8、铝合金筋板件等温局部加载成形工艺

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1、铝合金筋板件等温局部加载成形工艺贺鹏 周香 李贝贝 薛克敏 李萍(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)摘要 针对现有设备吨位已不能满足铝合金筋板件传统锻造加工方法的要求，并且不可避免地会产生诸如充填不满、折叠等成形缺陷，本文采用等温锻造成形筋板件，并通过UG软件三维造型后导入DEFORM-3D有限元分析软件进行研究。考虑到成形质量、模具要求以及生产效率，适宜的成形温度为460、加载速度为0.5mm/s；整体加载成形时，成形载荷非常大，在纵横筋交汇处产生大量折叠，在筋板件底部产生了充不满现象；多工步局部加载成形时，成形载荷较整体加载成形时明显降低，但是在纵横筋处的金属折叠

2、仍然存在，并且在筋板件底部仍有少量充不满；不完全预锻+局部加载成形时，不仅成形质量很好，而且成形载荷较小。关键词 筋板件件；数值模拟；局部加载1 引言随着战争形态的变化，高技术兵器时期已到来，也带来了新技术革命，因此对武器装备的要求也越来越高，其中之一就是能够快速机动、快速部署，高速化、轻量化成为未来武器装备发展方向之一1。目前对通过降低产品的自重以增加其机动性和降低能源消耗提出了追切的要求，对构件复杂程度和性能的要求也越来越高。同时要求金属纤维组织尽可能与零件的几何外形一致，以避免流线露出端面产生应力腐蚀而造成零件失效。铝合金筋板类构件在航天、航空领域有着十分广泛的应用。为满足减重的需要，这

3、类构件通常被设计成薄腹板并带有纵、横内筋的结构，采用传统的加工方法不但现有设备吨位不能满足要求，而且不可避免地会产生诸如充填不满、涡流、折叠等成形缺陷2-3。采用等温模锻技术虽然可以解决薄腹板和高筋的成形问题，但是会增加成形难度，在高筋处会产生涡流、折叠等缺陷。随着筋板件类构件的广泛应用，寻找一种既能保证构件使用性能，又能节约成本、提高生产效率的加工方法成为迫切需要解决的问题4。随着等温成形技术的发展，近年来，有关学者针对此类复杂零件提出等温局部加载成形技术，并在钛合金大型航空件上实现量产，为筋板的成形提供了一种新的可能5。2 有限元模型建立2.1 三维建模按照零件的CAD图纸，使用UG软件对

4、零件进行三维建模。如图1所示，在金属流动直角过度处使用合适的圆角处理（剧烈流动处圆角为3mm，一般流动处圆角为1mm）。2.2 坯料尺寸的计算毛坯尺寸，是根据毛坯体积等于挤压件体积的原则计算求得的。即：V0=V+V；式中 V0 毛坯体积； V 挤压件体积，由UG软件建模可求得； V修边体积，一般取挤压件体积的2-3。图1 零件三维模型由三维造型后通过UG软件计算出：V=3088547.8mm3，为了在实际生产中便于放料，坯料平面轮廓比零件轮廓（长宽为366203）略小，即长宽为360200mm2，计算得到高为42.9mm。根据以上公式：坯料高H=42.9(1+2-3)=44mm。2.3 零件成

5、形性分析对零件的三维模型进行分析，可以发现零件的正面体积分布较为均匀，都是网格状;而反面体积分布极其不平衡，有网格，有高台，有平面。如果初始坯料为方形坯料，那么中部需要很多其他部位金属流入，右部要流出很多金属到中部，左部也要流出较多金属到中部，金属流动很不均匀，易产生各种缺陷，如涡流、折叠、充不满等，总体上金属流动规律是两头金属向中间流动。所以，成形工艺的重点是如何让两头的金属均匀的流向中间，而不产生缺陷。3有限元数值模拟过程3.1 模拟前的准备运用Deform-3D软件对7075铝合金筋板件件进行多个探索模拟实验，通过比较各个模拟实验的过程与结果，得到了7075铝合金筋板件较为合理的成形工艺

6、：成形温度应为460左右；加载速度应为0.5mm/s左右；润滑剂应采用较好的油基石墨润滑剂，摩擦因子为0.3；加载方式为两道次局部加载时，第一道次变形量应比第二道次要大；上模间的分界线以肋的中心线适宜；对金属流动以直角过度的地方应圆角化处理6-10。零件由左中右三个明显的特征组成，并且我们的模拟实验为局部加载，所以将上模分为三个：上模一、上模二、上模三。上模一与上模二的分界线为第二横肋的中心线，上模二与上模三的分界线为第三横肋的中心线，如图1所示。确定好上模分界线以后，我们就可以根据零件的三维模型图使用UG软件反求得到模具的三维模型，如图2所示。图2 局部加载有限元模型图2非常醒目暴露出一个缺

7、陷坯料的左侧与中间是悬空的，并且中间悬空度很大，这对成形过程非常不利，很容易使中间金属产生拱起，左侧金属翘曲。如果上模一第一个加载，那么坯料必定弯曲,如果上模二第一个加载，那么坯料必定翘曲和V形弯曲，所以第一个加载的必定是上模三，考虑到刚开始上模一与上模二的载荷非常小（图3所示的载荷时间图清晰可知），模拟时第一道次三个上模同时下压。3.2成形过程分析3.2.1 局部加载实验模拟为了探索这个较为复杂的筋板件的合理成形工艺，本课题进行了多个模拟方案。从生产效率上考虑，工序越少越好，所以我们可以在没有预锻的情况下多做些探索。先前分析我们知道该零件成形时的金属流动非常不平衡，通过设定三道次局部加载方案

8、来研究没有预锻的局部加载工艺可行性。没设为两道次，是因为第一道次用来使坯料与下模左侧接触，避免弯曲的产生。整个成形过程来说，局部加载具有将多余处金属挤向不足处的优势，但是由于转移的金属量相对过大，导致肋板以一种前推的方式成长，最后产生很多汇合点，如果汇合点金属向上流动不够就会以折叠、涡流的形式存在。载荷方面，左侧触底前，上模一最大载荷为19.3t，上模二的载荷非常小，几乎为零。从整个过程来讲，上模三的最大载荷为800t左右，上模二最大载荷为420t左右,上模一的最大载荷为350t左右，可以预测整体加载成形的载荷会远远超过以上值。3.2.2 整体加载实验模拟为比较局部加载和整体加载区别，还设置了

9、整体加载实验模拟。整体加载的成形过程可以看出，左侧的悬空缺陷避免不了，所以在加载前期，右部会在上模的下压时形成肋，而左部因为下面没有支撑基本做向下平移运动，不会有较大变形。金属的流动的均匀性很难保证，因此最终产生了大量折叠、涡流、充不满等缺陷。整体加载成形时，载荷量是一直在增加的，而局部加载成形由于上模间的更替会波动很大。相对于局部加载成形的最大载荷800t,整体加载成形达到了惊人的1850t，这说明局部加载成形在降低载荷方面具有很大的优势。3.2.3 含不完全预锻的局部加载实验模拟最后考虑到金属流动的均匀性，必须还得进行有预锻的局部加载实验模拟。根据零件的结构特征，零件具有明显的左中右结构，

10、预锻模膛应该也分为左中右结构。初次设计预锻模膛时，先以反面凸台的左右为界限。所谓预锻就是用来平衡分布坯料体积，使后续成形更为均匀。局部加载一个很大的优势是降低载荷，如果预锻的载荷过大，就失去了局部加载的意义。完全预锻载荷-时间曲线可以得到预锻最大载荷为1000t，此时为完全压下量11mm；不完全预锻载荷-时间曲线可以得到预锻最大载荷为750t，此时为不完全压下量10mm。压下量相差1mm，而载荷却差了250t，足见这在预锻是划不来的，因为预锻主要目的是平衡分配金属体积，最终的形状是否与预锻模膛完全一致并不重要，只要基本一致就可以。通过上述比较，可以预见不完全的预锻将在零件体积分布极度不均匀的局

11、部加载中广泛应用。不完全预锻工步结束后，在Deform-3D软件将局部加载的各模具三维模型导入，进行局部加载模拟。从成形过程可知，模膛的右侧比左侧高了很多，预锻毛坯放入模膛后，左部与中间人处于悬空状态，这对后续成形不利，必须先加载使得左侧触底，有了着力点，才能使左侧受压变形，否则左侧下面处于无约束状态，成形不稳定。最终成品可知，不完全预锻+局部加载成形时，不仅成形质量很好，成形缺陷很少，而且成形载荷较小。3.3折叠的形成与消失规律探索为了得到成形质量优良的零件，本文对筋板件件特有成形规律进行探索，图3可知：由于坯料的金属流动方向是从两头流向中间，当两头金属在中间开始汇合时就会产生折叠，如果折叠

12、能在后续成形中有足够的向上流动，就可能会消失掉。首先，右部金属向中间成形，由于肋的阻碍作用，在右部与中部的交汇处形成较大高度差的肋，当右部金属向中间流动，就会与左部来的金属会合，而且此处具有高度差的肋之间的肋还未形成，形成时也会形成会合。上述会合点如果在接下来的成形终不能翻出来，都会形成折叠的。图3 折叠的孕育 图4折叠的形成与消失规律观察成形过程时折叠的形成与消失的过程，绘制图4所示折叠的形成与消失规律示意图。（a）图表示上模三下压时，金属由右侧向中间流动，但是金属流动量相对很大，又因为肋的阻碍，金属很大一部分是沿着肋流动，这样就会使得中部金属不够，没有形成较高肋，而右侧很高的肋向中部推进，

13、形成了肋的较大高度差。（b）图表示上模三停止下压，上模一下压时，金属由左侧向中间流动，也是因为肋的阻碍，金属很大一部分是沿着肋流动，此时中间金属还是不够，形成不了肋的阻碍，金属很大一部分是沿着肋流动，而左侧很高的肋向中部推进，形成了肋的较大高度差。（c）图说明两个前进且具有高度差的肋相遇，形成了折叠，但是由于上模二下压（此时上模一也停止），使得折叠处的金属向上流动。（d)图说明随着折叠处金属向上流动，折叠不断向上翻，当达到一定程度，折叠消失。4 结 论（1）等温局部加载最大的优势在于：模具与坯料处在相同温度，可以显著改善坯料的塑性和流动能力；局部加载能较大程度解决载荷过大问题，使得较小吨位压力

14、机成形大型复杂件成为可能；等温局部加载在不提高载荷的情况下可以大大提高了金属流动的均匀性，坯料分布更加平衡。（2）零件的金属体积分布极度不平衡时，即本文的筋板件，如果不进行预锻，虽然在降低锻造载荷、控制变形区的位置、控制金属的流动方向有较好的优势，局部加载并不能很好体现得到较好质量的工件的优势，最终零件仍可能存在折叠、涡流等问题。（3）成形时载荷的变化规律：刚开始载荷增加都比较缓慢，结束时急剧增加。利用此规律，进行不完全的预锻就可以消除预锻时产生大载荷而抵消了局部加载降低载荷的极大优势。所谓不完全预锻，就是预锻省略了普通预锻时的最终结束阶段。参考文献1 吕炎精密塑性体积成形技术M北京:国防工业

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