7075鋁合金活塞等溫擠壓工藝模擬

文/楊棟，陳文琳，周瑞·合肥工業大學材料科學與工程學院

7075鋁合金活塞等溫擠壓工藝模擬

文/楊棟，陳文琳，周瑞·合肥工業大學材料科學與工程學院

針對7075鋁合金活塞結構的特點，通過理論計算與有限元模擬相結合的方法確定擠壓方案與工藝參數，分析成形過程中等效應力應變場、成形載荷的變化；并將7075鋁合金熱變形動態再結晶演化模型導入有限元中，對其組織晶粒度進行預報。

7075鋁合金屬于高層錯能金屬，在熱塑性變形過程中動態回復強烈，位錯密度難以升高，不易發生“形核—長大”機制的非連續動態再結晶（DDRX）。僅在變形溫度、速度較高的情況下，可能出現部分非連續動態再結晶，7075鋁合金熱變形時主要發生連續動態再結晶（CDRX）。連續動態再結晶是金屬變形時，位錯不斷向小角度晶界聚集，從而轉變為大角度晶界，形成新的細小晶粒的過程。金屬晶粒度會隨連續動態再結晶的進行而顯著減小，得到非常細小的晶粒組織，能夠顯著提高鋁合金材料的力學性能。

活塞件具有結構復雜、形狀特殊的特點，傳統的加工方法為鑄造成形，鑄件組織晶粒相對粗大，力學性能差，使用壽命短，而等溫擠壓鋁合金活塞的過程中，發生連續動態再結晶，細化組織晶粒度，提高其力學性能。

擠壓工藝分析

結構分析

圖1為7075鋁合金活塞零件的三維圖，活塞的整體外輪廓為杯形件，兩筋板處的外形輪廓較為復雜，且帶有通孔。活塞裙部內腔可通過反擠壓成形；對于兩側的復雜結構，若通過后續的機加工得到，不但生產效率和材料利用率低，而且機加工時切斷了金屬流線，影響產品強度和剛度等性能，因此需要采用多向擠壓工藝來實現對活塞的成形。

在進行工藝計算前，應根據等溫擠壓工藝的特點，將活塞的零件圖轉化成擠壓件圖，進而確定擠壓工藝。最終確定擠壓件的尺寸結構如圖2所示，筋板處的通孔和活塞外圍的溝槽通過機加工成形，其他部位通過縱向擠壓和橫向擠壓成形。

圖1 活塞三維圖

工藝分析

為了確保在成形過程中不產生裂紋、開裂等缺陷，一次擠壓的變形程度要在鋁合金的許用變形程度內，若零件的變形程度超過材料的許用變形程度，則應考慮采用多次擠壓成形或者增加預擠壓工序。下面分別計算縱向擠壓和橫向擠壓的變形程度，進而確定擠壓次數。

圖2 活塞擠壓件的二維圖

縱向擠壓時，凸模的工作部分形狀和活塞的氣門孔內腔形狀相配合，其橫截面是不斷變化的，因此第一次擠壓后，擠壓坯料的橫截面積A1也是不斷變化的。本文采用擠壓坯料的平均截面積作為A1。橫向擠壓時，凸模的工作部分與擠壓件的筋板外側形狀相配合，凸模工作部分表面積的計算方法同縱向擠壓一樣，取平均截面積Ap。通過理論計算確定活塞擠壓成形工藝為一次縱向擠壓和一次橫向擠壓。

有限元模型

隨著塑性變形的進行，連續動態再結晶組織的晶粒尺寸呈負指數曲線迅速降低，使用基于唯象理論的指數模型可以描述連續動態再結晶過程中平均晶粒尺寸的演化模型。將動態再結晶晶粒度演化模型嵌入有限元軟件中，坯料材料為7075鋁合金，坯料與模具溫度均為380℃，坯料和模具間的摩擦系數選為0.12，所建立的兩向擠壓有限元模型如圖3a、b所示。

數值模擬結果與分析

數值模擬完成后進入有限元軟件后處理模塊，得到經過縱向擠壓和橫向擠壓后的成形結果圖，如圖4a、b所示。圖中的點表示已經與模具接觸，即已經充滿型腔。從圖中可以看出，經過縱向擠壓和橫向擠壓之后金屬已經充滿型腔，成形效果良好。

圖3 兩向擠壓有限元模型

圖4 成形結果圖

圖5a、b分別為終擠時的等效應力圖和等效應變圖。從圖中可以看出，在活塞裙部、銷孔處和筋板的成形過程中，應力主要集中在凸模圓角過渡區域、筋板的邊緣處，以及銷孔外側的圓環面上。氣門口底板的應力較小，活塞整體應力分布較均勻，為50MPa左右，整個變形過程的最大等效應力為139MPa。從等效應變圖上可以看出，同等效應力類似，凸模圓角處的金屬變形程度較大，應變較大?；钊數匿N孔部和活塞裙兩側薄邊應變較小，銷孔外側的圓環面和筋板邊緣處的應變最大，整個變形過程中最大等效應變為14.8。

圖6a、b所示分別為Z方向和X方向成形載荷曲線。從圖中可以看出，在縱向擠壓階段，Z向載荷隨著時間逐漸增大，最大達95t左右，此時在X方向載荷基本為0，這是由于該階段設備提供的是縱向載荷，橫向載荷為0。在橫向擠壓階段，隨著橫向擠壓力的增加，金屬逐漸充填型腔，Z方向受到的載荷也逐漸增加，橫向最大擠壓力為6.3t，這是由于在橫向擠壓階段，金屬變形程度相對較小。同時通過結果可知，該成形過程對設備噸位要求較低，只需能夠提供縱向和橫向載荷即可。

活塞擠壓成形后平均晶粒尺寸約為19μm，相對初始晶粒明顯減小，細化率達52%；在活塞裙部兩側及活塞內部底板處晶粒尺寸約為27μm，細化效果不如其他部位明顯；在活塞銷孔處晶粒細化更加明顯，細化到13μm，細化率達到67.5%。這是由于在縱向擠壓過程中，活塞裙通過反擠壓成形，塑性變形大，此劇烈變形提供的能量導致該中心區域材料大量位錯纏結，高度纏結的位錯之間存在較大的應力場。

圖5 等效應力應變分布圖

圖6 載荷曲線

根據低能位錯結構理論，這些位錯之間會相互作用并重新排列，形成亞晶結構，而亞晶界會進一步演化為小角度晶界和大角度晶界，引起動態再結晶，從而細化晶粒，使晶粒細化至27μm，但在橫向擠壓過程中，與銷孔垂直的裙部基本沒有發生變形，不再發生動態再結晶現象。而在銷孔處，在縱向擠壓過程中，該處塑性變形與裙部變形一致，同樣發生劇烈變形；在橫向擠壓過程中，該處塑性變形更加劇烈，使得位錯高度纏結，位錯相互作用并重新排列，形成亞晶結構，進而發生動態再結晶，以致細化晶粒。

結束語

⑴針對7075鋁合金活塞件的結構特點，通過理論計算確定活塞件等溫擠壓工藝，并通過數值模擬驗證了理論計算的正確性，為鋁合金擠壓工藝在加工復雜零件上的應用提供了理論依據。

⑵運用有限元軟件進行數值模擬，分析工件在成形過程中應力應變場及載荷情況，對設備噸位要求不高，只需能夠提供縱向載荷和橫向載荷即可，對企業設備選型有一定的指導意義。

⑶通過動態再結晶演化模型，對7075鋁合金擠壓成形組織晶粒度進行預報。