馬俊林，宋健，李萍

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

鋁合金具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、機(jī)械加工性能優(yōu)良以及可再生性好、資源豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來在航空航天、大型電子器械、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為理想的輕量化材料。

鋁合金連接塊在大量應(yīng)用于大型電子器械中，實(shí)際生產(chǎn)多采用溫?cái)D壓成形。溫?cái)D壓成形具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省原材料、產(chǎn)品性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，而且金屬被加熱，毛坯的變形抗力也會(huì)減小。由于連接塊零件精度要求較高，兩端面在成形后需開設(shè)螺紋孔，其在成形過程中金屬充滿上模膛較為困難，因此，生產(chǎn)制造難度較大，上模載荷大，特別是凹模模芯的壽命低、易開裂，嚴(yán)重制約著企業(yè)的批量生產(chǎn)。文中采用剛粘塑性有限元軟件Defrom－3D對(duì)組合模溫?cái)D壓鋁合金連接塊的成形過程進(jìn)行熱力耦合數(shù)值模擬，將有限元模擬與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合起來，研究連接塊溫?cái)D壓成形過程、模具的受力狀態(tài)與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系，從而為模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，進(jìn)而提出優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)的措施。

1 溫?cái)D壓成形有限元模型的建立

對(duì)某廠連接塊組合模進(jìn)行模擬和優(yōu)化，利用三維繪圖軟件進(jìn)行零件幾何造型與裝配。圖1為連接塊，圖2為連接塊組合模的三維模具圖，原設(shè)計(jì)方案采用的是2層組合式凹模。

圖1 連接塊Fig.1 The actual product of connection block

圖2 三維模具Fig.2 Three dimensional model of porthole die

結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)操作的數(shù)據(jù)，在不影響計(jì)算精度的條件下，適當(dāng)簡化模型。采用模型的1/2進(jìn)行模擬，忽略加熱后取料過程中的熱量損失，僅模擬溫?cái)D壓成形過程及成形過程中的熱傳導(dǎo)過程。

坯料為鋁合金5A06，尺寸為50 mm×50 mm×20 mm，初始溫度為400℃。試驗(yàn)中，模芯材料為7CrSiMnMoV，預(yù)應(yīng)力圈材料為40CrMo4，模具初始溫度為200℃。試驗(yàn)采用的潤滑材料為水基石墨乳，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的成形過程分析，設(shè)置摩擦因數(shù)為0.2，坯料與模芯間的導(dǎo)熱系數(shù)為2 N/(m·s·℃)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模擬結(jié)果

模芯在連接塊成形中易開裂失效，因此對(duì)模芯的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。采用 Deform－3D中 Die Stress Analysis模塊，將模芯設(shè)為彈性體，把連接塊模擬結(jié)果中的熱力耦合數(shù)據(jù)和預(yù)應(yīng)力圈對(duì)模芯的收縮力數(shù)據(jù)加載到模芯上，分析在溫?cái)D壓成形各階段的上模載荷變化和模芯應(yīng)力分布，如圖3所示。

如圖3a所示，在坯料圓弧成形階段，載荷增長緩慢，模芯內(nèi)腔應(yīng)力較小;隨著上模繼續(xù)下行，如圖3b所示，在金屬充填下模膛階段，載荷增大但幅度較小，模芯內(nèi)腔應(yīng)力也增大，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;在連接塊最終成形階段，載荷急劇增大，模芯內(nèi)腔應(yīng)力明顯集中且大幅增大，如圖3c所示。在連接塊溫?cái)D壓成形過程中，金屬充填情況良好，沒有出現(xiàn)金屬回流、裂紋等鍛造缺陷，零件尺寸等均符合圖紙要求。

圖3 上模載荷及各階段模芯應(yīng)力分布Fig.3 Load on the top die and stress distribution of the core in each stage

2.2 模擬結(jié)果分析

可以發(fā)現(xiàn)，連接塊溫?cái)D壓成形最后階段，上模所受載荷大。隨著連接塊充填飽滿，金屬可流動(dòng)空間減少，逐漸冷卻，流動(dòng)性變差，上模表面和模芯內(nèi)壁對(duì)坯料的摩擦作用增強(qiáng)，阻礙金屬流動(dòng)，這些因素導(dǎo)致最后階段載荷急劇增大。

同時(shí)，在成形最后階段，模芯內(nèi)腔的各個(gè)邊角處逐漸產(chǎn)生極大的集中應(yīng)力，并且模芯各邊角也會(huì)受到瞬間增大的沖擊載荷。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加和持續(xù)的交變載荷，因而模芯很容易產(chǎn)生開裂而失效，如圖4所示。根據(jù)強(qiáng)度理論，當(dāng)模芯所承受的應(yīng)力超過模芯材料的許用強(qiáng)度，模芯內(nèi)腔應(yīng)力集中處就可能會(huì)產(chǎn)生微裂紋，隨著連接塊變形的繼續(xù)，微裂紋擴(kuò)大至宏觀裂紋，導(dǎo)致模芯開裂。

圖4 模芯裂紋Fig.4 Cracks on the core

3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模擬分析

3.1 上模結(jié)構(gòu)優(yōu)化及載荷

通過溫?cái)D壓成形過程分析可以看出，上模最大載荷是在連接塊成形最后充滿階段?；诮饘倭鲃?dòng)理論和物理試驗(yàn)，可以針對(duì)性地優(yōu)化上模結(jié)構(gòu)。將上模臺(tái)階處內(nèi)側(cè)增設(shè)溢流槽，外側(cè)開設(shè)分流圓角，并且分流圓角到溢流槽的端面上傾1°～2°。這樣，在連接塊溫?cái)D壓最后階段，金屬的流動(dòng)面積增大，上模最大載荷顯著減小。分流圓角和上傾斜度有助于金屬向上模腔內(nèi)側(cè)流動(dòng)，多余的金屬可以充填至溢流槽，連接塊兩上端面易端平，連接塊成形質(zhì)量好。

參數(shù)設(shè)置不變，基于優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的上模再次進(jìn)行模擬分析，將2種方案的時(shí)間－載荷曲線統(tǒng)一分析，如圖5所示。連接塊在溫?cái)D壓成形前期階段，與圖3的趨勢(shì)基本一致，2種方案的載荷基本相同，但在溫?cái)D壓成形最后階段，優(yōu)化上模后，上模最大載荷與原方案相比顯著降低，并且載荷增長緩慢。當(dāng)連接塊成形至基本符合零件質(zhì)量要求時(shí)，上模膛由于設(shè)置了溢流槽和分流圓角，上端面內(nèi)傾，有利于金屬流動(dòng)，金屬可流動(dòng)面積增大，模芯不易形成沖擊載荷。

圖5 2種方案的上模載荷－時(shí)間曲線Fig.5 Load － time curves of the upper die in two schemes

3.2 模芯應(yīng)力分析及理論強(qiáng)度驗(yàn)算

通過有限元軟件模擬對(duì)模芯的應(yīng)力進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的上模后，模芯各邊角處的最大集中應(yīng)力也顯著降低，如圖6所示。模擬結(jié)果表明，模芯最大集中應(yīng)力為1140 MPa。本試驗(yàn)方案采用2層組合式凹模，根據(jù)理論計(jì)算，證明模芯的許用強(qiáng)度大于此時(shí)模芯的最大集中應(yīng)力。

圖6 新方案的最大模芯應(yīng)力分布Fig.6 Maximum stress distribution of the core in the new scheme

本試驗(yàn)采用的是2層組合式凹模，如圖7所示。凹模壓合角γ=1.5°。根據(jù)彈性力學(xué)解答，當(dāng)只受內(nèi)壓力作用時(shí)，2層組合凹模所受應(yīng)力為:

圖7 2層組合式凹模Fig.7 The two－ layer assembled cavity die

式中:r1為模芯內(nèi)半徑;r2為模芯與預(yù)應(yīng)力圈的分界面半徑;r3為預(yù)應(yīng)力圈外半徑;pi為模芯所受內(nèi)壓力。

式中:σs1為模芯材料的屈服極限;σs2為預(yù)應(yīng)力圈材料的屈服極限。

在試驗(yàn)中，模芯材料的屈服強(qiáng)度為2800 MPa，預(yù)應(yīng)力圈材料的屈服強(qiáng)度為1000 MPa，彈性模量E=2.1 ×105MPa。其中，模芯內(nèi)半徑 r1=35.5 mm，預(yù)應(yīng)力圈外半徑r3=125 mm，分界面半徑為r2=56.3 mm，根據(jù)式(3)計(jì)算得出，模芯所能承受的最大內(nèi)壓=1540 MPa。

在原方案中，模芯各邊角受到的最大集中應(yīng)力超過2500 MPa，大于其所能承受的最大內(nèi)壓。上模結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后，模芯各邊角處的集中應(yīng)力顯著降低，最大集中應(yīng)力下降至1140 MPa，低于模芯可承受最大內(nèi)壓。通過物理試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié)論

1)連接塊溫?cái)D壓成形過程中，采用2層組合式凹模，凹模模芯型腔邊角集中應(yīng)力過高且增大過快，超過其所能承受的最大強(qiáng)度，這是導(dǎo)致模芯早期開裂失效的主要原因。

2)提出的連接塊模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，不僅有效降低了上模載荷和模芯內(nèi)腔邊角的集中應(yīng)力，而且使模芯型腔邊角集中應(yīng)力增長緩慢，提高了凹模模芯的使用壽命。

3)采用理論計(jì)算得到，原方案2層組合式凹模所能承受的最大內(nèi)壓與有限元模擬結(jié)果一致，通過有限元模擬分析可以為模具設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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