4032鋁合金轎車活塞擠壓坯料形狀優化與試驗研究*

文秀海

(河南工學院 材料科學與工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

活塞是發動機汽缸內的重要零件,長時間在高溫、高壓的環境下高速運轉,其性能的好壞直接影響發動機的壽命[1-3]。目前活塞的生產工藝以壓力鑄造為主,該工藝成形容易、成本低,但生產的活塞力學性能一般,壽命短。另一種成形工藝是擠壓成形。擠壓成形是較為先進的成形工藝,由于在擠壓成形過程中,坯料三向受壓,內部缺陷被壓合,所以擠壓成形生產的活塞內部纖維組織更加致密,耐高溫、耐高壓,耐磨性也更好,但該工藝的成形難度較大。

擠壓成形工藝研究的重點是成形載荷的大小對成形飽滿度、成形缺陷的影響程度。如文獻[4]采用仿真模擬的方法分析了摩托賽車活塞成形過程中的成形情況與載荷大小的關系,并對擠壓工藝進行了優化,消除了活塞頂部在成形時產生的折疊缺陷。

采用擠壓成形工藝時,由于活塞各個部位的尺寸相對較小、精度較高,不僅坯料的變形量大,同時還會因為金屬熱變形過程中熱機耦合效應的影響,使坯料的變形、應力場分布、溫度場分布存在不均勻現象。變形不均勻和溫度場分布不均勻會導致坯料的組織、性能不均勻,應力場分布不均勻會導致活塞形狀產生畸變。所以控制坯料的變形、應力分布以及溫度場分布的均勻性,對提高活塞質量有重要意義。坯料形狀直接影響到金屬的應變場、應力場和溫度場的分布,但是關于坯料形狀對上述場變量的影響分析還少見報道。本文采用仿真分析的方法揭示坯料形狀對應力場、應變場及溫度場的影響規律,再對成形效果理想的坯料進行試驗。

1 成形分析

圖1為活塞零件圖,從圖中可以看出,零件結構復雜,且有較多的深槽、窄邊。尤其是活塞的裙部、加強筋和銷孔部位構成封閉的不規則環形,且該環形的壁部垂直于活塞頂部平面,直徑與高度相差較大,且壁厚較薄,屬于典型的高肋、高筋零件。因此采用熱擠壓成形時,主要難點在于如何解決裙部、加強筋的成形。

圖1 活塞零件圖

1.1 材料本構模型

建立4032鋁合金的本構模型有助于研究其在外力的作用下應力與應變的關系。4032鋁合金材料的應力-應變關系曲線可以通過圓柱等溫壓縮試驗獲得,由文獻[5]可知,其應力-應變關系曲線如圖2所示。

圖2 4032鋁合金真實應力-應變曲線

1.2 坯料形狀

本文選用3種坯料:圓柱坯料(Y)、 單錐角坯料(D)、 雙錐角坯料(S), 如圖3所示。活塞體積為150,796mm3,坯料的體積應和活塞體積相同,所以本文三種坯料尺寸的選取分別為:圓柱坯料φD=80mm,H1=30mm;單錐坯料H2=31.476mm,C=15mm,β1=12.8°;雙錐坯料H3=32mm,E=15mm,β2=30°。

圖3 坯料形狀圖

1.3 有限元模型

根據文獻[6]的研究,擠壓溫度P選在400—450℃、擠壓速度V選在1—4mm/s、剪切摩擦系數F選在0.2—0.5、模具預熱溫度M選在400—460℃時,鋁合金應變均勻,更易成形。采用DEFORM-3D軟件對不同形狀坯料的成形過程與結果進行模擬,對坯料、模具均劃分網格22000,同時設置擠壓溫度P=430℃、速度V=2mm/s、剪切摩擦系數F=0.3等相關模擬參數,并取模型的四分之一進行模擬,所得有限元模型如圖4所示,圖中(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料三種坯料擠壓的有限元模型。

圖4 三種不同坯料的活塞擠壓有限元模型

2 模擬結果分析與試驗

2.1 均勻性衡量標準

采用式(1)、式(2)兩個公式來描述組織的均勻性,其中xa為場變量x的平均值,xi是每個節點的場變量值,N為變量值的個數,SD的數值越小,表明變量的均勻度越好。

(1)

(2)

2.2 坯料形狀對擠壓力的影響

圖5是在上述試驗條件下,通過模擬試驗得到的三種不同坯料擠壓力與時間的關系圖,可以看出在相同的擠壓時間下,所需擠壓力由大到小的胚料排序為:圓柱坯料>單錐角坯料>雙錐角坯料。

圖5 坯料形狀對擠壓力的影響

2.3 坯料形狀對應變場分布均勻性的影響

圖6(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料最終成形時的應變場分布均勻性結果圖,圖(d)是三種坯料應變場分布均勻性對比圖。可以看出,雙錐坯料變形均勻性最好,其次是單錐坯料,最后是圓柱坯料。

圖6 坯料形狀對變形均勻性的影響

2.4 坯料形狀對應力場分布均勻性的影響

圖7(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料最終成形時的應力場分布均勻性結果圖,圖(d)是三種坯料應力場分布均勻性對比圖。可以看出,雙錐坯料等效應力均勻性最好,其次是單錐坯料,最后是圓柱坯料。

圖7 坯料形狀對應力分布均勻性的影響

2.5 坯料形狀對溫度場分布均勻性的影響

圖8(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料最終成形時的溫度場分布均勻性結果圖,圖(d)是三種坯料溫度場分布均勻性對比圖。可以看出,圓柱坯料和單錐坯料溫度場分布均勻性的差別不大,而雙錐坯料溫度場均勻性最好。

圖8 坯料形狀對溫度分布均勻性的影響

2.6 模擬驗證

綜上模擬分析結果,在三種不同坯料的熱擠壓成形過程中,雙錐坯料對擠壓力影響最低,其應變場、應力場和溫度場分布也最均勻。這就說明使用雙錐坯料采用擠壓工藝生產活塞,不僅對擠壓設備的規格要求不高,更能在較小的擠壓力下,獲得更均勻的應變,更容易獲得質量較高的活塞。為驗證該模擬結果,采用雙錐坯料進行試生產試驗,結果如圖9所示,可以看出活塞成形完整、輪廓清晰、內外壁光滑飽滿,經檢驗其質量完全滿足要求。

圖9 活塞熱擠壓試驗結果

3 結語

本文基于DEFORM-3D有限元分析軟件,采用數值模擬的方法分別分析了圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料對擠壓力、應變均勻性、應力場分布均勻性和溫度場分布均勻性的影響。結果表明,坯料形狀對擠壓力的影響順序依次為:圓柱坯料>單錐坯料>雙錐坯料,雙錐形坯料應變場、應力場和溫度場分布最均勻,其次為單錐坯料和圓柱坯料,并對模擬結果進行了驗證性試驗,試驗結果與模擬結果吻合。