羅剛

摘要：5A06鋁合金是如今鍛造工藝中比較常用的材料，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)良特質(zhì)。文章以5A06鋁合金復(fù)雜盒型件為研究對(duì)象，使用Deform分析軟件，對(duì)先預(yù)成形再終鍛成形的等溫鍛造工藝進(jìn)行探究。在等溫鍛造工藝的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，模具溫度控制在450℃左右，而5A06鋁合金預(yù)制坯溫度控制在約465℃。通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，Deform作為一款有限元分析軟件，可以對(duì)等溫鍛造成形工藝的實(shí)踐研究提供重要支持，而先預(yù)成形再終鍛成形的工藝，對(duì)提升鍛造工藝質(zhì)量有重要的作用。

關(guān)鍵詞：5A06盒形件，等溫鍛造，數(shù)值模擬

近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，在很多的生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中，鋁合金材料的應(yīng)用面越來(lái)越廣。鋁合金在強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、輕質(zhì)性、耐腐蝕等方面都有突出的優(yōu)勢(shì)，所以像5A06鋁合金這樣的材料在我國(guó)航空、航天工程領(lǐng)域中得到了重用。在加工該材料時(shí)，傳統(tǒng)的溫鍛工藝容易導(dǎo)致制作件存在缺陷。而等溫鍛造工藝則是基于對(duì)5A06鋁合金材料特定溫度及變形速率下的超塑性特點(diǎn)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具溫度的合理控制，提高鍛造加工的質(zhì)量。

一、試驗(yàn)件基本情況以及成形工藝方案

（一）試驗(yàn)件基本情況

本文使用的試驗(yàn)件的基本特征有：鍛件是內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的盒形件，非對(duì)稱，有一端底部有凸出。鍛件尺寸是320*185*76mm，底部厚度、筋高、筋寬分別為6mm、9.6mm和6mm，鍛件周圍的壁厚及壁高分別為6mm和76mm，除外側(cè)撥模角為1°以外，其余的為2°。另外，經(jīng)過(guò)計(jì)算，整個(gè)鍛件的投影面積是49662m㎡。

（二）成形工藝方案

通常情況下，如果盒形件是常規(guī)性的形狀和構(gòu)造，一般可以使用反向擠壓成形的方法。而本試驗(yàn)當(dāng)中，鍛造件是非對(duì)稱且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盒形件，尤其是還存在凸出的特殊構(gòu)造。在該凸出部分，材料的分配、流動(dòng)、反擠過(guò)程都需要針對(duì)性處理和控制，單單依靠一次性擠壓成型的方式，很容易導(dǎo)致該部分成形質(zhì)量不佳，無(wú)法達(dá)到工藝要求。所以，筆者認(rèn)為可以使用兩次擠壓成形的方式，一方面保證該凸出位置的成形質(zhì)量，另一方面保證鍛造件所有外壁的高度一致且均勻[1]。

隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)工藝的研究分析中發(fā)揮著重要的作用。在鍛造工藝的實(shí)踐研究中，有限元分析法的應(yīng)用十分重要。筆者使用Deform軟件，基于前文提到的工藝研究思路，對(duì)鍛造件成型過(guò)程進(jìn)行有限元分析，使用等溫鍛造成形工藝對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加工。同時(shí)，如果使用兩次等溫鍛造成形的工藝，需要使用逆向補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑑?yōu)化預(yù)成形鍛造件。通過(guò)對(duì)不同工藝方法下的鍛造過(guò)程進(jìn)行記錄，生成450℃條件下異常等溫成形盒形件的位移云圖，再生成采用先預(yù)成形再終鍛成形的工藝下盒形件的移云圖。通過(guò)對(duì)移云圖的全面分析研究，可以發(fā)現(xiàn)，采用一次性的等溫成形盒形件，四周某方向的位移量，以及四周成形的壁高有較大的差別。當(dāng)盒形件較長(zhǎng)的一邊壁高大于凹模平面，會(huì)導(dǎo)致較短的一面成形壁高無(wú)法到位。而采用預(yù)成形再終鍛成形的方法所完成的盒形件中，四周某方向位移成形的壁高比較均勻，并且每個(gè)邊壁的成形速度比較一致。另外，相對(duì)于直接一次等溫成形的工藝，采用預(yù)成形再終鍛成形的工藝方法，完成的鍛造件質(zhì)量更為出色。并且，通過(guò)對(duì)兩種工藝方法下盒形件的成形壓力變化曲線的研究比較，可以發(fā)現(xiàn)采用先預(yù)成形再終鍛成形的鍛造工藝中，盒形件成形所需要的最大壓力比較小，這意味著該工藝下用到的設(shè)備噸位要求也比較低[2]。

二、工藝方案和鍛造件性能分析

（一）模具設(shè)計(jì)

根據(jù)以上試驗(yàn)思路，筆者分別設(shè)計(jì)了終鍛鍛件凹凸模具、預(yù)鍛鍛件凹凸模具。在該過(guò)程中，還考慮到了通常情況下愛(ài)大型鍛件在成形過(guò)程中可能面臨的干擾因素，包括鍛件脫模、胚料定位不準(zhǔn)確等，做好有效的應(yīng)對(duì)管控措施。另外，為了降低模具的成本消耗，還針對(duì)性設(shè)計(jì)了預(yù)鍛、終鍛共用模具架、頂出裝置等設(shè)施[3]?？紤]到鋁合金等溫鍛造工藝下的溫度要求在500℃左右，筆者使用H13熱作模具鋼作為模具材料，整套模具的重量為1750kg。

（二）工藝方案的驗(yàn)證

筆者使用20MN液壓機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展等溫預(yù)成形試驗(yàn)。在該過(guò)程中，按照相關(guān)技術(shù)人員采用的優(yōu)化工藝對(duì)鍛造工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。相關(guān)工藝參數(shù)為：模具加熱溫度為450℃左右，坯料的加熱溫度控制在460℃左右，并且所有溫度變化幅度不超過(guò)10℃。同時(shí)，將預(yù)成形與終成形噸位分別設(shè)置為12MN和14MN，下壓速度設(shè)定為3mm·s-1。另外，當(dāng)坯料和模具接觸之后，通過(guò)成形壓力反饋力對(duì)模具的變形速率進(jìn)行控制，而熱處理工藝下低溫退火參數(shù)是每4h降低220℃。

通過(guò)對(duì)直接成形工藝、預(yù)成形工藝的等溫鍛件的分析，可以發(fā)現(xiàn)，成型結(jié)果與有限元分析軟件分析的結(jié)果比較類似。而直接終鍛成形的鍛件四周的壁高明顯不平整、不均勻，先預(yù)成形再終鍛成形的工藝下，盒形件的各方面參數(shù)及質(zhì)量都能夠達(dá)到工藝要求。

（三）鍛造件的性能分析

筆者分別分析了5A06鋁合金型材、鍛件以及經(jīng)過(guò)低溫退火處理的鍛件的性能，可以發(fā)現(xiàn)，其中5A06鋁合金鍛件的力學(xué)性能得到了提升，其中伸長(zhǎng)率大幅度提升。而經(jīng)過(guò)低溫退火處理的鍛件伸長(zhǎng)率也有所提升，不過(guò)提升量不大。值得一提的是，5A06鋁合金是一種不能通過(guò)熱處理來(lái)強(qiáng)化的材料，而本試驗(yàn)中的低溫退火環(huán)節(jié)，主要目的是去除鍛造件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并且可以穩(wěn)定鍛造件內(nèi)部組織[4]。

另外，筆者分別從等溫鍛造盒形件的底部、側(cè)壁取樣，再取一份原始毛坯的樣品，然后開(kāi)展組織分析工作，并生成組織金相圖。通過(guò)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)等溫鍛件的側(cè)壁組織發(fā)生了大面積細(xì)化的現(xiàn)象，這主要是組織再次結(jié)晶的功勞，并且內(nèi)部依然保存了變形組織[5]。同時(shí)，相較于原始毛坯樣品，等溫鍛件底部的組織有細(xì)化的現(xiàn)象，并且變形量相對(duì)較小。

三、結(jié)論

（一）通過(guò)本文的試驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際實(shí)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的結(jié)果是一致的。通過(guò)使用Deform軟件的有限元分析，可以給等溫鍛造工藝方案的指定有重要指導(dǎo)意義，并且還能幫助技術(shù)人進(jìn)行預(yù)鍛造毛坯外形的優(yōu)化工作。

（二）相較于板料機(jī)械加工盒形件的成形過(guò)程，使用5A06鋁合金的力學(xué)性能更為出色，其伸長(zhǎng)率也得到了提升。

（三）在試驗(yàn)中，等溫鍛造件的側(cè)壁組織發(fā)生了再結(jié)晶的現(xiàn)象，有大面積細(xì)化的情況，并且還保留了一定的變形組織。等溫鍛件的地步組織比原始坯料的組織細(xì)化了很多，并且該部位的變形量也相對(duì)較小。

（四）采用先預(yù)成形再終鍛成形的鍛造工藝方法，所完成的鍛造件無(wú)論是各方面尺寸的達(dá)標(biāo)率，還是質(zhì)地均勻性、強(qiáng)度，都有一定的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，新材料及新工藝在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值越來(lái)越高。如今5A06鋁合金作為一種熱門的材料，受到鍛造工藝的不同，成形件的質(zhì)量也有所差異。本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，證明了先預(yù)成形再終鍛成形的鍛造工藝模式，對(duì)提高鍛造件各方面質(zhì)量有較為明顯的作用，值得相關(guān)產(chǎn)業(yè)參考使用。

參考文獻(xiàn)

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