鋁合金翼座熱塑性擠壓成形模擬分析

許小云，王云鵬，胡嘉瑋，申小平，張振興，劉道坤，蔣洪章，王曉勇，任建榮，顏銀標(biāo)

（1. 南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094；2. 國(guó)營(yíng)第一二一廠，黑龍江 牡丹江 157000；3. 沈陽(yáng)工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045）

鋁合金具有易成形、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)、導(dǎo) 電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)擠壓制成各種形狀的材料用于各行各業(yè)[1—4]。翼座有著較高的力學(xué)性能要求，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形有細(xì)長(zhǎng)溝槽，且底部有眾多翼片，整體壁厚不均勻。采用切削法加工零件勢(shì)必會(huì)破壞金屬流線(xiàn)的連續(xù)性，從而降低了零件的力學(xué)性能，并且傳統(tǒng)的機(jī)械加工成本高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低[5]。若采用鑄造法成形，零件的性能難以滿(mǎn)足使用要求。

針對(duì)以上問(wèn)題及2A12鋁合金塑性好的特點(diǎn)，提出用近凈擠壓成形技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的切削加工方法[6]。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，通過(guò)擠壓成形得到的零件，其金屬流線(xiàn)與零件外形輪廓相一致，有較好的機(jī)械性能，而且節(jié)約材料，提高了材料的利用率[7]。文中通過(guò)Deform-3D軟件對(duì)整個(gè)變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)單向擠壓、雙向擠壓的成形結(jié)果、擠壓過(guò)程的行程-載荷曲線(xiàn)進(jìn)行了比較分析[8]，探討近凈擠壓成形的可行性，避免了實(shí)際試驗(yàn)所造成的浪費(fèi)。

1 模型的建立及模擬前處理

1.1 模型的建立

翼座零件示意圖見(jiàn)圖1。該零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、壁厚較薄，最薄處的壁厚只有2 mm，故擠壓時(shí)對(duì)金屬流動(dòng)的影響極大，因此成形所需擠壓力和摩擦力會(huì)很大。翼座外壁有8個(gè)細(xì)長(zhǎng)溝槽，尾端有16個(gè)翼片，這些結(jié)構(gòu)使其在擠壓時(shí)充模困難。由于此零件兩端直徑大于中間部分，為了方便擠壓件的取模，將凹模設(shè)計(jì)成分瓣式。從圖1可以看出，在翼座下部有一細(xì)長(zhǎng)深孔，故模具上需要一個(gè)細(xì)長(zhǎng)芯棒，但在擠壓時(shí)很容易損壞，這對(duì)模具的要求非常高，因此決定先擠壓成無(wú)空腔的擠壓件，再通過(guò)機(jī)加工得到深孔。

圖1 翼座零件Fig.1 Parts of wing seat

根據(jù)其形狀設(shè)計(jì)了兩種擠壓方案。方案1為單向擠壓，只有一個(gè)凸模，方案2為雙向擠壓，有上下兩個(gè)凸模。通過(guò)Pro/E軟件建立模具和坯料的模型保存成STL格式，并導(dǎo)入到Deform-3D軟件中[9—10]。為減少劃分網(wǎng)格的數(shù)量，選取工件的1/8進(jìn)行模擬[11]。兩種方案的擠壓模具結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 模擬擠壓模具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of simulation extrusion die

1.2 模擬前處理

將模型導(dǎo)入Deform前處理模塊中，不考慮熱量的傳遞，設(shè)定成形溫度為450 ℃，摩擦因數(shù)為0.2，加載速度設(shè)為 5 mm/s，給坯料劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格數(shù)量為5000，步長(zhǎng)設(shè)置為0.05 mm，對(duì)工件1/8進(jìn)行模擬，此外應(yīng)給坯料及模具設(shè)定對(duì)稱(chēng)性條件[12]。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 成形結(jié)果比較分析

單向擠壓金屬流動(dòng)速度矢量見(jiàn)圖3。當(dāng)變形到410步即行程為20.5 mm時(shí)，坯料的下端開(kāi)始接觸到下模板，隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，多余的坯料受壓開(kāi)始向底部的翼片模腔流動(dòng)，產(chǎn)生徑向擠壓。變形到480步行程為24 mm時(shí)，出現(xiàn)了折疊這個(gè)嚴(yán)重的擠壓缺陷。其形成原因如下：由于翼座外壁有細(xì)長(zhǎng)溝槽，在變形過(guò)程中，用于形成溝槽的凹模模腔比底部翼片模腔先行充滿(mǎn)，隨著凸模的持續(xù)加載，變形繼續(xù)進(jìn)行，用于形成翼片的坯料外壁已經(jīng)形成了溝槽。繼續(xù)加載變形時(shí)，溝槽兩側(cè)坯料會(huì)擠向溝槽形成了折疊[13]。

圖3 單向擠壓金屬流動(dòng)速度矢量Fig.3 Velocity vector of one-way extrusion metal flow

折疊是潛在的微裂紋，是嚴(yán)重的擠壓缺陷，有這種缺陷的產(chǎn)品在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)張，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量[14]。采用單向擠壓方案時(shí)，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由一端向另一端擠壓成形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)折疊缺陷。對(duì)于雙向擠壓方案，翼座底部翼片的成形是由上凸模擠壓完成的，而上凸模擠壓的這部分坯料是沒(méi)有溝槽產(chǎn)生的，故雙向擠壓中不會(huì)出現(xiàn)因溝槽擠出而形成折疊的問(wèn)題。

2.2 擠壓力比較分析

單向擠壓、雙向擠壓模擬時(shí)擠壓載荷隨行程的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。可知前12 mm的行程兩方案的曲線(xiàn)幾乎一致。在行程5～12 mm間載荷增加平緩，這是由于坯料的再結(jié)晶軟化和加工硬化速度相當(dāng)，變形抗力趨向穩(wěn)定。當(dāng)行程達(dá)到12 mm后，坯料向模腔中部涌入，阻力較大，兩方案載荷曲線(xiàn)又有了明顯上升，且雙向擠壓明顯比單向擠壓增加得快。這是由于兩方案進(jìn)入中部模腔的方式不同，雙向擠壓的擠壓方式為反擠壓，而單向擠壓為正擠壓，相同情況下反擠壓所需要的力大于正擠壓。

圖4 擠壓載荷隨變形位移的變化曲線(xiàn)Fig.4 Change curve of extrusion load with the displacement

單向擠壓在行程為20.5 mm時(shí)，由于坯料開(kāi)始與下模板相接觸，載荷再一次增加，在行程為 24 mm時(shí)坯料進(jìn)入底部翼片模腔部分，載荷又再一次增加。而雙向擠壓在第二部分翼片的成形所需的載荷非常小，由上凸模擠壓完成，只需對(duì)少量坯料變形，摩擦力與變形抗力都比較小。單向擠壓所需的最大載荷約為130 t，而雙向擠壓所需最大載荷為110 t，從所需載荷看，雙向擠壓也要優(yōu)于單向擠壓。

2.3 中心縮尾及解決方案

2.3.1 中心縮尾的形成

在最初使用雙向擠壓模擬計(jì)算時(shí)，在下凸模擠壓完成后，在其正上方出現(xiàn)了中心縮尾缺陷，這將嚴(yán)重影響零件的性能。雙向擠壓方案擠壓時(shí)速度大小分布見(jiàn)圖5。由圖5a—c可知，由徑向變形而來(lái)的坯料隨著加載的進(jìn)行，逐漸變成沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，從而影響到P1點(diǎn)附近坯料的運(yùn)動(dòng)。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，下凸模附近坯料的徑向流動(dòng)速度變得越來(lái)越大，影響到P1點(diǎn)附近的坯料，使其逐漸形成豎直向上的速度，產(chǎn)生如圖5d所示的變形。模擬過(guò)程中P1點(diǎn)坯料的運(yùn)動(dòng)速度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，可以看出，在520步之前，P1處坯料的速度為0，沒(méi)有發(fā)生變化，而在 520步后，P1點(diǎn)速度明顯增大，由此逐漸產(chǎn)生了中心縮尾。

圖5 擠壓過(guò)程中速度分布Fig.5 Speed profile during extrusion

圖6 P1點(diǎn)坯料速度變化曲線(xiàn)Fig.6 P1 point blank speed curve

2.3.2 中心縮尾解決方案

在后續(xù)的模擬分析中發(fā)現(xiàn)，壓余厚度直接影響中心縮尾的程度，選擇在縮尾的上方增加一定量的壓余厚度，變形結(jié)束后再通過(guò)機(jī)械的方法去除，為了避免浪費(fèi)材料，選擇合適的壓余厚度尤為重要。壓余厚度對(duì)中心縮尾的影響程度見(jiàn)圖7，其中Δt為所增加的壓余厚度，L為縮尾的深度。從圖7可以看出，隨著壓余厚度的增加，縮尾深度也隨之減少，當(dāng)壓余厚度為5 mm時(shí)中心縮尾消失。

圖7 所增加壓余厚度對(duì)中心縮尾的影響Fig.7 Effect of increased residual thickness on center shrinkage

3 成形試驗(yàn)

采用雙向擠壓方案對(duì) 2A12鋁合金翼座進(jìn)行試驗(yàn)試制，選擇 4Cr5MoSiV1熱作模具鋼作為模具的材料[15]，由于雙向擠壓的最大載荷為110 t，故選用160 t的液壓機(jī)進(jìn)行試制。最終制得的擠壓件見(jiàn)圖8，可以看出，所制零件整體光潔，底部翼片及溝槽充型飽滿(mǎn)，證明了雙向擠壓方案的可行性。

圖8 試制的翼座零件Fig.8 Trial-experimental of wing seat

4 結(jié)論

1) 翼座零件的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，分析了傳統(tǒng)工藝加工此零件的缺點(diǎn)，提出了擠壓成形的方法替代傳統(tǒng)加工工藝，并設(shè)計(jì)了單向擠壓、雙向擠壓兩種擠壓方案。

2) 模擬結(jié)果表明，單向擠壓方案在擠壓后期出現(xiàn)了折疊缺陷，而雙向擠壓方案則避免了此缺陷的產(chǎn)生，且雙向擠壓所需最大載荷也要小于單向擠壓；雖然雙向擠壓后期出現(xiàn)了中心縮尾缺陷，但通過(guò)增加壓余厚度成功解決了此問(wèn)題，因此，雙向擠壓方案要優(yōu)于單向擠壓方案。最終實(shí)際成形試驗(yàn)表明，采用雙向擠壓可獲得健全的鋁合金翼座零件。