6061鋁合金杯形件擠壓成形模擬分析及實驗研究

董洪波 王高潮 常 春

南昌航空大學(xué),南昌,330063

0 引言

在模具及工藝設(shè)計過程中,如何避免成形缺陷是每個設(shè)計者需要認真考慮的問題。隨著現(xiàn)代產(chǎn)品向輕型、高精度和低成本方向發(fā)展,整體鋁合金鍛件的應(yīng)用越來越廣泛,而且對鍛件的尺寸精度、機械性能和流線分布的要求也越來越高。對于形狀復(fù)雜的鍛件,由于金屬流動復(fù)雜且成形過程難以控制,非常容易出現(xiàn)充不滿、折疊和流線紊亂等缺陷,目前對該類鍛件缺陷的形成機理的研究還不夠深入,一般只是針對鍛件進行成形工藝分析[1-2],所采用的分析手段主要有實驗?zāi)M、理論分析和數(shù)值計算[3-5]。隨著計算機及計算技術(shù)的迅猛發(fā)展,以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于金屬塑性成形過程分析中[6-9]。

本文以6061鋁合金杯形件為研究對象,采用數(shù)值模擬計算和實驗相結(jié)合的方法,研究了幾種規(guī)格擠壓件的成形缺陷及產(chǎn)生機理,研究結(jié)果對同類產(chǎn)品模具設(shè)計及工藝控制具有指導(dǎo)意義。

1 實驗材料和方法

實驗用原材料是商業(yè)用6061鋁合金。將熱擠壓鋁合金棒材首先進行退火處理,具體工藝為：415℃保溫3h+30℃/h爐冷。熱處理后的棒料加工成φ25mm×21.7mm圓柱試樣。零件的幾何形狀如圖1所示,具體規(guī)格尺寸如表1所示。通過變換連皮的位置來分析材料的成形性能及影響因素。

圖1 零件幾何圖

根據(jù)零件和設(shè)備的特點,設(shè)計了專門的擠壓模具、凹模固定、凸模運動。在WAW-1000C微機控制電液伺服實驗機上進行室溫擠壓變形,采用機油作潤滑劑。將擠壓后的零件沿軸線剖開,拋光、侵蝕,然后觀察金屬流線及缺陷。

表1 零件尺寸規(guī)格

2 有限元模型的建立

分別采用商用有限元軟件Deform-3D和MSC.Superform構(gòu)建三維和二維彈塑性模型。6061鋁合金力學(xué)性能具體如下：彈性模量為68.9GPa,泊松比為 0.33,密度為2.73g/cm3,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系σ=220ε0.211(MPa)。對于該軸對稱問題,取零件的四分之一,采用四面體單元構(gòu)建三維模型;取零件剖面的一半,采用四邊形單元構(gòu)建二維模型。單元平均尺寸約0.5mm。為了避免單元嚴(yán)重畸變或穿透模具,需要激活網(wǎng)格重劃分功能。凸凹?？醋鲃傂怨ぞ?凸模以0.1mm/s恒速運動,摩擦因數(shù)取0.15。

3 模擬結(jié)果

Deform-3D三維模擬結(jié)果見圖2,除了零件局部充填不足外,在下杯體深度h=4.25mm的擠壓件的凸緣處發(fā)現(xiàn)折疊。除此之外,沒有發(fā)現(xiàn)其他成形缺陷。

圖2 各規(guī)格擠壓件三維模擬結(jié)果

凸緣處折疊的形成過程在MSC.Superform二維模擬中也可以清楚地觀測到(圖3),圖3c中的云圖為等效塑性應(yīng)變的分布,顏色越深表示變形程度越大。在變形的開始階段主要是正擠壓,在下模腔基本充滿后,變形變?yōu)榉磾D壓。但是在正擠壓時,上部坯料向凸緣模腔略有延展,在模腔拐角處產(chǎn)生明顯的直角壓痕。當(dāng)坯料轉(zhuǎn)為反擠壓時,帶有壓痕的坯料向上流動,直到碰到下壓的上模壁,才進一步向凸緣模腔內(nèi)填充。直角壓痕在變形過程中無法消除,而會逐漸轉(zhuǎn)化為凸緣處的折疊。

圖3 下筒深度h=4.25mm的擠壓件的二維模擬結(jié)果

圖4 下筒深度h=0的擠壓件的二維模擬結(jié)果

在二維模擬結(jié)果中,除了凸緣處折疊外,還發(fā)現(xiàn)了其他折疊缺陷。圖4為下杯體深度h=0的擠壓件,在坯料頂部出現(xiàn)了明顯的折疊缺陷。折疊出現(xiàn)后,隨著變形量的增加,折疊一側(cè)的金屬壓縮得越來越薄,當(dāng)厚度小于最小單元的尺寸時,網(wǎng)格重劃分之后,折疊就會消失。圖4b為變形結(jié)束后的單元形貌,在工件的頂部已沒有折疊缺陷,此結(jié)果顯然沒有正確反映工件的真實狀況。因此,在模擬擠壓成形時,一方面要盡量減小最小單元尺寸,以便捕捉小的成形缺陷,另一方面,應(yīng)注意分析變形過程中工件及單元的變化,不能僅以模擬件的最終形態(tài)來決定其成形質(zhì)量。此類缺陷在h=4.25mm和h=8.50mm的擠壓件中也都存在。圖5為下杯體深度h=17.00mm的零件,在連皮與筒壁連接的拐角處發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的折疊缺陷。

圖5 下杯體深度h=17.00mm的擠壓件的二維模擬結(jié)果

4 實驗結(jié)果

實驗擠壓件的剖面圖見圖6～圖8,缺陷的位置及形貌與模擬結(jié)果完全吻合。但是在下杯體深度h=4.25mm的擠壓件中,除了已發(fā)現(xiàn)的凸緣處折疊和頂部折疊外,在縱剖面上發(fā)現(xiàn)連皮與下筒壁連接處還存在細小裂紋(圖9)。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及流線走向,判斷為流線切斷。但是在模擬結(jié)果中,該部位在變形的不同階段沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。為了觀察金屬的流動情況,使用了MSC.Superform軟件的“質(zhì)點跟蹤”功能。因為頻繁的網(wǎng)格重劃分使得變形區(qū)的網(wǎng)格形狀及數(shù)量不斷變化,所以不能使用單元或節(jié)點來跟蹤變形金屬的流動蹤跡。利用已定義好的質(zhì)點可以很好地完成此項任務(wù)。首先在未變形體的下表層選取部分節(jié)點作為質(zhì)點(圖10a),變形結(jié)束后這些質(zhì)點的流動軌跡如圖10b所示。下模腔充滿后金屬不再流動成為“死區(qū)”。繼續(xù)變形時,后續(xù)金屬沿“死區(qū)”的邊界線流動。某些表面質(zhì)點進入了坯料內(nèi)部,切斷了金屬的連續(xù)性,形成了裂紋。

圖6 下杯體深度h=4.25mm的擠壓件的凸緣處折疊

圖7 下杯體深度h=0的擠壓件的頂部折疊

圖8 下杯體深度h=17.00mm的擠壓件的連皮處折疊

圖9 下杯體深度h=17.00mm的擠壓件的連皮處裂紋

圖10 下杯體深度h=4.25mm的擠壓件的二維模擬結(jié)果

5 結(jié)論

(1)幾種規(guī)格的鋁合金杯形件均存在成形缺陷,主要表現(xiàn)為充填不足、折疊和裂紋。連皮的位置對缺陷的種類及位置有影響。

(2)正確使用有限元技術(shù)能直觀地再現(xiàn)材料的流動趨勢,準(zhǔn)確預(yù)測成形缺陷,特別是坯料的填充情況和折疊的形成過程。但是由流線切斷所形成的細小裂紋無法直觀預(yù)測,需要根據(jù)材料質(zhì)點的流動軌跡來判斷。

(3)對于該軸對稱問題,二維有限元模型計算結(jié)果優(yōu)于三維模型,計算結(jié)果對優(yōu)化模具及工藝有指導(dǎo)意義。

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