郭曉琳 東 棟 蘇勝偉 周小京 王勝龍 王志敏 王猛團(tuán)

5A06鋁合金基座熱擠壓精密成形工藝研究

郭曉琳 東 棟 蘇勝偉 周小京 王勝龍 王志敏 王猛團(tuán)

（北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013）

采用Deform-3D有限元軟件及熱擠壓精密成形實(shí)驗(yàn)對5A06鋁合金基座的成形過程進(jìn)行了模擬仿真與工藝試驗(yàn)，并研究了擠壓件不同位置的組織及性能。結(jié)果表明，在420℃、擠壓速度1mm/s、保壓時(shí)間1min的工藝參數(shù)下，5A06鋁合金基座擠壓件成形的最大成形力為28000kN，擠壓件成形過程中金屬流動(dòng)順利，成形質(zhì)量良好。力學(xué)性能測試分析結(jié)果表明，在該條件下成形出的基座擠壓件各部分抗拉強(qiáng)度可達(dá)325MPa，延伸率最高可達(dá)25.4%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5A06鋁合金；Deform-3D模擬；熱擠壓精密成形

1 引言

隨著航天產(chǎn)品向高性能、大型化、復(fù)雜化、精密化、多品種、多規(guī)格、多用途等方向發(fā)展，其復(fù)雜構(gòu)件對于輕量化、高精度、低成本的要求也日益提高。熱擠壓精密成形技術(shù)是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展的一種先進(jìn)成形技術(shù)，在成形過程中比普通鍛造降低了變形應(yīng)力，避免表面裂紋的產(chǎn)生[1～3]，又通過塑性變形提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度，在較低壓力條件下實(shí)現(xiàn)精密成形[4]。不但可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期[5]，降低生產(chǎn)成本，還可以獲得更好的微觀組織與力學(xué)性能。

近年來，熱擠壓精密成形技術(shù)在航天類復(fù)雜構(gòu)件的成形中應(yīng)用越來越普遍，在鋁合金熱擠壓精密成形領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量研究[6～14]。本文以5A06鋁合金基座為研究對象，采用有限元模擬仿真與工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了基座熱擠壓精密成形的機(jī)理，通過對坯料形狀的改進(jìn)，提出了控制該類擠壓件成形質(zhì)量的有效方法，并對不同位置的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了對比研究，對同類產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的控制具有重要的指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 5A06基座零件擠壓件及模具設(shè)計(jì)

圖1為5A06鋁合金基座零件示意圖。該零件通常采用厚板機(jī)械加工制造，材料利用率低。此外，機(jī)械加工還破壞了零件的流線分布，對零件的疲勞性能和使用壽命產(chǎn)生不良影響。采用熱擠壓精密成形工藝，通過優(yōu)化坯料和模具設(shè)計(jì)，在成形過程中控制金屬流動(dòng)，避免出現(xiàn)折疊等缺陷，提高材料利用率和零件的力學(xué)性能，有利于實(shí)現(xiàn)金屬的近凈成形。

圖1 5A06基座零件示意圖

根據(jù)熱擠壓精密成形特點(diǎn)，將零件通孔填平，并根據(jù)尺寸偏差及加工余量標(biāo)準(zhǔn)對基座零件進(jìn)行擠壓件設(shè)計(jì)，如圖2所示。根據(jù)擠壓件圖設(shè)計(jì)出擠壓模具圖，如圖3所示?？梢钥闯觯＞哂杉由夏?、導(dǎo)套、導(dǎo)柱、下模鑲塊、頂出桿及下模六部分組成。

圖2 5A06基座擠壓件示意圖

圖3 基座擠壓件模具結(jié)構(gòu)圖

2.2 5A06基座熱擠壓精密成形模擬仿真分析

2.2.1 有限元模型

采用DEFORM-3D軟件對5A06鋁合金基座擠壓件熱擠壓精密成形過程進(jìn)行模擬仿真分析，設(shè)置坯料為塑性體，模具為剛性體，成形溫度400℃。由于模擬過程為熱擠壓精密成形，材料與空氣換熱以及模具與材料換熱均忽略不計(jì)。采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.40；熱擠壓精密成形模擬過程中，上模運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為1mm/s。

2.2.2 初始方案模擬

圖4所示為初始坯料形狀，由于考慮到坯料與模具熱膨脹系數(shù)的不同，所以坯料尺寸應(yīng)略小于模膛尺寸，經(jīng)過計(jì)算確定坯料長為416mm，寬為305mm，厚為40mm，在平板中間設(shè)計(jì)了直徑170mm的通孔以減小成形力。在板坯邊角部位設(shè)置適當(dāng)圓角，以避免坯料與模具接觸產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖4 初始坯料形狀

圖5為初始毛坯熱擠壓成形變形模擬結(jié)果。從圖5a中可以看出，在成形過程的初期階段，中間部分的側(cè)壁和筋會(huì)先成形出來，可以明顯地看出坯料中間有鼓起來的情況。從圖5b中可以看出，隨著成形過程的進(jìn)一步進(jìn)行，坯料四個(gè)角出現(xiàn)了向上翹起的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谕鼓Ｏ聣哼^程中腹板處的金屬向兩側(cè)流動(dòng)，所以中間的筋部最先成形，而四個(gè)角處的金屬幾乎不變形，導(dǎo)致筋部的金屬高度高于四個(gè)角部的高度。金屬在向靠近角部筋內(nèi)充填的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)四個(gè)角部的金屬向上平移流動(dòng)，從而導(dǎo)致四角角部向上翹起，在后續(xù)的成形過程中，凸模將四角翹起部分金屬壓下時(shí)底部還會(huì)出現(xiàn)折疊缺陷。

圖5 平板板坯料熱擠壓成形有限元模擬

圖6為初始板坯料熱擠壓精密過程成形力示意圖。在材料成形初期階段，也就是凹槽形成的階段，成形力僅有784t；隨著凸模下壓，坯料與上模接觸面積不斷增大，成形力隨之緩慢上升；最后階段，坯料四個(gè)角部分與上模接觸，成形力迅速上升，最終達(dá)到4200t。這是由于在最后階段，模膛內(nèi)基本已經(jīng)被充滿，金屬流動(dòng)空間較小，且凸模與擠壓件接觸面積增大，導(dǎo)致成形力迅速上升。

圖6 初始坯料熱擠壓成形力

2.2.3 坯料方案優(yōu)化模擬

根據(jù)上述模擬結(jié)果可知，擠壓件底部會(huì)產(chǎn)生折疊缺陷，且最終成形力偏大。針對以上兩個(gè)問題，對坯料形狀進(jìn)行了改進(jìn)。圖7為改進(jìn)后的坯料形狀，在坯料底部四個(gè)角部分增加料，使四個(gè)角的金屬在成形初期向中心部分流動(dòng)，從而消除成形過程中因四角翹起產(chǎn)生折疊缺陷的現(xiàn)象。

圖7 改進(jìn)后的坯料形狀

圖8為改進(jìn)后坯料熱擠壓精密成形有限元模擬仿真結(jié)果。從圖8a可知，在成形初期階段，在坯料底部加料后四個(gè)角的翹起現(xiàn)象被消除，中間部分金屬由于上模下壓呈現(xiàn)向下凹的現(xiàn)象，而且在坯料底部出現(xiàn)了凹陷。隨著成形的進(jìn)一步進(jìn)行，中間部分金屬逐漸接觸下模，坯料底部的凹陷被壓平，中間部分的結(jié)構(gòu)繼續(xù)成形，最終成形完畢，成形結(jié)果如圖8b所示。由于凸臺(tái)高度減小，且斜面角度減小所以在持續(xù)下壓過程中擠壓件底部凹陷較小，所以最終成形后未產(chǎn)生折疊現(xiàn)象。

圖8 改進(jìn)后坯料的熱擠壓成形有限元模擬

圖9為改進(jìn)后坯料的成形力，成形力趨勢與初始坯料相同，最終成形力為3840t，相較于初始坯料減小了15%左右。

圖9 改進(jìn)后坯料成形力

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 5A06鋁合金基座擠壓件成形工藝試驗(yàn)

圖10 基座擠壓件示意圖

基于有限元模擬結(jié)果，采用優(yōu)化的坯料形狀進(jìn)行熱擠壓精密成形試驗(yàn)。成形時(shí)坯料溫度(420±5)℃，模具溫度(410±5)℃，上下模具及坯料均采用石墨潤滑，加載速度為1mm/s，保壓1min。采用優(yōu)化坯料獲得的最終擠壓件如圖10所示，可以看出擠壓件成形質(zhì)量良好，正面與反面均無折疊現(xiàn)象。

3.2 5A06鋁合金基座擠壓件組織和性能

分別對基座擠壓件的腹板、筋及側(cè)壁處取樣進(jìn)行顯微組織觀察，取樣位置如圖11所示，并進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測試擠壓件的力學(xué)性能。

圖11 基座擠壓件取樣位置

圖12 基座擠壓件各部位組織

圖12分別為基座擠壓件側(cè)壁、腹板和筋部的顯微組織。從圖12a可以看出，由于反擠壓變形的變形特點(diǎn)，基座側(cè)壁處受兩向壓應(yīng)力作用，所以側(cè)壁處組織存在被拉長的晶粒。此外，由于變形溫度較高，局部產(chǎn)生了一定程度的再結(jié)晶現(xiàn)象。從圖12b可以看出，基座腹板處受三向壓應(yīng)力作用，所以腹板處組織存在被拉長的晶粒。由于變形溫度較高，產(chǎn)生了一定程度的再結(jié)晶現(xiàn)象，且相較于側(cè)壁處組織，腹板處再結(jié)晶程度更高。從圖12c可知，筋部由于變形溫度較高，變形量較大，也產(chǎn)生了一定程度的再結(jié)晶。

圖13 拉伸實(shí)驗(yàn)取樣位置

分別對基座擠壓件的筋、腹板以及四個(gè)角部分取樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，取樣位置如圖13所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以看出，基座筋部分抗拉強(qiáng)度為324MPa左右，腹板部分抗拉強(qiáng)度為320MPa左右，四角部分抗拉強(qiáng)度為322MPa左右。

表1 基座擠壓件力學(xué)性能

4 結(jié)束語

a. 針對基座構(gòu)件存在中心大尺寸圓孔、周圍存在高筋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用孔分流模具結(jié)構(gòu)降低載荷，并利用反擠成形周邊筋條，使得基座構(gòu)件的熱擠壓成形力顯著降低，并保證筋部的良好充填。

b. 基座擠壓件在成形過程中會(huì)出現(xiàn)四個(gè)角翹起及折迭缺陷，并且由于投影面積過大造成成形力過大。將坯料四個(gè)角底部加料并加過渡面，四個(gè)角翹起現(xiàn)象消除，成形結(jié)果良好并大幅減小成形力。

c. 采用熱擠壓精密成形工藝制備出質(zhì)量良好的基座擠壓件，擠壓件尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求，組織性能滿足基座設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求。

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Hot Extrusion Precision Forming Research on 5A06 Aluminum Alloy Pedestal

Guo Xiaolin Dong Dong Su Shengwei Zhou Xiaojing Wang Shenglong Wang Zhimin Wang Mengtuan

(Beijing Hngaxing Machinery Manufacturing Co. Ltd., Beijing 100013)

The forming process of 5A06 aluminum alloy pedestal was simulated and tested by Deform-3D finite element software and technological experiments. The microstructure and properties of hot extrusion at different positions were studied. The result showed that the maximum forming force is 28000kN on the condition of 420°C, 1mm/s speed and 1min holding time. The metal flow is smooth during hot extrusion forming. The forming quality is well. The mechanical property results showed the tensile strength is above 325MPa, the maximum elongation is 25.4%, which meet the design requirements.

5A06 aluminum alloy；Deform-3D simulation；hot extrusion forming

2018-11-06

郭曉琳（1980），博士，材料加工專業(yè)；研究方向：熱成形及技術(shù)創(chuàng)新。