胡陽(yáng)虎，權(quán)曉惠，徐生華，張營(yíng)杰，張宗元，柴 星

(1.金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401326)

0 前言

鋁作為一種常見(jiàn)金屬，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。而擠壓鋁型材產(chǎn)品也在很多行業(yè)被大量使用[1-3]。我國(guó)已經(jīng)是全球最大的鋁擠壓材生產(chǎn)、出口和消費(fèi)大國(guó)[4]。鋁擠壓型材產(chǎn)品一般通過(guò)鋁擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，并經(jīng)過(guò)冷卻、牽引、拉伸、鋸切等工序后，成為可供工業(yè)使用的成品鋁型材[5-7]。然而在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，一方面由于鋁型材在模具內(nèi)金屬流動(dòng)性的差異[8-10]，擠壓生產(chǎn)的鋁型材本身就有一定的內(nèi)應(yīng)力，另一方面鋁型材在冷卻過(guò)程中，由于散熱不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而造成工件內(nèi)部應(yīng)力集中情況更加復(fù)雜[11-12]。在復(fù)雜的應(yīng)力作用下，擠壓鋁型材工件會(huì)產(chǎn)生不確定變形，進(jìn)而影響產(chǎn)品的整體形狀尺寸及外觀質(zhì)量[13-14]。而擠壓鋁型材的拉伸工序，可以有效改善工件大尺寸的扭擰及彎曲[15-16]，但對(duì)于工件局部變形的矯正則效果較差。為了改善工件的局部變形，目前多數(shù)企業(yè)通過(guò)輪式輥矯機(jī)矯形或人工手工矯形對(duì)工件進(jìn)行矯正[17-19]。其中，采用輪式輥矯機(jī)矯形，需要操作工人根據(jù)工件變形情況實(shí)時(shí)調(diào)整矯正輥輪的位置，矯形效果極其依賴工人的經(jīng)驗(yàn)，而且工件通常需要多道次的矯正才能達(dá)到矯形效果。而人工手動(dòng)矯形則通常借助仿型模具，并通過(guò)工人的手動(dòng)敲打進(jìn)而達(dá)到矯形的目的。該種方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，矯形產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也較差。

高頻精密鍛造可以對(duì)工件實(shí)現(xiàn)快速的鍛造加工，同時(shí)還能保證較高的鍛造精度。因此，通過(guò)該加工方式對(duì)擠壓鋁型材的變形進(jìn)行矯正，不僅可以快速對(duì)工件進(jìn)行矯形處理，還可以得到質(zhì)量穩(wěn)定的矯形產(chǎn)品。由于該矯形方法是一種新型的加工方法及加工工藝，因此，為了驗(yàn)證該加工方法的可行性，本文將對(duì)該加工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，并通過(guò)相關(guān)工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 模型的建立

本文選取了一種槽型鋁擠壓型材工件進(jìn)行分析。型材工件的交貨外形如圖1a所示。由于擠壓工藝的影響使工件發(fā)生變形，工件外形尺寸會(huì)有所變化。同時(shí)該變形本身具有較大的不確定性，因此本文將針對(duì)該類(lèi)型工件的一種常見(jiàn)變形進(jìn)行分析，該變形的典型工件外形如圖1b 所示，工件的底邊存在明顯的向上翹曲變形。該翹曲變形的角度為5.0°，底邊最外側(cè)邊緣的翹起高度為1.57 mm。

圖1 型材工件外形

建立有限元分析用的模具裝配模型，包括上模、工件及下模，其中上模及下模的工作帶寬度為4 mm。如圖2所示。

模型建立后，將其導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，對(duì)各部件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。上模與下模材料為碳素鋼，設(shè)置為彈性材料，彈性模量200 GPa，泊松比0.3；工件材料為鋁，合金牌號(hào)為2024，設(shè)置為彈塑性材料，彈性模量73 GPa，泊松比0.32，屈服強(qiáng)度為325 MPa。

圖2 工件與模具裝配圖

2 邊界條件的設(shè)置

對(duì)上模、下模與工件接觸面進(jìn)行接觸設(shè)置，其中上模與下模相關(guān)表面均為主面，從面均為工件表面。分別將上模、下模與相應(yīng)參考點(diǎn)標(biāo)記，一方面便于對(duì)上模、下模進(jìn)行邊界條件設(shè)置，另一方面也便于在計(jì)算結(jié)果中對(duì)工件整形作用力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

邊界條件的設(shè)置。包括對(duì)下模進(jìn)行完全約束設(shè)定，對(duì)工件的端面位置以及上模的位置進(jìn)行設(shè)定。為了更為真實(shí)地模擬工件矯形的實(shí)際情況，減小未變形區(qū)對(duì)變形區(qū)的影響及干擾(主要體現(xiàn)為工件的回彈)，該分析將進(jìn)行多步計(jì)算，對(duì)工件進(jìn)行步進(jìn)式送料鍛造整形，即對(duì)一段區(qū)域進(jìn)行整形后，上模回到初始位置，工件向前送進(jìn)一段距離，上模繼續(xù)對(duì)新的一段區(qū)域進(jìn)行鍛造整形。通過(guò)連續(xù)多次鍛造整形，可一定程度上減小未變形區(qū)對(duì)變形區(qū)的回彈影響。因此，本模擬分析將對(duì)工件進(jìn)行6次的連續(xù)鍛造矯形，每次鍛造矯形后工件的送進(jìn)量為2 mm。

同時(shí)由于工件為彈塑性材料，工件在上模與下模的作用下，將發(fā)生一定的塑性變形。同時(shí)，由于彈性變形的存在，上?；氐匠跏嘉恢煤螅ぜ?huì)有一定程度的回彈，該回彈量的大小將影響矯形效果。因此，為了減小回彈，設(shè)置上模下壓并將工件完全壓平使其緊貼于下模工作面時(shí)，上模繼續(xù)下壓一個(gè)微小距離，使工件產(chǎn)生更大的塑性變形，進(jìn)而減小回彈。由于該微小距離無(wú)經(jīng)驗(yàn)參考且對(duì)工件尺寸及材料的性能有較大影響，因此本文將把該參數(shù)作為一個(gè)變量d(以下稱過(guò)載量)，進(jìn)行對(duì)比分析。

邊界條件的加載情況如圖3所示。其中RP-1為上模綁定參考點(diǎn)，RP-2為下模綁定參考點(diǎn)。

圖3 邊界加載示意圖

3 網(wǎng)格劃分及有限元計(jì)算

分別對(duì)上模、工件及下模進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，上模下模選用C3D10M單元進(jìn)行自由劃分，而工件采用C3D8R單元進(jìn)行自由劃分[20]。為了減少計(jì)算量，網(wǎng)格尺寸選取較大。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 計(jì)算結(jié)果分析及討論

經(jīng)有限元分析計(jì)算后，當(dāng)過(guò)載量d為0 mm時(shí)，工件沿豎直方向的變形情況如圖5所示。

圖5 工件沿豎直方向的變形云圖(過(guò)載量d=0 mm時(shí))

由圖5分析可知，經(jīng)過(guò)模具的鍛造整形加工，被加工區(qū)域范圍內(nèi)工件底邊外邊緣處有明顯向下的變形，即通過(guò)整形加工后，該區(qū)域底邊向上的翹曲變形得到改善。該整形區(qū)域內(nèi)底邊最大向下變形值約為1.04 mm。由于金屬回彈及未整形區(qū)域材料的影響，工件底邊未完全消除向上的翹曲，相對(duì)于原始翹曲高度1.57 mm，翹曲角度5°，整形后的底邊仍存在0.53 mm，翹曲角度約為1.69°的向上翹曲。同時(shí)，受到鍛造整形影響，工件的斜邊及頂邊有一定程度的向上翹曲，最大值約為0.21 mm。

當(dāng)過(guò)載量d=0 mm時(shí)，工件的應(yīng)力分布情況如圖6所示。

圖6 工件等效應(yīng)力云圖(過(guò)載量d=0 mm時(shí))

由圖6中可以看到，鍛造整形后的工件在底邊翹曲的根部，存在較大的應(yīng)力集中。該應(yīng)力集中是工件底邊根部在模具作用下產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而使得底邊翹曲變形減小的一種必然現(xiàn)象。同時(shí)，由于底邊根部塑性變形的影響，工件的其他區(qū)域存在一定的應(yīng)力，但并無(wú)較為明顯的應(yīng)力集中情況。

當(dāng)過(guò)載量d=0 mm時(shí)，上模對(duì)工件鍛造整形過(guò)程中的鍛造變形力隨計(jì)算步時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖7 鍛造變形力隨時(shí)間變化曲線(過(guò)載量d=0 mm時(shí))

由圖7中可以看到，該鍛造變形力曲線存在6個(gè)波峰，分別對(duì)應(yīng)6次鍛造過(guò)程中上模達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)的最大作用力。圖中波峰處為平直段是由于該分析步的時(shí)間段內(nèi)，上模的位置未變動(dòng)，因此，該時(shí)間段內(nèi)的作用力也無(wú)變化。同時(shí)，在過(guò)載量d=0 mm時(shí)，最大的鍛造變形力約為36.5 kN。

為了進(jìn)一步減小工件的翹曲，通過(guò)設(shè)置不同的過(guò)載量參數(shù)d，分別進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)比不同過(guò)載量下的分析計(jì)算結(jié)果，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同過(guò)載量下的分析結(jié)果表

從表1中可以看到，當(dāng)過(guò)載量逐漸增大時(shí)，底邊在模具作用下，其整形后的底邊向下變形尺寸逐漸增大，即底邊邊緣翹曲高度及角度逐漸減小。這說(shuō)明一定程度的過(guò)載量可有效的提高工件鍛造矯形效果。但是，由于過(guò)載量的增大，同時(shí)也將導(dǎo)致除工件底邊根部區(qū)域外，工件的其他區(qū)域也將發(fā)生塑性變形，該塑性變形一方面可能導(dǎo)致工件的壁厚減薄造成工件尺寸超差，并且使工件沿長(zhǎng)度方向被鍛造拔長(zhǎng)；另一方面，過(guò)載量的增大還將極大增加鍛造變形力。從表1中可以看到，鍛造變形力在過(guò)載量為0時(shí)，僅為36.5 kN，而當(dāng)過(guò)載量增加至0.05～0.20 mm時(shí)，鍛造變形力增加至168.2～235.6 kN，增加了約3.5～5.5倍。且鍛造變形力是隨著過(guò)載量的增加逐漸增大的。鍛造變形力的增大將導(dǎo)致整形能耗的增加。因此，該過(guò)載量應(yīng)根據(jù)工件的需要進(jìn)行合理選擇。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)有限元分析結(jié)果，初步認(rèn)為，高頻精密鍛造的加工方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓鋁型材局部變形的矯正。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，針對(duì)型材工件進(jìn)行相關(guān)工藝試驗(yàn)。參考有限元分析的結(jié)果，由于過(guò)載量將產(chǎn)生較大的鍛造變形力，因此，為了減小該鍛造變形力，試驗(yàn)過(guò)程中將減小送料步距，同時(shí)控制較小的過(guò)載量。每個(gè)鍛造周期送料步距約為0.5 mm，過(guò)載量設(shè)為0.10 mm。

鍛造整形試驗(yàn)前、后工件分別如圖8、圖9所示。通過(guò)對(duì)比鍛造整形前后的工件，鍛造整形前工件的兩個(gè)側(cè)邊及底邊都存在較為明顯的局部變形，其中底邊的翹曲變形更是十分明顯。而鍛造整形后，工件的兩個(gè)側(cè)邊及底邊的局部變形都得到了明顯的改善，尤其底邊的翹曲變形，已經(jīng)基本整形至目測(cè)平直狀態(tài)。因此，通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證高頻精密鍛造的加工方法能夠?qū)D壓鋁型材工件局部變形進(jìn)行有效的矯正，該加工方法可以作為擠壓鋁型材后續(xù)精整加工的一種加工方法。

圖8 鍛造整形前的工件

圖9 鍛造整形后的工件

6 結(jié)論

通過(guò)總結(jié)限元分析及試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)高頻精密鍛造的整形加工方法可以對(duì)擠壓鋁型材的局部變形進(jìn)行有效矯正，矯正效果明顯；

(2)設(shè)置一定的過(guò)載量可改善矯形后工件的金屬回彈；

(3)矯形過(guò)程中過(guò)載量的增大將產(chǎn)生更大的鍛造變形力，增加矯形能耗。

因此，高頻精密鍛造的整形加工方法可以作為擠壓鋁型材后續(xù)精整加工的一種有效加工方式，有利于提高擠壓鋁型材的成品率。同時(shí)實(shí)施采用該矯形方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理選擇過(guò)載量，以提高整形效率的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。