某高細筋復(fù)雜鋁合金鍛件成形研究

文/高超，李鵬偉，熊威·江西景航航空鍛鑄有限公司

2A50 鋁合金是一種高強度鍛鋁，屬于Al-Cu-Mg-Si 系，是在鋁合金中加入Cu、Mg、Si 等元素從而達到改善其工藝加工性能的目的而研制的合金材料。2A50 鋁合金具有良好的加工性，尤其是在鍛造工藝方面，在合適的溫度狀態(tài)下具有良好的可塑性(最佳鍛造溫度范圍為380 ～470℃)，適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜且高負載的承力和連接結(jié)構(gòu)件等模鍛件，在航空、航天工業(yè)、船舶等領(lǐng)域被廣泛運用。

鍛件缺陷現(xiàn)狀

本文研究的2A50 材質(zhì)的某高細筋復(fù)雜鋁合金鍛件，在實際生產(chǎn)鍛造過程中發(fā)現(xiàn)鍛件細筋位置出現(xiàn)了穿流和夾傷等缺陷(圖1)，不能夠滿足圖紙設(shè)計要求從而導(dǎo)致鍛件報廢且多個批次連續(xù)報廢。

圖1 鍛件缺陷

鍛件形狀結(jié)構(gòu)

某高細筋復(fù)雜鋁合金鍛件二維簡圖如圖2 所示，鍛件重量1.34kg，包絡(luò)體重量8.94kg，復(fù)雜系數(shù)為S4=0.15(復(fù)雜≤0.16)。鍛件投影面積為449cm2，中間腹板縱橫高向最大尺寸為285mm×146mm×5mm，筋條的高度及寬度尺寸分別為15mm和3mm，筋條高寬比1.66，鍛件最高點凸臺距腹板24.7mm。

圖2 某高細筋復(fù)雜鋁合金鍛件二維簡圖

鍛件形狀結(jié)構(gòu)為由寬大薄的腹板和細小帶“H”字形的細筋條及高點凸臺構(gòu)成封閉式的“回”字形。該類型的鍛件鍛造時容易出現(xiàn)筋條穿流和夾傷及腹板厚度尺寸難鍛造至圖紙公差范圍等問題。

鍛造成形缺陷原因分析

對鍛件形狀結(jié)構(gòu)進行分析，初步判斷影響鍛造成形缺陷形成的可能因素有三個：生產(chǎn)設(shè)備、鍛造成形工藝、預(yù)鍛模具設(shè)計。

生產(chǎn)設(shè)備

一般而言，形狀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的模鍛件，其鍛造成形難度也越大，尤其是形狀結(jié)構(gòu)帶有高筋的“H”“U”等字形截面的模鍛件。該類型結(jié)構(gòu)的鍛件成形受材質(zhì)和變形速率影響較大，鍛件材質(zhì)為2A50高強度鍛鋁，材質(zhì)本身金屬塑性流動性差，用于生產(chǎn)該類型的鍛件，在筋條根部容易出現(xiàn)穿流、渦流及射穿等缺陷，故在鍛造設(shè)備的選擇上不推薦使用變形速率過快類型的設(shè)備，推薦使用鍛造能量可控和變形速率較慢的生產(chǎn)設(shè)備(如伺服油壓機，次之選用機械壓力機)鍛造成形。

初始鍛造工藝選擇的設(shè)備為2500t 電動螺旋壓力機，電動螺旋壓力機屬于機械壓力機，設(shè)備能量可控可調(diào)節(jié)且設(shè)備鍛造變形速率較慢，適合高細筋復(fù)雜鋁合金鍛件的生產(chǎn)使用。

故生產(chǎn)設(shè)備不是影響鍛造成形過程出現(xiàn)缺陷的主要因素。

鍛造成形工藝

對鍛件進行工藝性分析，鍛件成形的難點主要是在鍛造成形過程中，由于存在多處帶“H”字形截面的細筋構(gòu)成的封閉式結(jié)構(gòu)及寬大腹板，當(dāng)鍛件腹板厚度尺寸還未鍛造至圖紙公差要求范圍，而四周的細小筋條已經(jīng)充滿，若繼續(xù)鍛造將迫使腹板上的富裕金屬從腹板穿過筋條根部流向倉部，形成穿流缺陷。

根據(jù)工藝性分析結(jié)果，初始鍛造工藝方案設(shè)計為自由鍛制坯加預(yù)鍛、終鍛成形。鍛造成形工藝流程如圖3 所示。

圖3 成形工藝流程圖

故鍛造成形工藝不是影響鍛造成形過程出現(xiàn)缺陷的主要因素。

預(yù)鍛模具設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)在的預(yù)鍛模具圖和終鍛模具圖繪制鍛件細筋截面結(jié)構(gòu)與尺寸比對簡圖(圖4)，并進行分析。

圖4 預(yù)鍛和終鍛筋條處比對簡圖

⑴預(yù)鍛件的筋條和腹板過渡是以70°的斜面進行的，根據(jù)最小阻力定律，金屬先向阻力小的區(qū)域流動，該處阻力較其他區(qū)域阻力大，金屬向外流動難且不順暢，易出現(xiàn)兩股或多股金屬流動匯合，從而形成夾傷缺陷。

⑵終鍛成形，預(yù)鍛件存在的斜面和終鍛模具型腔對應(yīng)處為線接觸，錯動較大，預(yù)鍛件和終鍛型腔不匹配，易出現(xiàn)兩股或多股金屬流動匯合形成夾傷。

⑶預(yù)鍛件和終鍛件的腹板厚度尺寸設(shè)計一致，在筋條區(qū)域處，預(yù)鍛斜面儲存的金屬料F2與終鍛件筋條所需要的金屬料F1的截面積比例值高達64:1。終鍛成形時，在鍛件筋條已經(jīng)充滿的情況下，繼續(xù)進行模鍛，將迫使預(yù)鍛斜面F2富裕金屬料穿過筋條根部流向毛邊倉部，形成穿流缺陷。

故預(yù)鍛模具設(shè)計是影響鍛造成形過程出現(xiàn)缺陷的主要因素。

優(yōu)化設(shè)計

從鍛造成形缺陷原因分析得出的結(jié)論，出現(xiàn)缺陷的主要因素是預(yù)鍛模具的設(shè)計不合理，故優(yōu)化方案主要是對現(xiàn)在預(yù)鍛模具的設(shè)計進行優(yōu)化。

因此，參考鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計及鍛壓手冊，對現(xiàn)在預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)調(diào)整細筋條區(qū)域的截面結(jié)構(gòu)和尺寸及預(yù)鍛和終鍛相對應(yīng)的筋條截面積比例。降低預(yù)鍛細筋高度(單邊降低1.5mm)，及預(yù)鍛筋條和腹板以R25mm 的大凹圓角進行銜接過渡，使得金屬在預(yù)鍛型腔內(nèi)塑性流動充填順暢，也避免了預(yù)鍛件細筋處穿流和夾傷缺陷的產(chǎn)生；為避免終鍛成形過程鍛件細筋根部產(chǎn)生穿流缺陷，需控制預(yù)鍛與終鍛細筋相對應(yīng)位置截面金屬的比值，截面金屬的比值設(shè)計既能滿足終鍛筋條充填成形，也要改善終鍛時筋條根部穿流的缺陷。經(jīng)過多次研究，初步將預(yù)鍛和終鍛相對應(yīng)筋條位置截面金屬的比值設(shè)計為1.16:1。

優(yōu)化后的預(yù)、終鍛相對應(yīng)筋條位置的截面結(jié)構(gòu)與尺寸對比簡圖如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后的預(yù)鍛和終鍛筋條處比對簡圖

仿真模擬分析

利用金屬塑性成形仿真Deform 軟件，對優(yōu)化設(shè)計的預(yù)鍛模具成形過程進行仿真模擬。模擬初始參數(shù)設(shè)置如下：金屬坯料材質(zhì)為2A50，初始金屬坯料溫度設(shè)定為470℃，設(shè)備為2500t 電動螺旋壓力機。對象屬性：金屬坯料為塑性體，模具為剛性體，模具與坯料之間的摩擦類型選為剪應(yīng)力摩擦，取f=0.3，坯料劃分為四面體網(wǎng)格，數(shù)目為80000 個，時間步長定為5s。

鍛造成形各階段進行的仿真模擬結(jié)果顯示：預(yù)鍛仿真模擬成形過程，預(yù)鍛件充填飽滿且無夾傷和穿流缺陷趨勢形成，終鍛仿真模擬成形過程，終鍛件充填飽滿，細筋根部凹圓角無穿流缺陷趨勢形成(圖6)。

圖6 仿真模擬成形及流線分布效果

改善效果

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的預(yù)鍛模具進行生產(chǎn)，數(shù)量218件，最終交付合格率97.2%。鍛造結(jié)束后，100%檢查酸洗后的鍛件表面質(zhì)量，沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，鍛件成形效果良好。后續(xù)對鍛件進行低倍與高倍檢測，低倍檢測金屬流線基本沿鍛件外形分布，無粗晶組織且晶粒度不大于4 級，高倍檢測組織無過燒等缺陷(圖7)。

圖7 鍛件金相圖

結(jié)論

⑴針對某高細筋復(fù)雜鋁合金鍛件成形過程易出現(xiàn)穿流和夾傷等缺陷，優(yōu)化預(yù)鍛細筋條區(qū)域的截面結(jié)構(gòu)與尺寸，可有效改善以上缺陷，提高產(chǎn)品交付合格率。

⑵本文設(shè)計的預(yù)鍛與終鍛筋條截面積比值1.16:1 是合理的，既可滿足鍛件成形使用，也可以避免鍛件穿流風(fēng)險。

⑶對于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛件，模鍛成形過程應(yīng)緩慢塑性流動成形，成形工藝需進行預(yù)鍛設(shè)計且預(yù)鍛設(shè)計合理，可以快速生產(chǎn)出質(zhì)量合格的鍛件。

⑷采用數(shù)值仿真模擬軟件可以有效輔助工藝優(yōu)化改進，提高優(yōu)化效率，提高產(chǎn)品改進的成功率。

⑸合理的模具設(shè)計能夠保證鍛件金屬流線符合鍛件外形，提高鍛件性能。優(yōu)化后的預(yù)鍛模具進行的實際生產(chǎn)驗證結(jié)果表明，鍛件成形質(zhì)量良好，無明顯缺陷。