6082鋁合金散熱器精鍛工藝分析及模具設計

阮湖斌，胡道春，2，羅澤威，葛斌超

（1.臺州職業技術學院 機電工程學院，浙江 臺州 318000；2.臺州職業技術學院 模具研究所，浙江 臺州 318000）

6082鋁合金散熱器精鍛工藝分析及模具設計

阮湖斌1，胡道春1，2，羅澤威1，葛斌超1

（1.臺州職業技術學院 機電工程學院，浙江 臺州 318000；2.臺州職業技術學院 模具研究所，浙江 臺州 318000）

分析了汽車用6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝，利用Deform-3D軟件對其成形過程進行模擬，結合成形過程中金屬的流動規律分析，提出合理的模具設計方案。經試模生產驗證，該工藝方法合理，產品質量穩定。

精鍛工藝；6082鋁合金；Defom-3D；模具；散熱器

輕質材料在汽車上的應用是實現汽車輕量化的重要途徑，并推動了汽車輕量化進程。其中，鋁合金具有密度小、比強度和比剛度高、抗沖擊性良好、耐腐蝕、耐磨及較高的再生性等特點，被世界各國公認為促進汽車輕量化的最有效輕質材料之一[1，2]。增加鋁合金零件在轎車中零部件的比重，能顯著減輕汽車自重、降低能源消耗，從而減輕對大氣的污染、改善環境質量，帶來巨大的經濟和社會效益。據統計，鑄鋁在汽車上的使用量最多，占鋁合金零件總質量的80%以上[3]。而受汽車技術、材料技術等的制約，鋁合金鍛件在汽車上的應用受到限制。汽車性能的不斷提高對零件力學性能的要求也越來越高。具有比強度高、熱鍛時不氧化、表面光潔等優點的鍛造鋁合金在汽車上的應用逐漸擴大，如汽車安全氣囊氣體發生器殼體、壓蓋零件、汽車空調壓縮機的活塞尾、活塞體、汽車輪轂、懸掛系統等零部件，為保證其綜合力學性能（如晶粒度、強度、硬度和金屬流線分布等要求）且獲得更多減重空間，要求用精鍛工藝生產。

鋁合金在鍛造過程中，由于材料本身鍛造溫度范圍窄，成形流程長，成形過程易出現充不滿、折疊、穿筋等缺陷，同時變形溫度、變形速度、變形程度等參數都會對鍛件的組織性能產生影響，進而影響鍛件的機械性能[4-6]。對鋁合金精鍛成形進行有限元仿真，可獲得精鍛全過程的應力應變分布、金屬流動規律、成形載荷、幾何尺寸變化及鍛件質量缺陷等信息，通過這些信息可對鋁合金精鍛工藝和模具設計進行評判和預估，為成形方案擬定和工藝參數優化提供參考。

1 成形工藝

圖1所示6082鋁合金散熱器，是配合德國博世汽車部件有限公司產品開發而研制的精密鋁鍛件，外形輪廓復雜，有局部細小凸臺和薄壁邊緣等外形突變等特征，常采用鑄造工藝完成。采用傳統的鑄造工藝生產鋁合金散熱器，其鑄件的疏松、縮孔、偏析等缺陷降低了零件性能[7]，故宜采用精鍛工藝生產。

圖1 汽車用散熱器鋁鍛件

傳統的鋁合金鍛造工藝為：下料-加熱-鐓粗-預鍛-終鍛-切毛邊-機加工。但實踐證明，預鍛型槽中的金屬充填情況與坯料大小、溫度和型槽磨損等諸多因素有關，造成預鍛和終鍛兩個型槽之間很難配合適宜，常常會造成終鍛時充填不滿或形成折疊等質量缺陷。因此，對于這種復雜形狀的鍛件，采用預鍛反而會造成一些不必要的成形質量問題；若取消預鍛工序，終鍛時材料體積變形劇烈又將帶來鍛壓載荷過高的困擾。針對該精鍛件的結構特點，改進的工藝采用將鐓粗和預鍛工序合并，在鐓粗工序同步完成周邊薄壁的預鍛制坯成形，有效避免了上述問題。

6082鋁合金散熱器精鍛成形工藝復雜，邊緣部分屬于反擠壓，凸臺部分屬于徑向擠壓和軸向反擠壓，預鍛毛坯放入精鍛凹模一次分流反擠壓成形。在精鍛成形工藝中，模具結構和毛坯尺寸對鍛件的精鍛成形影響很大，成形方案的擬定和工藝參數的選擇沒有現成的規律可循，再加上鋁合金鍛造過程中，由于材料本身鍛造溫度范圍窄[8，9]，需借助數值模擬技術對精鍛全過程進行仿真模擬，以優化6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝。

2 精鍛成形有限元模擬和工藝優化

6082鋁合金與常用的6061、6063等鋁合金相比，開發時間較晚，一些常用的模擬軟件（如Deform）缺乏其材料參數和本構模型的數據[10]。文獻[11]根據Gleeble-1500熱模擬試驗數據，擬合得到6082高溫變形時基于Arrhenius形式的雙曲正弦本構方程為：

將此高溫本構方程導入Deform-3D，采用剛粘塑性有限元法對6082鋁合金散熱器精鍛過程進行有限元模擬仿真。建立精鍛成形數學模型時，設置坯料為塑性變形體，模具為剛性體。文獻[12]建立了基于動態材料模型的6082鋁合金熱加工圖，結合壓縮變形后的微觀組織觀察分析，最終得出6082鋁合金的熱加工成形時宜將溫度控制在440～450℃，應變速率控制在0.1～0.2s-1。因此，本文基于熱加工圖設計了6082鋁合金的熱加工工藝參數為：成形溫度450℃，成形速度300mm/s，坯料與模具間摩擦系數為0.30。

圖2 數值模擬結果

圖2所示為6082鋁合金精鍛過程的數值模擬結果，根據金屬流線可以看出在精鍛過程中存在充填不滿、折疊等缺陷，其原因主要在于預鍛制坯時，坯料輪廓不合理造成精鍛過程中金屬流動不均勻，在凸臺頂端因金屬體積不足而導致充填不滿（圖2a），而在凸臺根部及薄壁外側，因坯料體積過多造成金屬回流形成折疊（圖2b）。因此，需對坯料輪廓進行優化以合理控制精鍛過程中金屬的流動趨勢。

優化后的模擬結果如圖3所示，可以看出，在凸臺、薄壁片的應力和應變值相差不大且分布比較均勻（分別約為99.5MPa、1.87mm/mm），表明金屬流動順暢且充填完全[13-15]。而從圖3c中也可以看出，各部位的金屬分布有利于坯料在成形過程中均勻流動，能較好地改善成形的均勻性。

根據優化后的工藝參數，設計出6082鋁合金散熱器預鍛制坯模具、精鍛成形模具分別如圖4、5所示。試制出的6082鋁合金精鍛件如圖6所示，經檢測尺寸符合要求且不存在充填不滿及折疊等缺陷。

圖3 精鍛數值模擬結果

3 結束語

根據鍛件的形狀特點，通過有限元模擬仿真分析了6082鋁合金散熱器的成形過程，獲得了變形全過程的金屬流動規律、等效塑性應變分布、幾何尺寸變化，并預測鍛件可能的質量缺陷。同時，基于模擬結果優化了坯料尺寸、模具結構以控制精鍛過程中的缺陷，并在生產中驗證了6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝的合理性，可為汽車用復雜精鍛件的研制提供技術支持并實現產業化。

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圖4 預鍛制坯模具結構

圖5 精鍛模具結構

圖6 精鍛樣品及6082鋁合金散熱器精鍛件

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Analysis of precision forging technical process and its die design for 6082 aluminum alloy heat sink

RUAN Hubin1,HU Daochun1，2,LUO Zewei1,GE Binchao1
（1.Mechanical&Engineering College,Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,Zhejiang China; 2.Institute of Mold&Die Technology,Taizhou 318000,Zhejiang China）

The precision forging process of 6082 aluminum alloy heat sink for automobile has been analyzed. The forging process has been simulated by use of DEFORM-3D software.By combing with the analysis of metal flowlaw during forging process,the reasonable die design proposal has been put forward.The practical tests show that the precision forging process is reasonable and the product quality is stable.

6082 aluminum alloy heat sink;DEFORM-3D software;Precision forging process

TG319

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.027

1672-0121（2016）02-0101-03

2015-11-10；

2016-01-27

浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目；2015年度校級大學生科技創新項目（2014DKC04）

胡道春（1977-），男，講師，工程師，從事材料成形工藝及模具技術研究。E-mail：springer_1028@163.com