高強鋁合金模壓成形工藝研究

文／鄭天晴，劉梅，黃彪·合肥工業(yè)大學(xué)

工藝介紹與分析實驗采用鑄態(tài)7系高強鋁合金為實驗材料，眾所周知，7xxx高強鋁合金為可熱處理強化的鋁合金，具有高的比強度和硬度、良好的熱加工性、優(yōu)良的焊接性能、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點，適宜做承受力較大的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。模壓變形法（CGP）是新近開發(fā)的一種大塑性變形方法，可在保持試樣外形尺寸不變的情況下制備超細(xì)晶板材。模壓成形的基本原理如圖1所示，將試樣放入齒形周期變化的模具中，在壓力的作用下，對試樣進(jìn)行反復(fù)的變形，累積等效應(yīng)變，最終使材料受到劇烈的塑性變形，從而細(xì)化材料的組織晶粒，提高其強度。模壓變形作為一種新型的大塑性變形工藝，可以用于超細(xì)晶板材的生產(chǎn)。圖2所示為模壓成形的板材，通過對板材不同區(qū)域的分步剪切變形，使板材具有均勻的微觀組織和優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種有效制備組織均勻的超細(xì)晶板材的工藝途徑和技術(shù)手段。

圖1 模壓成形原理示意圖

數(shù)值模擬及結(jié)果

有限元模型的建立

在有限元模擬軟件中建立模型如圖3所示。其中坯料尺寸為90mm×10mm×4mm，網(wǎng)格數(shù)量為8000。坯料材料為ALUMINUM 7075鋁合金，模具采用剛性體，坯料和模具之間的摩擦采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.25，上模下行速度為2mm/s。

圖2 鋁合金模壓成形板材

圖3 有限元模型

圖4 速度場分布

圖5 坯料損傷值及等效應(yīng)變

坯料在模壓成形時的運動方向和狀態(tài)

如圖4(a)所示，在壓彎時接觸平齒的坯料有著均勻向下的速度，接觸斜齒的部分在向下速度的基礎(chǔ)上更多是受剪切向兩側(cè)運動并產(chǎn)生較大的變形。如圖4(b)所示，在壓平的過程中整體受到上模的壓力而有一個向下的速度，并且原先被壓彎的部分由于接觸下模受到向上的力就有了向上的速度，夾在這兩個區(qū)域之間的部分就是在壓平過程中受到剪切力的部分，又發(fā)生了一個變形的過程。通過分析不同狀態(tài)下的坯料的速度場可以進(jìn)一步了解模壓成形法的具體原理。

坯料的變形情況

圖6 不同道次試樣的等效應(yīng)變、損傷值變化圖

圖5所示為坯料在變形流動過程中的損傷值及等效應(yīng)變。由圖可以看出，坯料接觸上模凸起齒部損傷最為嚴(yán)重，而與損傷不同的是，等效應(yīng)變最大的位置則是在與斜齒接觸的部分。這是因為與凸齒接觸的部分承受最大的壓應(yīng)力，在上模凸齒轉(zhuǎn)折處可能會有應(yīng)力集中；而與斜齒接觸的部分則發(fā)生純剪切變形，有著最大的等效應(yīng)變，這一部分也是該工藝真正產(chǎn)生晶粒細(xì)化的部分。

擠壓溫度的影響

對試樣進(jìn)行室溫（20℃）、高溫（350℃），2道次模壓成形，其模具所受最大載荷如表1所示。可以看出，室溫時模具所受壓力較大。這是由于，隨著擠壓溫度的升高，坯料的塑性流動變好，變形抗力減小，從而對模具的磨損減小，因此最大載荷降低。

擠壓道次的影響

圖6所示為室溫條件下，不同道次試樣的等效應(yīng)變、損傷值變化圖。擠壓道次主要影響材料的等效應(yīng)變，由圖可以看出隨著擠壓道次的增加，材料的損傷值增加，所以道次不能無限制的增加，增加過多會使損傷值持續(xù)增加，對設(shè)備以及試驗的準(zhǔn)確性影響較大。等效應(yīng)變隨著擠壓道次的增加而增加，累積的等效應(yīng)變對提高材料的強度產(chǎn)生有利影響。

表1 不同溫度模具最大載荷

試驗分析

本試驗在2000kN旋轉(zhuǎn)壓扭液壓機(jī)上進(jìn)行模壓實驗，變形后試樣如圖7所示，試樣整體變形效果較好，無宏觀微裂紋。圖8(a)所示為高強鋁合金初始態(tài)微觀組織，圖8(b)～(c)為350℃變形溫度下經(jīng)模壓變形1、2道次后試樣的微觀組織。由圖可以發(fā)現(xiàn)初始態(tài)合金晶粒粗大，局部區(qū)域存在少量細(xì)小的等軸晶。經(jīng)1道次模壓變形后，如圖7(b)所示，合金晶粒明顯細(xì)化，出現(xiàn)細(xì)小等軸晶的區(qū)域明顯增加。隨著擠壓道次的進(jìn)一步增加，如圖7(c)所示，晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，微觀組織幾乎全部由等軸晶組成，組織均勻性明顯提高。

圖7 變形后試樣

圖8 不同擠壓道次下模壓成形后顯微組織圖

結(jié)束語

分別在室溫以及350℃條件下對7系鋁合金進(jìn)行1、2道次的模壓成形，分別討論了不同條件下金屬的流動、損傷值以及等效應(yīng)變的變化情況，得出結(jié)論：相同變形溫度條件下，隨著擠壓道次的增加，等效應(yīng)變值增加；相同擠壓道次條件下，隨著溫度的升高，金屬變形抗力減小，損傷值減小，所需載荷減小。該合金經(jīng)模壓變形后晶粒明顯細(xì)化，隨著擠壓道次的增加，變形過程中累積了較大變形量，微觀組織中出現(xiàn)等軸晶的區(qū)域明顯增多。