6082鋁合金散熱器折疊缺陷預(yù)測及精鍛工藝優(yōu)化

羅澤威，胡道春，2，阮湖斌，葛斌超

（1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺州 318000；2.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具研究所，浙江 臺州 318000）

6082鋁合金散熱器折疊缺陷預(yù)測及精鍛工藝優(yōu)化

羅澤威1，胡道春1，2，阮湖斌1，葛斌超1

（1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺州 318000；2.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具研究所，浙江 臺州 318000）

“折疊”是鋁合金精鍛件的常見缺陷。利用Deform-3D軟件對汽車用6082鋁合金散熱器精鍛成形過程進(jìn)行模擬，結(jié)合成形過程中金屬的流動(dòng)規(guī)律及應(yīng)力應(yīng)變分布，分析了鋁合金精鍛過程中折疊缺陷產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：模具設(shè)計(jì)不合理、坯料輪廓選擇不當(dāng)、壓下量過大、潤滑不均勻等，均可造成金屬流動(dòng)不均勻，以及局部金屬充滿飽滿后回流造成折疊缺陷。通過優(yōu)化工藝參數(shù)、坯料輪廓及模具結(jié)構(gòu)，模擬和實(shí)驗(yàn)均獲得了無缺陷的6082鋁合金散熱器精鍛件。

精鍛工藝；6082鋁合金；數(shù)值模擬；折疊缺陷；工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的鋁合金鍛造工藝為：下料-加熱-鐓粗-預(yù)鍛-終鍛-切毛邊-機(jī)加工。但實(shí)踐證明，預(yù)鍛型槽中的金屬充填情況與坯料大小、溫度和型槽磨損等諸多因素有關(guān)，造成預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)型槽之間很難配合適宜，常常會(huì)造成終鍛時(shí)充填不滿或形成折疊等質(zhì)量缺陷[1-3]。因此，對于復(fù)雜形狀的鍛件，采用預(yù)鍛反而會(huì)造成一些不必要的成形質(zhì)量問題；若取消預(yù)鍛工序，終鍛時(shí)材料體積變形劇烈又將帶來鍛壓載荷過高的困擾。本文所探討6082鋁合金散熱器精鍛件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用將鐓粗和預(yù)鍛工序合并，在鐓粗工序同步完成周邊薄壁的預(yù)鍛制坯成形，有效避免了上述問題[4]。

6082鋁合金散熱器精鍛成形工藝復(fù)雜，邊緣部分屬于反擠壓，凸臺部分屬于徑向擠壓和軸向反擠壓，預(yù)鍛毛坯放入精鍛凹模一次分流反擠壓成形。在精鍛成形工藝中，模具結(jié)構(gòu)和毛坯尺寸對鍛件的精鍛成形影響很大，成形方案的擬定和工藝參數(shù)的選擇沒有現(xiàn)成的規(guī)律可循，再加上鋁合金鍛造過程中，由于材料本身鍛造溫度范圍窄[5，6]，需借助數(shù)值模擬技術(shù)對精鍛全過程進(jìn)行仿真模擬，以優(yōu)化6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝。

1 精鍛成形數(shù)值模擬

圖1所示6082鋁合金散熱器，是配合德國博世汽車部件有限公司產(chǎn)品開發(fā)而研制的精密鋁鍛件，具 有外形輪廓復(fù)雜且有局部細(xì)小凸臺和薄壁邊緣等外形突變的特征，常采用鑄造工藝完成。采用傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)鋁合金散熱器，其鑄件的疏松、縮孔、偏析等缺陷降低了零件性能[1]，故宜采用精鍛工藝生產(chǎn)。

圖1 汽車用散熱器鋁鍛件

1.1 建模過程

模擬過程中設(shè)置參數(shù)如下：壓力機(jī)行程280mm，沖頭速度85次/分，鍛造行程13.9mm，坯料溫度450℃，模具溫度250℃，材料在模擬中選擇鋁6061，模具和坯料的摩擦系數(shù)0.3，有限元模型網(wǎng)格數(shù)約20萬，凸臺和細(xì)節(jié)采用網(wǎng)格局部細(xì)化和整體網(wǎng)格重劃分。建模過程如圖2所示。

圖2 建模過程

如圖3所示實(shí)物圖可以看出其缺陷主要有：①A和B角度位置有褶皺（凹陷）；②1～4方形槽角度有大量折疊；③圓周凹槽內(nèi)側(cè)有折疊；④圓桶壁外側(cè)有折疊。圖4所示模擬結(jié)果顯示與圖3完全吻合。中心金屬向4個(gè)角度流動(dòng)，是形成折疊和角度起皺的主要原因。其解決方案為減少此種金屬流動(dòng)。

如圖5所示折疊和皺皮缺陷分析圖，4個(gè)凹槽周邊容易出現(xiàn)折疊缺陷，原因是凹槽深度較深，且角度圓角較小，金屬流動(dòng)規(guī)律為槽內(nèi)金屬先往外流動(dòng)，隨著壓下量增加金屬回流補(bǔ)充角度空隙，金屬回流導(dǎo)致金屬折疊產(chǎn)生。降低折疊產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的建議：適當(dāng)增大圓角或降低凹槽深度。

在角A和B位置容易出現(xiàn)起皮褶皺現(xiàn)象，A和B位置沒有凸起，多余金屬只能往飛邊槽流動(dòng)，而由于存在板筋結(jié)構(gòu)，金屬流動(dòng)阻力很大，導(dǎo)致金屬在該處堆積，進(jìn)而產(chǎn)生起皮缺陷。解決方法建議：制坯時(shí)可稍微減少該處材料，或改善潤滑，降低摩擦阻力。

圖3 實(shí)物分析圖

圖4 模擬分析結(jié)果

圖5 褶皺模擬示意圖

1.2 上模充填和金屬流動(dòng)分析

如圖6所示金屬流動(dòng)規(guī)律示意圖。由圖可見充型順序?yàn)椋簣A周凹槽-底板4個(gè)方形凹槽-中間圓形凸臺-中心圓形凸臺周邊的小型凸臺-分布周邊的小凸臺。由充型順序看，周邊小凸臺的成型較為困難，阻力較大，不利于充填飽滿；圓周凹槽的先成型容易形成很大的金屬向飛邊槽流動(dòng)的阻力，而不利于成型。1、2、3、4、5、6位置的凸臺基本完全充滿，但是模擬沒有考慮排氣不順帶來的阻力。因而分析認(rèn)為此處充不滿的主要原因是排氣問題，適當(dāng)改善排氣是解決問題的關(guān)鍵。

圖6 上模充型示意圖

此處的金屬流動(dòng)阻力較大，不利于充型。改善建議：改善潤滑和入口的圓角，適當(dāng)增加深度，在需要機(jī)械加工位置可在保證精度的情況下適當(dāng)增加其深度，并設(shè)置必要的排氣裝置。

1.3 下模充填和金屬流動(dòng)分析

下模金屬充型整體效果較好，特別是凸臺位置。圓周面臺階位置容易出現(xiàn)折疊缺陷，圓桶部分填充良好，如圖7所示。

1.4 四周剝皮折疊缺陷的形成過程

如圖8所示，圓筒外壁上出現(xiàn)剝皮折疊缺陷，形成原因：制坯圓筒直徑略大于模具的直徑，因而出現(xiàn)了很薄一層金屬被剝離最后形成圓周折疊缺陷。解決方法建議：制坯優(yōu)化，如減小直徑。

圖9所示是剖面金屬流動(dòng)規(guī)律。由圖可見，C處不容易充填飽滿，原因是下模此處是空腔，金屬要上下分流，因而利于向下充型而難于向上充型。B處金屬流動(dòng)阻力很大，容易受擠壓而出現(xiàn)褶皺缺陷。

圖7 下模充型示意圖

圖8 圓筒外壁剝皮折疊缺陷

圖9 剖面金屬流動(dòng)規(guī)律

1.5 溫度場分析

如圖10所示，溫度分布總體比較均勻；上模凸臺頂面溫度小，流動(dòng)阻力較大，不利于成型。

圖10 溫度場分析

1.6 精鍛工藝優(yōu)化

從優(yōu)化后的模擬結(jié)果及試模樣件（圖11）可見，凸臺、薄壁片的應(yīng)力和應(yīng)變值相差不大且分布較均勻（分別約為99.5MPa、1.87mm/mm），表明金屬流動(dòng)順暢且充填完全[7-9]。由圖11c也可看出，各部位金屬分布有利于坯料在成形中均勻流動(dòng)，能較好地改善成形均勻性。

圖11 精鍛數(shù)值模擬結(jié)果及試模精鍛件

2 結(jié)論

借助數(shù)值模擬技術(shù)成功預(yù)測了鋁合金鍛造過程中的缺陷如折疊、充不滿、起皺等，并提出解決這些問題的措施。經(jīng)生產(chǎn)試模驗(yàn)證，獲得無折疊、充不滿、起皺等缺陷的6082鋁合金散熱器精鍛件，驗(yàn)證了精鍛成形工藝的合理性，可為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒。

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[2] 宋志海.汽車用鋁合金及其塑性加工技術(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006：41（5）：14-17.

[3] 金泉林.鋁合金6061的熱變形力學(xué)行為與微觀組織演化規(guī)律[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（6）：51-57.

[4] 韋 韋華.6082鋁合金筋類鍛件熱變形行為及組織性能研究[D].北京：北京機(jī)電研究所，2013.

[5]胡道春，王 蕾.基于加工圖的6082鋁合金熱成形性能研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2015，36（5）：223-229.

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Prediction of folding defects and optimization of precision forging process for 6082 aluminum alloy heat sink

LUO Zewei1,HU Daochun1，2,RUAN Hubin1,GE Binchao1
（1.Mechanical&Engineering College,Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000, Zhejiang China;2.Institute of Mold&Die Technology,Taizhou 318000,Zhejiang China）

The folding is a common defect in the aluminum precision forging process.The simulation has been carried to the precision forging process of 6082 aluminum alloy heat sink for the automobile by use of DEFORM-3D software.By combination of metal flow law and the stress&strain distribution,the reason for folding defects during precision forging process of aluminum alloy has been analyzed.The results show that unreasonable die design,irrational selection of billet profile,bigger press-down value and uneven lubrication can cause uneven flow of metal,while the local region of the metal has been firstly filled then returned which causes the folding defect.By optimization of technical parameters,billet profile,and die structure,the 6082 aluminum alloyheat sink without defects have been obtained in both simulation and experiments.

6082 aluminum alloy heat sink;Numerical simulation;Folding defect;Process optimization

TG319

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.025

1672-0121（2016）02-0095-03

2015-11-10；

2016-01-23

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目；2015年度校級大學(xué)生科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（2014DKC04）

胡道春（1977-），男，講師，工程師，從事材料成形工藝及模具技術(shù)研究。E-mail：springer_1028@163.com