董洪波 王高潮 常 春

南昌航空大學,南昌,330063

0 引言

在模具及工藝設計過程中,如何避免成形缺陷是每個設計者需要認真考慮的問題。隨著現代產品向輕型、高精度和低成本方向發(fā)展,整體鋁合金鍛件的應用越來越廣泛,而且對鍛件的尺寸精度、機械性能和流線分布的要求也越來越高。對于形狀復雜的鍛件,由于金屬流動復雜且成形過程難以控制,非常容易出現充不滿、折疊和流線紊亂等缺陷,目前對該類鍛件缺陷的形成機理的研究還不夠深入,一般只是針對鍛件進行成形工藝分析[1-2],所采用的分析手段主要有實驗模擬、理論分析和數值計算[3-5]。隨著計算機及計算技術的迅猛發(fā)展,以有限元法為代表的數值模擬方法已廣泛應用于金屬塑性成形過程分析中[6-9]。

本文以6061鋁合金杯形件為研究對象,采用數值模擬計算和實驗相結合的方法,研究了幾種規(guī)格擠壓件的成形缺陷及產生機理,研究結果對同類產品模具設計及工藝控制具有指導意義。

1 實驗材料和方法

實驗用原材料是商業(yè)用6061鋁合金。將熱擠壓鋁合金棒材首先進行退火處理,具體工藝為：415℃保溫3h+30℃/h爐冷。熱處理后的棒料加工成φ25mm×21.7mm圓柱試樣。零件的幾何形狀如圖1所示,具體規(guī)格尺寸如表1所示。通過變換連皮的位置來分析材料的成形性能及影響因素。

圖1 零件幾何圖

根據零件和設備的特點,設計了專門的擠壓模具、凹模固定、凸模運動。在WAW-1000C微機控制電液伺服實驗機上進行室溫擠壓變形,采用機油作潤滑劑。將擠壓后的零件沿軸線剖開,拋光、侵蝕,然后觀察金屬流線及缺陷。

表1 零件尺寸規(guī)格

2 有限元模型的建立

分別采用商用有限元軟件Deform-3D和MSC.Superform構建三維和二維彈塑性模型。6061鋁合金力學性能具體如下：彈性模量為68.9GPa,泊松比為 0.33,密度為2.73g/cm3,應力-應變關系σ=220ε0.211(MPa)。對于該軸對稱問題,取零件的四分之一,采用四面體單元構建三維模型;取零件剖面的一半,采用四邊形單元構建二維模型。單元平均尺寸約0.5mm。為了避免單元嚴重畸變或穿透模具,需要激活網格重劃分功能。凸凹?？醋鲃傂怨ぞ?凸模以0.1mm/s恒速運動,摩擦因數取0.15。

3 模擬結果

Deform-3D三維模擬結果見圖2,除了零件局部充填不足外,在下杯體深度h=4.25mm的擠壓件的凸緣處發(fā)現折疊。除此之外,沒有發(fā)現其他成形缺陷。

圖2 各規(guī)格擠壓件三維模擬結果

凸緣處折疊的形成過程在MSC.Superform二維模擬中也可以清楚地觀測到(圖3),圖3c中的云圖為等效塑性應變的分布,顏色越深表示變形程度越大。在變形的開始階段主要是正擠壓,在下模腔基本充滿后,變形變?yōu)榉磾D壓。但是在正擠壓時,上部坯料向凸緣模腔略有延展,在模腔拐角處產生明顯的直角壓痕。當坯料轉為反擠壓時,帶有壓痕的坯料向上流動,直到碰到下壓的上模壁,才進一步向凸緣模腔內填充。直角壓痕在變形過程中無法消除,而會逐漸轉化為凸緣處的折疊。

圖3 下筒深度h=4.25mm的擠壓件的二維模擬結果

圖4 下筒深度h=0的擠壓件的二維模擬結果

在二維模擬結果中,除了凸緣處折疊外,還發(fā)現了其他折疊缺陷。圖4為下杯體深度h=0的擠壓件,在坯料頂部出現了明顯的折疊缺陷。折疊出現后,隨著變形量的增加,折疊一側的金屬壓縮得越來越薄,當厚度小于最小單元的尺寸時,網格重劃分之后,折疊就會消失。圖4b為變形結束后的單元形貌,在工件的頂部已沒有折疊缺陷,此結果顯然沒有正確反映工件的真實狀況。因此,在模擬擠壓成形時,一方面要盡量減小最小單元尺寸,以便捕捉小的成形缺陷,另一方面,應注意分析變形過程中工件及單元的變化,不能僅以模擬件的最終形態(tài)來決定其成形質量。此類缺陷在h=4.25mm和h=8.50mm的擠壓件中也都存在。圖5為下杯體深度h=17.00mm的零件,在連皮與筒壁連接的拐角處發(fā)現存在嚴重的折疊缺陷。

圖5 下杯體深度h=17.00mm的擠壓件的二維模擬結果

4 實驗結果

實驗擠壓件的剖面圖見圖6～圖8,缺陷的位置及形貌與模擬結果完全吻合。但是在下杯體深度h=4.25mm的擠壓件中,除了已發(fā)現的凸緣處折疊和頂部折疊外,在縱剖面上發(fā)現連皮與下筒壁連接處還存在細小裂紋(圖9)。根據零件結構及流線走向,判斷為流線切斷。但是在模擬結果中,該部位在變形的不同階段沒有發(fā)現任何缺陷。為了觀察金屬的流動情況,使用了MSC.Superform軟件的“質點跟蹤”功能。因為頻繁的網格重劃分使得變形區(qū)的網格形狀及數量不斷變化,所以不能使用單元或節(jié)點來跟蹤變形金屬的流動蹤跡。利用已定義好的質點可以很好地完成此項任務。首先在未變形體的下表層選取部分節(jié)點作為質點(圖10a),變形結束后這些質點的流動軌跡如圖10b所示。下模腔充滿后金屬不再流動成為“死區(qū)”。繼續(xù)變形時,后續(xù)金屬沿“死區(qū)”的邊界線流動。某些表面質點進入了坯料內部,切斷了金屬的連續(xù)性,形成了裂紋。

圖6 下杯體深度h=4.25mm的擠壓件的凸緣處折疊

圖7 下杯體深度h=0的擠壓件的頂部折疊

圖8 下杯體深度h=17.00mm的擠壓件的連皮處折疊

圖9 下杯體深度h=17.00mm的擠壓件的連皮處裂紋

圖10 下杯體深度h=4.25mm的擠壓件的二維模擬結果

5 結論

(1)幾種規(guī)格的鋁合金杯形件均存在成形缺陷,主要表現為充填不足、折疊和裂紋。連皮的位置對缺陷的種類及位置有影響。

(2)正確使用有限元技術能直觀地再現材料的流動趨勢,準確預測成形缺陷,特別是坯料的填充情況和折疊的形成過程。但是由流線切斷所形成的細小裂紋無法直觀預測,需要根據材料質點的流動軌跡來判斷。

(3)對于該軸對稱問題,二維有限元模型計算結果優(yōu)于三維模型,計算結果對優(yōu)化模具及工藝有指導意義。

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