劉 奇 李保永 張素敏 劉 萍 薛 杰

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7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形工藝

劉 奇1李保永2張素敏1劉 萍1薛 杰1

（1. 北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

研究7A04鋁合金接頭等溫擠壓工藝，通過Deform分析成形過程中金屬充填流動、載荷變化以及變形均勻性情況。設(shè)計了接頭等溫擠壓結(jié)構(gòu)和模具，通過工藝試驗驗證等溫擠壓工藝參數(shù)，并獲得了滿足要求的等溫擠壓件。其中，模具溫度(400±5)℃，坯料溫度(420 ±5)℃，成形最大擠壓力為3500kN。試驗表明，Deform有限元分析結(jié)果與工藝試驗的結(jié)果一致，對等溫擠壓工藝研究具有指導(dǎo)意義。采用等溫擠壓工藝制備零件力學(xué)性能提高，相較于原“自由鍛造+機(jī)械加工”工藝，材料利用率提高57.5%，加工周期縮短約40%。

等溫擠壓；Deform；接頭；有限元分析；7A04鋁合金

1 引言

隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，鋁合金因其比強(qiáng)度高、比剛性高、導(dǎo)熱性好等特點[1]在飛行器制造方面得到廣泛應(yīng)用。因超硬鋁合金變形難的特點，采用傳統(tǒng)的體積成形工藝易出現(xiàn)充不滿、穿流、折疊等缺陷。同時由于零件表面質(zhì)量差導(dǎo)致尺寸精度難以滿足要求，需機(jī)加工才能保證尺寸精度[2]。等溫成形是指模具的溫度以及坯料的溫度在大致相同的范圍內(nèi)，零件成形前后溫度幾乎不發(fā)生變化的塑性成形技術(shù)。該技術(shù)模具溫度可控，成形過程中零件溫度和模具溫度可控，金屬成形過程中變形抗力低，金屬的流動性好[3，4]。此外，與常規(guī)的擠壓工藝相比較，等溫擠壓工藝生產(chǎn)的零件組織更加均勻，力學(xué)性能也有不同程度的提高，在航空航天以及汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5～7]。航天領(lǐng)域接頭類零件常采用“自由鍛件+機(jī)械加工”傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)，存在工序多、材料利用率低、機(jī)加成本高等問題，因此，研究7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形工藝，設(shè)計等溫?zé)釘D壓接頭結(jié)構(gòu)，借助Deform有限元分析軟件分析了成形過程金屬流動、成形力變化以及缺陷產(chǎn)生情況，設(shè)計了等溫?zé)釘D壓模具，并通過工藝試驗獲得滿足要求的接頭零件。

2 成形工藝方案制定

2.1 成形方案制定

該接頭為某飛行器7A04鋁合金關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，原采用“自由鍛件+機(jī)械加工”傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)，原自由鍛造工序多、周期長，且后續(xù)機(jī)械加工量大，材料利用率僅約為7%，考慮到采用一般擠壓成形方法在成形過程中邊角部位尤其是薄壁處易出現(xiàn)充填不到位現(xiàn)象，可能會造成零件超差或者不合格。因此，提出采用閉式等溫擠壓成形工藝方法。其主要工藝流程：下料→預(yù)潤滑→加熱→潤滑→等溫擠壓→檢驗→固溶時效處理→性能檢測→精加工。

2.2 等溫擠壓結(jié)構(gòu)件設(shè)計

圖1 零件圖

三維外形尺寸約160mm×75.9mm×49.4mm，底部對稱分布兩帶通孔的連接凸耳、內(nèi)部有變截面復(fù)雜立筋，外壁為變壁厚近三角結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該接頭形狀復(fù)雜且對尺寸精度要求較高，因此，等溫擠壓后接頭零件難以滿足直接使用要求，需在接頭零件基礎(chǔ)上合理設(shè)計等溫擠壓結(jié)構(gòu)，設(shè)計過程遵循：a.單邊留取機(jī)加余量并簡化復(fù)雜部位結(jié)構(gòu)；b.結(jié)構(gòu)在后續(xù)精加工過程中便于裝卡和確定加工基準(zhǔn)；c.結(jié)構(gòu)應(yīng)便于零件脫模，設(shè)計合適的拔模斜度。完成等溫擠壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。首先，機(jī)加余量過小會導(dǎo)致機(jī)加過程借量范圍小而增加機(jī)加難度，機(jī)加余量過大會增大機(jī)加量，因此，單邊余量設(shè)計為3～4mm；其次，便于為后續(xù)機(jī)加過程裝卡定位，上下面均設(shè)計平面；最后，在寬度方向設(shè)計拔模斜度為3°，長度方形設(shè)計拔模斜度為2°，便于等溫擠壓成形后零件脫模。

圖2 等溫擠壓件圖

3 有限元分析及模具設(shè)計

3.1 有限元分析

圖3 有限元模型

根據(jù)接頭的等溫擠壓結(jié)構(gòu)尺寸，建立等溫成形有限元分析模型，如圖3所示，根據(jù)體積不變原理，確定毛坯尺寸為166mm×55mm×60mm。選用四面體網(wǎng)格劃分方式，其中網(wǎng)格數(shù)量為67707個，節(jié)點數(shù)量為15021個，最小網(wǎng)格單元尺寸為1.39mm。軟件自帶的材料庫中暫無7A04鋁合金數(shù)據(jù)，因此選用與7A04鋁合金相近似的7075鋁合金數(shù)據(jù)進(jìn)行計算[8]。不考慮模具的變形以及溫度的變化，在前處理設(shè)置中將模具設(shè)為剛性體，溫度設(shè)定為420℃，選擇Coulomb摩擦模型，假設(shè)摩擦因子恒定，設(shè)為0.3[9]。

接頭在等溫擠壓成形過程中，受上模的向下擠壓，而在上模和下模形成的封閉模腔中成形，等溫擠壓過程零件變形充填情況見圖3，整個擠壓成形過程是靠近凸模一側(cè)的反向擠壓和靠近凹模一側(cè)的正向擠壓同時復(fù)合擠壓，上下兩側(cè)均為兩端先充填中間部位后充填，最后完成邊角部位的充填。

圖4 等溫擠壓變形充填情況

接頭等溫擠壓過程中金屬變形充填情況如圖4所示，成形力變化曲線如圖5所示，成形初始階段，坯料的成形類似于自由鐓粗，模具與坯料的接觸面積逐漸增大，所需的成形力也緩慢增大；當(dāng)行程約為15～35mm時，模具坯料的接觸面積變化不大，成形力變化趨勢也不明顯；當(dāng)行程約為35mm時，成形力約為 530kN，上模完全與坯料接觸，坯料在各部位開始進(jìn)行充填，載荷大小急劇增加，隨著上模下壓；當(dāng)行程約為53mm時，大部分位置已填充完畢，只有局部邊角位置還未填充到位，成形力呈直線上升，等溫擠壓件近似處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，擠壓過程結(jié)束時最大成形力約為3200kN。

圖5 成形力隨上模行程變化曲線

為等溫擠壓件等效應(yīng)力云圖如圖6所示，等溫擠壓件的大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在40～50MPa，變形充分均勻，最大值為83.4MPa，出現(xiàn)在擠壓件邊緣邊角部位。折疊缺陷位置示意圖如圖7所示，折疊缺陷主要集中在凸模和凹模過渡邊緣區(qū)域，此區(qū)域會產(chǎn)生飛邊導(dǎo)致折疊，且該部位為工藝余量部位，不影響零件最終成形質(zhì)量。

圖6 等效應(yīng)力分布云圖

圖7 折疊缺陷出現(xiàn)位置

3.2 模具設(shè)計

根據(jù)試接頭等溫擠壓結(jié)構(gòu)件，設(shè)計了接頭等溫擠壓模具，如圖8所示，模具主要由上模板、凸模墊板、凸模、應(yīng)力圈、凹模、凹模墊板、下模板和頂桿等8部分組成。其中頂桿如圖9所示，設(shè)計為兩級臺階過渡形式，這樣即能保證頂桿附近飛邊較小又能保證頂桿同凹模間無相對運動卡澀現(xiàn)象。由于鋁合金等溫鍛造溫度一般在400～500℃，同時考慮降低模具成本，因此模具主要工作部分包括凸模、凹模、應(yīng)力圈和頂桿等材料選用H13 熱作模具鋼（4Cr5MoVSi1），上模板、凸模墊板、凹模墊板和下模板等材料選用45#鋼，其中H13熱作模具鋼淬火硬度在HRC45～50，45#鋼淬火硬度為HRC28～32。

1―上模板 2―凸模墊板 3―凸模 4―應(yīng)力圈 5―凹模 6―頂桿 7―下模板 8―凹模墊板 9―凸模固定板 10―接頭

圖9 頂桿示意圖

4 方案驗證及性能分析

4.1 工藝方案驗證

接頭等溫擠壓成形工藝試驗，工藝參數(shù)參照前人工藝試驗[10]確定的優(yōu)化工藝參數(shù)并稍作調(diào)整。模具溫度(400±5)℃，坯料溫度(420±5)℃，成形噸位比有限元分析最大成形力稍微大些，設(shè)置為3500kN，等溫擠壓成形后固溶時效處理。坯料實物如圖10a所示，等溫?zé)釘D壓件如圖10b所示，表面處理后等溫?zé)釘D壓件如圖10c所示，該工藝方案能成形出滿足尺寸要求的接頭，無缺肉、裂紋缺陷。等溫擠壓見在固溶時效處理后經(jīng)精加工可獲得滿足要求的接頭零件，材料利用率提高57.5%，加工周期縮短約40%。

圖10 試驗件前后對比圖

4.2 等溫擠壓件性能分析

分別分析H112狀態(tài)的7A04鋁合金原材料和固溶時效狀態(tài)的7A04鋁合金等溫擠壓件力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示。固溶時效狀態(tài)的等溫擠壓件力學(xué)性能相對于H112狀態(tài)的原始材料有一定提高。檢測固溶時效狀態(tài)的等溫擠壓件組織，結(jié)果如圖11所示，可知組織無過燒、過熱現(xiàn)象。

表1 材料性能數(shù)據(jù)對比

圖11 等溫擠壓件固溶時效后內(nèi)部組織

5 結(jié)束語

a. 借助Deform軟件，分析了7A04鋁合金接頭等溫擠壓成形過程中金屬流動充填情況、成形力不同階段變化情況以及缺陷可能出現(xiàn)位置，用于實際生產(chǎn)工藝指導(dǎo)；

b. 通過模具設(shè)計以及工藝試驗驗證，獲得了滿足質(zhì)量要求的接頭等溫擠壓件，該工藝可代替原有“自由鍛造+機(jī)械加工工藝”，材料利用率提高57.5%，加工周期縮短約40%；

c. 采用等溫擠壓工藝制備接頭零件，力學(xué)性能滿足要求，相較于原材料有一定提高，且組織無過燒、過熱現(xiàn)象，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 龔小濤，周杰，徐戊嬌，等. 鋁合金等溫鍛造技術(shù)發(fā)展[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009(2)：23～25

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7 劉奇，李保永，郭曉琳，等. 5A06鋁合金復(fù)雜盒形件等溫鍛造工藝研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2017(6)：16～20

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10 李大喬，顏銀標(biāo)，張頔. 多向鍛造對7A04鋁合金組織與性能的影響[J]. 有色金屬工程，2014(4)：26～29

Isothermal Extrusion Forming Process of 7A04 Aluminum Alloy Joint

Liu Qi1Li Baoyong2Zhang Sumin1Liu Ping1Xue Jie1

(1. Beijing Hangxing Technology Development Co., Ltd., Beijing 100013; 2. College of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

The isothermal extrusion process of 7A04 aluminum alloy joint was studied, and the metal filling flow, load change and deformation uniformity during the forming process were analyzed by Deform. The isothermal extrusion structure and the die were designed, the parameters of isothermal extrusion process were verified by the process test and the isothermal extrusions which meeting the requirements were obtained. Among, the die temperature is (400±5)℃, the billet temperature is (420±5)℃, and the maximum force of forming is 3500kN. The test shows that the results of finite element analysis are consistent with the results of the process test, and have guiding significance for the isothermal extrusion process research. The mechanical property of the parts prepared by the isothermal extrusion process is improved. Compared with the original “free forging+machining” process, the material utilization rate is increased by 57.5%, and the processing cycle is shortened by about 40%.

isothermal extrusion；Deform；joint；finite elements analysis；7A04 aluminum alloy

劉奇（1990），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：金屬塑性成形。

2018-09-18