車用2A12鋁合金連接鍛件變形規(guī)律分析與工藝設(shè)計

張 巍

(鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院 智慧制造學(xué)院，鄭州450007)

鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、強度高、易于再生等優(yōu)點[1-2]，因此在汽車工程、航天航空等需要輕量化設(shè)計的領(lǐng)域受到青睞。與鑄造、焊接、機加工相比，鍛造普遍認(rèn)為能提高生產(chǎn)效率和材料利用率，同時零件晶粒細(xì)小均勻，纖維組織緊密、連續(xù)，機械性能好，強度、精度高，加工余量小[3-5]，因此該方法應(yīng)用最為廣泛。某企業(yè)針對車用連接鍛件輕量化的需求，由原來的鑄鋼生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金鍛造的生產(chǎn)方式，但最終獲得的零件質(zhì)量較差，壽命較短，容易開裂，研究發(fā)現(xiàn)是由于鍛造過程中出現(xiàn)了材料折疊的缺陷，受載后出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂。由于造成折疊缺陷的因素較多，例如鍛模結(jié)構(gòu)不合理，坯料形狀不合理，鍛壓速度、坯料溫度等參數(shù)設(shè)計不合理等[6]，分析困難，因此可以采用有限元模擬技術(shù)[7]，根據(jù)成形過程直觀地了解材料折疊產(chǎn)生的原因，進(jìn)而針對性的改進(jìn)工藝。

有限元技術(shù)作為一種可靠的分析手段，在鋁合金鍛造問題的解決方面得到了大量應(yīng)用，林程峰等人[8]針對鋁合金防塵圍罩“掉圈”問題，結(jié)合Deform模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是模具結(jié)構(gòu)和坯料尺寸的不合理造成的。張慶旭等人[9]為了解決鋁合金盤體充不足的問題，對預(yù)鍛件結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，并通過有限元模擬進(jìn)行了對比驗證。高沖等人[10]通過響應(yīng)面理論和有限元分析結(jié)合應(yīng)用，對鋁合金連桿表面缺陷問題進(jìn)行了研究，并建立了斷裂模型，優(yōu)化了工藝參數(shù)。屈曉曉等人[11]在進(jìn)行鋁合金盒形件生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)模具磨損極其嚴(yán)重，模具壽命較低，為解決該問題，通過建立有限元模型和模具磨損模型進(jìn)行了深入研究，獲得了可靠的工藝參數(shù)，降低了模具磨損。通過以上研究可知，將有限元技術(shù)應(yīng)用于鍛造工藝缺陷方面的研究均獲得了比較理想的結(jié)果，因此本文以鋁合金車用連接鍛件為研究對象，針對其質(zhì)量差，容易報廢的問題，利用Deform仿真系統(tǒng)對其變形過程進(jìn)行模擬分析，以期解決其成形過程中產(chǎn)生的缺陷。

1 鋁合金車用連接鍛件成形工藝介紹

1.1 原工藝分析

本文研究的車用連接鍛件材料為2A12鋁合金，屬于高強度硬鋁，具有一定的塑性，圖1所示為研究鍛件的零件圖?？梢?，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上端存在4個突出的枝叉，下端為具有一定斜度的柱形結(jié)構(gòu)，并且上下端各有一個盲孔。冷成形狀態(tài)下采用柱形棒料一次成形變形程度較大，會引起坯料開裂，因此目前采用熱鍛成形方法，鍛模結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 車用連接鍛件零件圖

圖2 鍛模結(jié)構(gòu)示意圖

為避免鍛件充不滿，坯料體積略大于成形鍛件體積，下模(圖2(c))固定不動，由上模(圖2(b))下壓促使坯料變形并充滿型腔，多余材料流入飛邊槽，鍛造結(jié)束后，上模退出，頂桿頂出鍛件實現(xiàn)脫模，切除飛邊后獲得最終鍛件。但在后續(xù)使用中發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品質(zhì)量差，壽命短，容易開裂，經(jīng)分析后推測最大可能是由于鍛造過程中存在材料折疊現(xiàn)象，導(dǎo)致工作中出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋。針對上述現(xiàn)象，通過有限元分析來模擬還原連接鍛件的整個變形過程。

1.2 有限元模型建立及模擬分析

由于該鍛件為對稱零件，取模型的1/8作為模擬對象，以提高計算效率，通過Deform-3D軟件建立實際鍛造條件，新建2A12鋁合金材料模型，其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線可通過文獻(xiàn)[12]獲得。坯料定義為塑性體，模具定義為剛體。鍛件成形中，工藝參數(shù)的選取至關(guān)重要，對坯料進(jìn)行加熱，晶粒會增大，變形時位錯更易發(fā)生，有效減小變形抗力，而溫度過高，晶粒進(jìn)一步變大會影響鍛件性能；而對模具進(jìn)行合理地預(yù)熱，可以有效控制模具與坯料之間的溫度差，減小熱傳遞效應(yīng)，防止因坯料溫度不均而造成金屬流動不佳，同時能防止溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。因此按現(xiàn)場實際情況設(shè)置坯料溫度為(480±10) ℃，模具溫度為(420±10) ℃。選用設(shè)備為螺旋壓力機，能量為36 kJ，效率為0.6，慣性矩為1.356×105kg·mm·s2。根據(jù)螺距和轉(zhuǎn)速確定上模速度為32 mm/s，方向朝向下模，下模速度為0 mm/s，鍛造行程為128 mm。以MoS2為潤滑劑[13]，按實際潤滑條件設(shè)置摩擦因子為0.2，與模具間的傳熱系數(shù)為5 N·(s·mm·℃)-1，與空氣間的熱對流系數(shù)為0.2 N·(s·mm·℃)-1。根據(jù)最小網(wǎng)格設(shè)定模擬步長為0.4 mm，總模擬步數(shù)為320。

圖3所示為原工藝下鍛件成形的詳細(xì)過程，坯料在上模擠壓作用下，部分材料正向流動成形下端盲孔，部分材料反向流動成形上端盲孔(圖3(a))；隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，反向流動的材料受到上模結(jié)構(gòu)的阻礙出現(xiàn)彎曲后逐漸向徑向流動(圖3(b))；隨著上模的繼續(xù)擠壓，由于徑向流動的材料未受到模腔約束，相向流動的材料逐漸接觸形成折疊缺陷(圖3(c))；隨著坯料與上、下模接觸面積的增大，材料流動受到的阻力增大，折疊缺陷被壓實(圖3(d))，同時開始反擠壓填充枝叉結(jié)構(gòu)；徑向流出的材料由于受到飛邊槽的阻流作用，流動變緩，使得鍛件枝叉結(jié)構(gòu)填充完整，同時多余材料進(jìn)入飛邊槽(圖3(e))。分析可得，鍛件雖然表面看似成形良好，但缺陷在內(nèi)部已經(jīng)形成，致使產(chǎn)品在后續(xù)使用中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋，證實了上述的推測。

圖3 原工藝鍛件成形過程

2 鋁合金車用連接鍛件成形工藝改進(jìn)

2.1 預(yù)鍛件設(shè)計

針對上述成形過程中材料流動不合理的現(xiàn)象，在原工藝基礎(chǔ)上增加了預(yù)鍛工序，由原來的單次鍛造，改成了預(yù)鍛和終鍛兩道工序，以便更恰當(dāng)?shù)姆峙洳牧蟍14-15]。改進(jìn)后鍛造工藝過程如圖4(a)所示，終鍛結(jié)構(gòu)簡圖如圖4(b)所示，預(yù)鍛過程將原坯料進(jìn)行了鐓粗，同時上端盲孔得到了一定深度的預(yù)成形。一方面能夠有效避免金屬材料過早接觸上模端面，產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，保證材料先充滿下模?？冢蠼佑|上模端面；另一方面能起到定位作用，避免坯料出現(xiàn)偏移。預(yù)鍛成形過程如圖5所示，預(yù)鍛行程為66 mm，坯料在上模擠壓下變形初步成形上端盲孔，由于受到下模的約束以及上模的摩擦，材料主要流向下模?？谶^渡區(qū)域(圖5(a))；隨著盲孔進(jìn)一步成形，?？趨^(qū)域成形完成，材料開始徑向流動，逐漸鐓粗外徑(圖5(b))；與下模內(nèi)壁接觸后，徑向流動的材料受阻，轉(zhuǎn)為向上流動，繼續(xù)成形盲孔，同時受上模的約束作用實現(xiàn)最終成形(圖5(c))。整個過程材料流動合理、順暢，無對流產(chǎn)生，未見缺陷。將模擬獲得的預(yù)鍛件以及溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出并導(dǎo)入終鍛模型中作為初始條件，繼續(xù)進(jìn)行終鍛成形分析，終鍛成形詳細(xì)過程如圖6所示，剛開始與原工藝類似，同樣是成形上、下端盲孔(圖6(a))；與原工藝不同的是，隨著上模的繼續(xù)下壓，由于坯料被預(yù)先鐓粗的緣故，下模模口已被完全充滿，同時部分材料也已流入枝叉型腔，導(dǎo)致徑向流動的材料受阻，因此成功避免了彎曲產(chǎn)生的折疊缺陷(圖6(b))；但同時也造成外部材料過早進(jìn)入飛邊槽，使得鍛件枝叉結(jié)構(gòu)未充滿(圖6(c)、(d))。分析可得，采用改進(jìn)后的鍛造工藝能消除材料折疊缺陷，從而提高鍛件的質(zhì)量，但引入了枝杈充不滿缺陷，而充不滿問題可以通過改進(jìn)飛邊槽結(jié)構(gòu)，增加阻力予以解決。

圖4 改進(jìn)后工藝及模具結(jié)構(gòu)

圖5 預(yù)鍛成形過程

圖6 終鍛成形過程

2.2 飛邊槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文在原鍛模結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了兩種飛邊槽結(jié)構(gòu)，基本形式及尺寸如圖7所示，分別為阻力溝結(jié)構(gòu)和阻力墻結(jié)構(gòu)，分別建模后重新導(dǎo)入Deform中進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖7 改進(jìn)后飛邊槽結(jié)構(gòu)

圖8、圖9所示分別為經(jīng)模擬獲得的飛邊槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后鍛件的填充情況以及成形力曲線圖，成形力在鍛件變形過程中隨著變形抗力及摩擦阻力的增大而平穩(wěn)增長。

由圖8可知，采用阻力溝結(jié)構(gòu)后，鍛件上端枝叉結(jié)構(gòu)仍未填充完整，但是相比改進(jìn)前，已經(jīng)得到明顯改善，表明阻力溝結(jié)構(gòu)提供的阻力仍不能起到很好的限流作用。而采用阻力墻結(jié)構(gòu)，材料與上、下模全面貼合，流入飛邊槽的材料較少，鍛件上端枝叉結(jié)構(gòu)充不滿缺陷完全消除，表明阻力墻提供了足夠的阻力，很好的將材料約束在了模腔中，在優(yōu)先成形鍛件后再將多余材料從飛邊槽排出。圖9(b)中顯示阻力溝結(jié)構(gòu)的成形力最大需要5.99 MN，與改進(jìn)前相比(圖9(a))，提高了32.2%，是由于飛邊槽提供阻力增大，導(dǎo)致需要更大的成形力；圖9(c)中顯示阻力墻結(jié)構(gòu)的成形力最大需要8.02 MN，與阻力溝相比，提高了33.9%，表明阻力得到進(jìn)一步提高，與成形結(jié)果相符。

圖8 各種結(jié)構(gòu)下的填充情況

圖9 各種結(jié)構(gòu)下的成形力曲線圖

2.3 成形鍛件溫度場分析

通過鍛件的溫度場分析，可以了解鍛件不同部位的溫度情況，通過局部溫差來判斷后續(xù)冷卻的均勻性，預(yù)判鍛件質(zhì)量情況。

圖10為鍛件成形后的溫度分布圖，通過點追蹤可知P1～P10各點的溫度分別為518、547、588、503、486、469、471、486、479和508 ℃，除了飛邊處溫差較大外，其余部位溫度分布均勻性較好，另外由于后續(xù)需要切除飛邊，所以即使出現(xiàn)冷卻速差導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生同樣不會對鍛件的質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此采用改進(jìn)后的工藝能夠獲得質(zhì)量較佳的鍛件。

圖10 鍛件溫度分布圖

3 試驗驗證

采用改進(jìn)后的工藝進(jìn)行現(xiàn)場試模，即對坯料進(jìn)行預(yù)鍛加工，坯料尺寸為Φ85 mm×130 mm，預(yù)鍛后鍛件結(jié)構(gòu)如圖11(a)所示，飛邊槽采用阻力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)備采用16 MN螺旋壓力機。經(jīng)鍛造獲得的鋁合金實際鍛件如圖11(b)所示，外觀成形效果良好，上端枝叉成形完整，鍛件尺寸達(dá)到要求，與11(c)仿真結(jié)果相比，高度吻合，充分說明了以上分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時將鍛件剖切后結(jié)果如圖11(d)所示，鍛件內(nèi)部流線完整，未發(fā)現(xiàn)折疊缺陷。經(jīng)切邊后，鍛件最終形狀如圖11(e)所示。

圖11 成形鍛件實際效果圖

上述研究及試驗表明，有限元技術(shù)能很好的應(yīng)用于鍛件成形工藝的研究，能及時反饋工藝中存在的缺陷，有效指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計，能極大的提高效率并降低試模成本，具有極高的推廣價值。

4 結(jié) 論

1)采用有限元技術(shù)對某種2A12鋁合金車用連接鍛件的鍛造過程進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)造成其質(zhì)量差、使用壽命短的原因是成形時內(nèi)部出現(xiàn)了折疊缺陷。

2)對原工藝進(jìn)行了改進(jìn)，增加了預(yù)鍛工序，對材料進(jìn)行了預(yù)分配，成功解決了鍛件的折疊缺陷問題。

3)對飛邊槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了飛邊槽的限流作用，解決了因材料流失過多而出現(xiàn)的充不滿缺陷，模擬結(jié)果表明：阻力墻的限流作用與阻力溝相比，其鍛造載荷提高33.9%，與常規(guī)飛邊槽相比，其鍛造載荷提高了77%，說明阻力墻很好發(fā)揮了阻流作用，迫使金屬充滿模腔。