7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形工藝

劉 奇 李保永 張素敏 劉 萍 薛 杰

?

7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形工藝

劉 奇1李保永2張素敏1劉 萍1薛 杰1

（1. 北京航星機器制造有限公司，北京 100013；2. 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

研究7A04鋁合金接頭等溫擠壓工藝，通過Deform分析成形過程中金屬充填流動、載荷變化以及變形均勻性情況。設計了接頭等溫擠壓結構和模具，通過工藝試驗驗證等溫擠壓工藝參數，并獲得了滿足要求的等溫擠壓件。其中，模具溫度(400±5)℃，坯料溫度(420 ±5)℃，成形最大擠壓力為3500kN。試驗表明，Deform有限元分析結果與工藝試驗的結果一致，對等溫擠壓工藝研究具有指導意義。采用等溫擠壓工藝制備零件力學性能提高，相較于原“自由鍛造+機械加工”工藝，材料利用率提高57.5%，加工周期縮短約40%。

等溫擠壓；Deform；接頭；有限元分析；7A04鋁合金

1 引言

隨著航空航天事業的高速發展，鋁合金因其比強度高、比剛性高、導熱性好等特點[1]在飛行器制造方面得到廣泛應用。因超硬鋁合金變形難的特點，采用傳統的體積成形工藝易出現充不滿、穿流、折疊等缺陷。同時由于零件表面質量差導致尺寸精度難以滿足要求，需機加工才能保證尺寸精度[2]。等溫成形是指模具的溫度以及坯料的溫度在大致相同的范圍內，零件成形前后溫度幾乎不發生變化的塑性成形技術。該技術模具溫度可控，成形過程中零件溫度和模具溫度可控，金屬成形過程中變形抗力低，金屬的流動性好[3，4]。此外，與常規的擠壓工藝相比較，等溫擠壓工藝生產的零件組織更加均勻，力學性能也有不同程度的提高，在航空航天以及汽車領域廣泛應用[5～7]。航天領域接頭類零件常采用“自由鍛件+機械加工”傳統工藝方法生產，存在工序多、材料利用率低、機加成本高等問題，因此，研究7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形工藝，設計等溫熱擠壓接頭結構，借助Deform有限元分析軟件分析了成形過程金屬流動、成形力變化以及缺陷產生情況，設計了等溫熱擠壓模具，并通過工藝試驗獲得滿足要求的接頭零件。

2 成形工藝方案制定

2.1 成形方案制定

該接頭為某飛行器7A04鋁合金關鍵承力結構件，原采用“自由鍛件+機械加工”傳統工藝方法生產，原自由鍛造工序多、周期長，且后續機械加工量大，材料利用率僅約為7%，考慮到采用一般擠壓成形方法在成形過程中邊角部位尤其是薄壁處易出現充填不到位現象，可能會造成零件超差或者不合格。因此，提出采用閉式等溫擠壓成形工藝方法。其主要工藝流程：下料→預潤滑→加熱→潤滑→等溫擠壓→檢驗→固溶時效處理→性能檢測→精加工。

2.2 等溫擠壓結構件設計

圖1 零件圖

三維外形尺寸約160mm×75.9mm×49.4mm，底部對稱分布兩帶通孔的連接凸耳、內部有變截面復雜立筋，外壁為變壁厚近三角結構，如圖1所示，該接頭形狀復雜且對尺寸精度要求較高，因此，等溫擠壓后接頭零件難以滿足直接使用要求，需在接頭零件基礎上合理設計等溫擠壓結構，設計過程遵循：a.單邊留取機加余量并簡化復雜部位結構；b.結構在后續精加工過程中便于裝卡和確定加工基準；c.結構應便于零件脫模，設計合適的拔模斜度。完成等溫擠壓結構設計，如圖2所示。首先，機加余量過小會導致機加過程借量范圍小而增加機加難度，機加余量過大會增大機加量，因此，單邊余量設計為3～4mm；其次，便于為后續機加過程裝卡定位，上下面均設計平面；最后，在寬度方向設計拔模斜度為3°，長度方形設計拔模斜度為2°，便于等溫擠壓成形后零件脫模。

圖2 等溫擠壓件圖

3 有限元分析及模具設計

3.1 有限元分析

圖3 有限元模型

根據接頭的等溫擠壓結構尺寸，建立等溫成形有限元分析模型，如圖3所示，根據體積不變原理，確定毛坯尺寸為166mm×55mm×60mm。選用四面體網格劃分方式，其中網格數量為67707個，節點數量為15021個，最小網格單元尺寸為1.39mm。軟件自帶的材料庫中暫無7A04鋁合金數據，因此選用與7A04鋁合金相近似的7075鋁合金數據進行計算[8]。不考慮模具的變形以及溫度的變化，在前處理設置中將模具設為剛性體，溫度設定為420℃，選擇Coulomb摩擦模型，假設摩擦因子恒定，設為0.3[9]。

接頭在等溫擠壓成形過程中，受上模的向下擠壓，而在上模和下模形成的封閉模腔中成形，等溫擠壓過程零件變形充填情況見圖3，整個擠壓成形過程是靠近凸模一側的反向擠壓和靠近凹模一側的正向擠壓同時復合擠壓，上下兩側均為兩端先充填中間部位后充填，最后完成邊角部位的充填。

圖4 等溫擠壓變形充填情況

接頭等溫擠壓過程中金屬變形充填情況如圖4所示，成形力變化曲線如圖5所示，成形初始階段，坯料的成形類似于自由鐓粗，模具與坯料的接觸面積逐漸增大，所需的成形力也緩慢增大；當行程約為15～35mm時，模具坯料的接觸面積變化不大，成形力變化趨勢也不明顯；當行程約為35mm時，成形力約為 530kN，上模完全與坯料接觸，坯料在各部位開始進行充填，載荷大小急劇增加，隨著上模下壓；當行程約為53mm時，大部分位置已填充完畢，只有局部邊角位置還未填充到位，成形力呈直線上升，等溫擠壓件近似處于三向壓應力狀態，擠壓過程結束時最大成形力約為3200kN。

圖5 成形力隨上模行程變化曲線

為等溫擠壓件等效應力云圖如圖6所示，等溫擠壓件的大部分區域的等效應力在40～50MPa，變形充分均勻，最大值為83.4MPa，出現在擠壓件邊緣邊角部位。折疊缺陷位置示意圖如圖7所示，折疊缺陷主要集中在凸模和凹模過渡邊緣區域，此區域會產生飛邊導致折疊，且該部位為工藝余量部位，不影響零件最終成形質量。

圖6 等效應力分布云圖

圖7 折疊缺陷出現位置

3.2 模具設計

根據試接頭等溫擠壓結構件，設計了接頭等溫擠壓模具，如圖8所示，模具主要由上模板、凸模墊板、凸模、應力圈、凹模、凹模墊板、下模板和頂桿等8部分組成。其中頂桿如圖9所示，設計為兩級臺階過渡形式，這樣即能保證頂桿附近飛邊較小又能保證頂桿同凹模間無相對運動卡澀現象。由于鋁合金等溫鍛造溫度一般在400～500℃，同時考慮降低模具成本，因此模具主要工作部分包括凸模、凹模、應力圈和頂桿等材料選用H13 熱作模具鋼（4Cr5MoVSi1），上模板、凸模墊板、凹模墊板和下模板等材料選用45#鋼，其中H13熱作模具鋼淬火硬度在HRC45～50，45#鋼淬火硬度為HRC28～32。

1―上模板 2―凸模墊板 3―凸模 4―應力圈 5―凹模 6―頂桿 7―下模板 8―凹模墊板 9―凸模固定板 10―接頭

圖9 頂桿示意圖

4 方案驗證及性能分析

4.1 工藝方案驗證

接頭等溫擠壓成形工藝試驗，工藝參數參照前人工藝試驗[10]確定的優化工藝參數并稍作調整。模具溫度(400±5)℃，坯料溫度(420±5)℃，成形噸位比有限元分析最大成形力稍微大些，設置為3500kN，等溫擠壓成形后固溶時效處理。坯料實物如圖10a所示，等溫熱擠壓件如圖10b所示，表面處理后等溫熱擠壓件如圖10c所示，該工藝方案能成形出滿足尺寸要求的接頭，無缺肉、裂紋缺陷。等溫擠壓見在固溶時效處理后經精加工可獲得滿足要求的接頭零件，材料利用率提高57.5%，加工周期縮短約40%。

圖10 試驗件前后對比圖

4.2 等溫擠壓件性能分析

分別分析H112狀態的7A04鋁合金原材料和固溶時效狀態的7A04鋁合金等溫擠壓件力學性能，結果如表1所示。固溶時效狀態的等溫擠壓件力學性能相對于H112狀態的原始材料有一定提高。檢測固溶時效狀態的等溫擠壓件組織，結果如圖11所示，可知組織無過燒、過熱現象。

表1 材料性能數據對比

圖11 等溫擠壓件固溶時效后內部組織

5 結束語

a. 借助Deform軟件，分析了7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形過程中金屬流動充填情況、成形力不同階段變化情況以及缺陷可能出現位置，用于實際生產工藝指導；

b. 通過模具設計以及工藝試驗驗證，獲得了滿足質量要求的接頭等溫擠壓件，該工藝可代替原有“自由鍛造+機械加工工藝”，材料利用率提高57.5%，加工周期縮短約40%；

c. 采用等溫擠壓工藝制備接頭零件，力學性能滿足要求，相較于原材料有一定提高，且組織無過燒、過熱現象，滿足標準要求。

1 龔小濤，周杰，徐戊嬌，等. 鋁合金等溫鍛造技術發展[J]．鍛壓裝備與制造技術，2009(2)：23～25

2 王兵，李建洲，張龍飛，等. 7A04鋁合金接頭等溫鍛造成形工藝研究[J]. 航天制造技術，2015(5)：30～32

3 劉芳，林忠欽，單德彬，等. 2A70鋁合金轉子等閉塞式鍛造工藝研究[J]．機械工程學報，2005(9)：161～165

4 廖國防，易幼平，王少輝．航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝[J]. 材料科學與工藝，2012(1)：6～10

5 于洋，張星. 7A04鋁合金等溫擠壓某航空輪工藝與性能研究[J]. 熱加工工藝，2014(9)：141～144

6 陳增奎，張浩，方澤平，等. 7A04鋁合金支撐接頭精密模鍛成形技術研究[J]. 航天制造技術，2016(2)：1～3，61

7 劉奇，李保永，郭曉琳，等. 5A06鋁合金復雜盒形件等溫鍛造工藝研究[J]. 鍛壓技術，2017(6)：16～20

8 李慶杰. 高強度鋁合金機匣體多向精鍛工藝優化[D]. 武漢：華中科技大學，2011

9 Fang Gang, Lei Liping, Zeng Pan. Three dimensional rigid-plastic finite element simulation for the two-roll cross-wedge rolling process[J]. Jorunal of Materials Processing Technology, 2002(129): 245～247

10 李大喬，顏銀標，張頔. 多向鍛造對7A04鋁合金組織與性能的影響[J]. 有色金屬工程，2014(4)：26～29

Isothermal Extrusion Forming Process of 7A04 Aluminum Alloy Joint

Liu Qi1Li Baoyong2Zhang Sumin1Liu Ping1Xue Jie1

(1. Beijing Hangxing Technology Development Co., Ltd., Beijing 100013; 2. College of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

The isothermal extrusion process of 7A04 aluminum alloy joint was studied, and the metal filling flow, load change and deformation uniformity during the forming process were analyzed by Deform. The isothermal extrusion structure and the die were designed, the parameters of isothermal extrusion process were verified by the process test and the isothermal extrusions which meeting the requirements were obtained. Among, the die temperature is (400±5)℃, the billet temperature is (420±5)℃, and the maximum force of forming is 3500kN. The test shows that the results of finite element analysis are consistent with the results of the process test, and have guiding significance for the isothermal extrusion process research. The mechanical property of the parts prepared by the isothermal extrusion process is improved. Compared with the original “free forging+machining” process, the material utilization rate is increased by 57.5%, and the processing cycle is shortened by about 40%.

isothermal extrusion；Deform；joint；finite elements analysis；7A04 aluminum alloy

劉奇（1990），工程師，材料加工工程專業；研究方向：金屬塑性成形。

2018-09-18