非軸對稱復雜構件的成形工藝優化

賈澤偉，安自朝，張治民，李旭斌

（1.中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051；2.一六七廠，四川 成都 610110）

0 引言

近年來，隨著新型飛機、導彈、艦船和汽車等向小型化、輕量化、精密化、高性能和低成本的方向發展，薄腹高筋類構件以其重量輕、占用空間小等優點受到青睞。這類構件通常被設計成帶有高筋或復雜的截面，整體成形載荷較大[1-3]。

如圖1所示為非軸對稱復雜構件的六分之一模型，該構件截面復雜，內表面有加強筋，經常用于承受瞬間沖擊載荷。由于該構件截面復雜，成形過程中容易發生金屬流動的不規律，一次成形載荷可能會比較大。本文通過Deform-3D有限元模擬與實驗驗證對非軸對稱復雜構件進行成形工藝優化，達到降低載荷的目的[4]。

圖1 非軸對稱復雜構件的六分之一模型

1 一次整體成形有限元模擬

1.1 數值模擬參數設置

以非軸對稱復雜構件的實際尺寸在UG中建立數值模擬幾何模型，并生成STL圖形數據文件，導入到Deform-3D有限元軟件中。為了提高有限元模擬效率，使用模型的六分之一進行模擬，如圖2所示。模型選為剛塑性有限元模型，模具為剛性，不發生變形和破壞。模擬時假設坯料與周圍環境沒有熱交換，坯料溫度設定為460°C，坯料材料選定為鋁合金7A04。上模下降速度為5mm/s，摩擦模型為剪切模型，坯料與模具之間的摩擦因子為0.25。坯料網格尺寸的設置會影響模擬精度與時間消耗。網格尺寸太小，模擬精度會提高，但需要較長的模擬時間。所以坯料網格絕對最大尺寸定為6mm，絕對最小網格尺寸定為3mm，坯料網格數為20000[5-7]。

圖2 一次整體成形的模具模型

1.2 模擬結果分析

圖3為非軸對稱復雜構件一次整體成形模擬過程，圖4為一次整體成形的速度流動場分布，圖5為一次整體成形行程載荷曲線。由圖3和圖4可以看出，一次整體成形過程中坯料變形比較均勻，最終成形沒有產生缺陷。但是由圖5可以看出，該構件最終成形載荷較大，所提供的設備并不能滿足所需的載荷，所以一次整體成形是不現實的。

圖3 一次整體成形模擬過程

圖4 一次整體成形速度流動場分布

圖5 一次整體成形行程載荷曲線

2 兩次局部加載成形過程模擬

一次整體成形需要更大的壓力，如果載荷非常大的話，很容易損壞模具，而且現有的設備并不能滿足所需載荷需要，所以研究通過兩次局部加載成形來降低載荷是很有意義的。

如圖6所示為非軸對稱復雜構件兩次局部加載成形過程，模擬過程中的主要參數設置不變。一次整體成形過程中載荷較大的原因是隨著上模向下移動，坯料與上模的接觸面積越來越大，模具的充填能力減小，導致成形載荷增大。兩次局部加載成形過程中，先減小上模與坯料的接觸面積，如圖6a所示為預成形，預成形上模與終成形上模最大的區別就是接觸平面，其目的是減小與坯料的接觸面積，提高模具的充填能力。首先坯料向下擠壓，然后金屬沿著上模側面向上流動，可認為是反向擠壓。圖6b所示為終成形，終成形也是局部加載，在終成形上模的壓力下，預成形件的側面金屬通過局部加載充滿模具的模膛。如圖7所示為兩種不同成形方案的行程載荷曲線，可以看出局部加載成形所需的最大載荷明顯低于一次整體加載成形所需最大載荷。所以局部加載成形能有效降低成形載荷[8-9]。

圖6 兩次局部加載成形過程模擬

圖7 兩種不同成形方案的行程載荷曲線

3 兩次局部加載成形實驗

為驗證模擬結果，進行非軸對稱復雜構件兩次局部加載成形實驗。實驗坯料為鋁合金7A04，模具材料為H13，成形過程中潤滑劑為水溶石墨。預成形階段坯料的鍛壓溫度為460℃，模具溫度為440℃；終成形階段預成形件溫度為470℃，模具溫度為 445℃[10]。上模的移動速度為5mm/s。成形過程需要一定的保壓時間。成形過程如圖8所示。

圖8 非軸對稱復雜構件局部加載成形實驗

該構件在12000 kN壓力下壓成，采用兩次局部加載成形工藝沒有發現缺陷，構件質量和尺寸都滿足后續處理的規定。通過T6熱處理工藝提高該構件的機械性能。在室溫下測試該構件的力學性能，抗拉強度大于540MPa，屈服強度大于460MPa，延伸率大于8%，機械性能完全符合要求。實驗結果與模擬結果相吻合，驗證了模擬結果與理論分析的可行性。

4 結論

通過有限元模擬與實驗驗證對非軸對稱復雜構件成形工藝進行優化。模擬結果與實驗結果證明兩次局部加載成形所需載荷明顯降低，現有設備可以滿足成形所需最大載荷，實驗得到的成形件力學性能完全符合要求，尺寸精度也滿足后續處理的規定，沒有發現缺陷。

[1]李蘇洋，羅迎社，李頌文，等.TC11鈦合金盤等溫流變成形的數值模擬機其生產應用[J].熱加工工藝，2001，（1）：22-25.

[2]王明輝.直齒圓柱齒輪精密塑性成形工藝及關鍵設備研究[D].吉林：吉林大學，2010.

[3]齊 晗.筋板件筋部充填機理及缺陷研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[4]崔財威.大型高筋復雜截面7A04鋁合金底座成形工藝研究[D].太原：中北大學，2012.

[5]劉長紅，范 昆.發動機殼體熱擠壓成形分析及數值模擬[J].熱加工工藝，2012，41（1）：101-103.

[6]李海榮，鄒明平.基于數值模擬的7075鋁合金轉向節成形工藝優化[J].熱加工工藝，2010，39（23）：117-123.

[7]李 霞，張水忠.冷擠壓座銷的CAE分析與工藝優化[J].鍛壓裝備與制造技術，2004，39（4）：87-89.

[8]孫衛剛.7A04鋁合金輪輞擠壓成形工藝與實驗研究[D].太原：中北大學，2008.

[9]劉 賡，張營杰.基于有限元分析的大型鍛造操作機鉗殼優化設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49（1）：43-46.