖4（b）），金屬沿徑向、切向復合流動，流動速度顯著加快且沿徑向存在明顯的速度梯度，成形載荷和扭矩急劇增加；當前端金屬形成直壁后，流動趨于穩定，載荷和扭矩緩慢增加；直至成形終了最大成形載荷3 420 kN、扭矩24 700 N·m.

圖4 成形過程

2.2 凹模應力場

圖5為凹模等效應力場，可知：在型腔盤面和直壁部位應力值較小且分布均勻，大約185 MPa；而凹模根部轉角處應力值最大，達到428 MPa，遠高于模具其他區域，且該處圓角半徑小，應力集中效應十分顯著.

圖5 等效應力場

2.3 失效分析

以上模擬結果表明：杯形件等溫壓扭復合成形過程中，模具在高溫高壓下工作，在轉角處存在顯著的應力集中效應.下面將從工藝特點、潤滑條件、模具結構等方面詳細剖析模具發生早期失效的原因：

1）模具發生早期失效與其工作環境、服役條件密切相關［13］.實驗中，成形凹模在高溫下工作，強度有所降低（見表1）；而且高溫下凹模型腔表層易形成氧化膜［14］，當轉角處氧化膜達到一定厚度后，在高溫、高壓以及應力集中效應的共同作用下易出現微裂紋，成為凹模破裂的萌生區，微裂紋逐漸在轉角處向模具內部縱向長大并擴展.當繼續擠壓杯形件時，金屬進入此裂紋，加上扭矩的施加，進一步促進裂紋的快速擴展.研究表明：應力集中引發的微裂紋長大并逐漸擴展是導致溫擠壓模具失效的主要原因之一［15］.

2）實驗中每次杯形件脫模后，需要對凹模內腔刷水基石墨乳，然而對高溫模具刷石墨乳在起潤滑作用的同時也急劇降低型腔表層溫度，見表2.在外加冷卻過程中，模具表層收縮，受到拉伸熱應力作用；之后繼續加熱，模具溫度上升，表層擴脹，受到壓縮熱應力作用.由此，模具在多次急冷-急熱循環過程中不斷的受到拉伸-壓縮熱應力的交互作用，極易萌生冷熱疲勞裂紋.

表2 凹模型腔表層溫度℃

3）進入擠扭階段，凹模開始旋轉，沖頭壓力主要作用在凹模內腔盤面，該盤面上金屬受到較大的旋轉阻力，而直壁金屬旋轉阻力小，由此凹模根部轉角處受到一定的剪切作用，進一步促進微裂紋的快速擴展.

4）此外，模具壽命還與其加工工藝和熱處理質量有關［16］.本模具中凹模內腔結構復雜，底部存在9個扇形凹槽，且直接延伸至轉角處，加工難度大；同時模具體積較大，熱處理質量不易控制，為模具早期失效埋下了隱患.

盡管H13鋼在400℃時屈服強度σs達到1 380 MPa（見表1），遠高于凹模轉角處的等效應力值428 MPa，但由于該處受力環境惡劣，模具在集中應力、冷熱循環熱應力以及高溫氧化膜等交互作用下極易產生微裂紋，成為凹模早期失效的源頭.

3 模具改進

3.1 凹模結構改進

針對此類存在應力集中尖角的模具結構，在模具設計時，采用“未裂先分”的方法是避免模具因角部應力集中導致早期失效的最佳方法［17］.

基于“未裂先分”的方法對凹模結構進行改進，決定采用分體式凹模結構，結果見圖6.所謂分體式凹模結構，即將原整體式凹模從轉角處拆分為凹模外圈5和凹模塊13，凹模外圈5通過鍵傳遞扭矩，凹模塊13與墊板4之間設計相互配合的臺階傳遞扭矩，結構見圖7（a）.取件時，由頂桿14將凹模塊13和杯形件11頂出.

圖6 凹模改進措施

由圖7（b）可知凹模塊的扭矩明顯高于凹模外圈，這種差異是由于模具盤面和直壁處旋轉阻力不一致造成的，正好驗證了采用整體式凹模結構在模具轉角處受到一定的剪切作用.同時采用分體式凹模結構所需總扭矩應為凹模塊和凹模外圈之和，即：

M總=M1+M2=16 542+7 195=23 737．（1）

3.2 凹模應力場

圖8為改進后的模具等效應力場，凹模外圈應力呈環形均勻分布，最大應力＜150 MPa；而凹模塊最大應力出現在模具邊緣，應力值僅為300 MPa，相比改進前減小30%.

圖7 凹模改進結果

可見，采用“未裂先分”的方法改進凹模后，模具應力值顯著降低，有效消除了轉角處的應力集中，而且模具體積的減少也有利于模具加工和熱處理質量的提高.

圖8 改進后模具等效應力分布

3.3 模具壽命預測

常見模具失效的形式主要有磨損、塑性變形和斷裂.模具改進后，凹模轉角處斷裂的問題得以解決，此時模具壽命將由磨損量決定，而模具表面扇形凸臺磨損最快，由此凸臺高度即為模具的最大磨損量.

采用Archard磨損模型［18］對模具的磨損量進行預測，進而估算模具壽命，該模型表達式為

式中：W為模具磨損深度，P為模具表面正壓力，V為滑動速度，H為模具初始硬度（HRC），取H= 60HRC；a、b、c為標準常數，對鋼材［18］常取a=1，b=1，c=2；一般認為K是與材料特性相關的常數，但當溫度＞400℃后，不能再忽略溫度的影響，文獻［19］給出K值與溫度關系：

K（T）=（29.29ln（T）-168.73）×10-6．（3）

式中T為絕對溫度，計算得K≈0.000 022.模擬結果見表3.

表3 模具壽命預測

3.4 物理實驗

實驗在10 000 kN專用壓扭設備上開展，該設備的有效連續工作扭矩達到90 000 N·m，可實現0～4 r／min多種旋轉速度的調節，改進后的等溫壓扭復合成形模具工裝見圖9.

圖9 模具工裝實物圖

實驗過程為400℃等溫成形，坯料采用箱式電阻爐加熱；成形凹模外層安裝有加熱圈，其內安插有36根電阻加熱棒進行模具的加熱及保溫，加熱棒性能參數見表4.凹模底部以及上模座與滑塊、下模座與旋轉工作臺之間均安排有隔熱石棉布起保溫和隔熱的作用，避免設備溫度過高，影響實驗操作.

表4 加熱棒性能參數

實驗結果見圖10，可知杯形件成形效果較好，直壁頂端平整，壁厚分布均勻，無金屬折疊、破裂和起層等缺陷，表面金屬流線清晰可見；而且模具工作可靠，各模具部件間扭矩傳遞效果較好，試制多個杯形件之后無任何異?，F象產生，杯形件質量穩定，表明模具改進效果較好.

圖10 實驗結果

4 結 論

1）應力集中、冷熱循環熱應力以及高溫模具氧化是導致凹模轉角處發生早期失效的主要原因.

2）基于“未裂先分”的方法改進凹模結構，模具等效應力極值降低30%，此時模具壽命主要由沖頭表面凸臺磨損決定，加工量約為578個.

3）實驗所得杯形件宏觀上成形效果較好，表層金屬流動分布合理，無金屬折疊、破裂和起層等缺陷產生.

4）數值模擬及實驗結果均表明改進措施有效避免了成形凹模的早期失效，為將來開展HPT工藝的模具設計工作提供了參考和依據.

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（編輯苗秀芝）

Failure analysis and im provementmethod of tw ist-pressure isothermal com posite form ing die for cup

WANG Jiulin，LIPing，ZHAO Bin，XUE Kemin
（School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，230009 Hefei，China）

To solve the forming die＇s early failure of7A60 aluminum cup in the twist-pressure isothermal composite formingexperiment，withthe use of finite element software DEFORM，a detailed discussion and analysis of the cause of failure is studied in terms of the technical characteristics，stress distribution and mold structure.The results show that themain reasons which cause the early rupture at the corner of the die arethe stress concentration，hot-cold cycle thermal stress and the oxidation of high-temperature mold.Then based on thetheory of“no crack first division”，the structure of the die is improved.Finally，the results show thatthe improvements of die effectively avoid the stress concentration and reduce the equivalent stress extremes by 30%.Themetal flow lines are visible on the surface of cup with no obvious defects.

twist-pressure；isothermal composite forming；fail；stress concentration；mold improvement

TG376

：A

：0367-6234（2015）11-0113-05

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.11.020

2015-03-25.

新世紀優秀人才支持計劃（2015JYXR0657）.

王久林（1990—），男，碩士研究生；李 萍（1973—），女，教授，博士生導師；薛克敏（1963—），男，教授，博士生導師.

薛克敏，xuekm0721＠sina.com.