鋁合金機(jī)輪輪轂鍛造流線仿真與實(shí)驗(yàn)研究

張玉勛，易幼平，李云，黃始全

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

鍛造流線是金屬鍛造成形過程中的雜質(zhì)、化合物、偏析、晶界等沿主伸長方向形成的纖維組織，其力學(xué)性能呈各向異性。當(dāng)鍛件纖維與鍛件所受壓力方向垂直或與拉力方向一致時(shí)，鍛件的強(qiáng)度和抗疲勞性能可明顯提高[1-2]。機(jī)輪輪轂是飛機(jī)起落架的重要承力構(gòu)件，長期在大摩擦、高強(qiáng)度和高負(fù)荷的環(huán)境下工作，機(jī)輪輪轂的輪緣根部、轂部轉(zhuǎn)接及固定輪緣根部等處極易產(chǎn)生疲勞裂紋[3-5]。如何在塑性成形中使機(jī)輪輪轂鍛件獲得良好的流線，提高鍛件的抗疲勞性能，是鍛壓工藝研究必須解決的問題。長期以來，鍛造成形工藝主要依靠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和鍛造試驗(yàn)的方法獲得。不僅試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長，而且難以全面分析微觀組織與工藝制度的相關(guān)規(guī)律。有限元法輔助鍛壓工藝設(shè)計(jì)是目前先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)方法，通過與材料實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可分析和預(yù)測鍛件微觀組織演化規(guī)律，了解材料在模腔內(nèi)的流動狀況與鍛件的溫度、應(yīng)變和流線分布[6-8]，從而對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[9-10]，避免缺陷的發(fā)生，這對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本具有重要意義。Deform有限元仿真軟件是熱加工成形仿真研究的有效工具，國內(nèi)外學(xué)者利用該軟件在鍛壓成形仿真方面開展了大量研究工作。Joun等[11]研究了在有限元分析中庫侖摩擦和剪切摩擦對金屬成形的影響規(guī)律；Dong等[12]研究了活塞裙的等溫鍛造過程，優(yōu)化了鍛造工藝；Zhang等[13]利用此軟件研究了復(fù)雜盤類件在等溫模鍛時(shí)出現(xiàn)流線缺陷的原因，并提出了改善措施；Shan等[14]通過研究鋁合金等溫模鍛過程中流線變化分布規(guī)律，得出復(fù)雜鍛件流線紊亂和穿流缺陷形成機(jī)理和演變規(guī)律。在此，本文作者利用有限元軟件Deform 2D研究模鍛工藝參數(shù)對典型單輻板機(jī)輪輪轂鍛件流線形態(tài)的影響，在3.15 MN油壓機(jī)上進(jìn)行機(jī)輪輪轂縮比件的工藝實(shí)驗(yàn)，對比分析仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出改善鍛件組織與流線的工藝措施。

1 機(jī)輪輪轂流線仿真

1.1 有限元分析基本參數(shù)

圖1所示為某機(jī)型機(jī)輪轂簡化后的鍛件圖。由于機(jī)輪輪轂為軸對稱結(jié)構(gòu)，利用Deform 2D進(jìn)行有限元鍛壓成形模擬時(shí)可取軸對稱模型。圖2所示為模鍛成形模擬仿真時(shí)坯料與模具圖。坯料材料為 7050鋁合金，流變應(yīng)力本構(gòu)方程是有限元模擬中需輸入的材料模型，本文直接引用已完成的研究工作所建立的本構(gòu)方程[15]。在鍛壓成形模擬中，不考慮模具的變形，模具材料屬性設(shè)為剛體。利用Deform 2D軟件自動劃分網(wǎng)格功能對坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，坯料網(wǎng)格數(shù)為1 500，在計(jì)算過程中隨時(shí)根據(jù)網(wǎng)格畸變情況進(jìn)行重新劃分，以保證計(jì)算的精度和收斂性。分別對鍛件在常規(guī)熱模鍛和等溫模鍛工藝下的成形進(jìn)行仿真分析，表1所示為模擬仿真時(shí)2種模鍛工藝的參數(shù)設(shè)置。

1.2 仿真結(jié)果分析

圖1 機(jī)輪輪轂簡圖Fig.1 Sketch of wheel-hub

圖2 模鍛成形坯料與模具Fig.2 Model of dies and billet

圖3 所示為常規(guī)熱模鍛工藝下鍛件流線、等效應(yīng)變和溫度分布。從圖3(a)可見：在鍛件的內(nèi)表面附近，流線沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面平行 ；在鍛件外表面附近，流線與鍛件表面幾乎垂直，流線出現(xiàn)露頭。從圖3(b)可見：鍛件內(nèi)表面附近的等效應(yīng)變較其他部位的大，晶粒沿鍛件表面法向方向壓縮，流線平行于鍛件表面；在鍛件的外表面附近，變形量較小，未形成良好的流線形態(tài)。由圖 3(c)可知：鍛件筋部溫度較初始溫度下降很多，小于360 ℃，金屬變形抗力隨之提高，流動能力下降，高筋部位變形程度減小，容易造成流線不暢、充填不滿等缺陷。

圖 4所示為熱模鍛時(shí)不同摩擦因數(shù)下的流線形態(tài)。從圖4可見：隨著摩擦因數(shù)的增加，鍛件流線形態(tài)明顯改善。但摩擦因數(shù)增大會使鍛件筋部的充填更加困難，鍛造壓力增大，對鍛件成形不利。

圖5所示為等溫模鍛工藝下鍛件流線、等效應(yīng)變和溫度分布。由圖 5(a)可知：等溫模鍛工藝下鍛件流線與鍛件表面夾角較小，流線露頭基本消除，流線形態(tài)好于常規(guī)模鍛工藝下鍛件流線形態(tài)；在高溫、低速條件下，金屬與模具間的摩擦增大[16]，有利于形成良好的流線形態(tài)，避免流線露頭。從圖 5(c)可見：等溫模鍛工藝下鍛件溫度分布均勻，維持在450～451 ℃，成形速率低，使金屬變形抗力降低，流動性增強(qiáng)，模具充填性提高，抵消了摩擦提高所引起的模具充填性變差、成形壓力增大等不良影響。由此可見：在等溫模鍛工藝下，鍛件成形容易，流線分布合理，能滿足機(jī)輪輪轂對流線的要求。

表1 模鍛仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of die forging

圖3 常規(guī)熱模鍛鍛件流線，等效應(yīng)變和溫度分布Fig.3 Flow lines, effective strian, temperature distribution of forging in hot die forging

圖4 摩擦狀態(tài)對流線的影響Fig.4 Effect of friction on flow lines distribution

圖5 等溫模鍛鍛件流線、等效應(yīng)變和溫度分布Fig.5 Flow lines, effective strain, temperature distribution of forging in isothermal die forging

2 機(jī)輪輪轂實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，在3.15 MN油壓機(jī)上對機(jī)輪輪轂縮比件(1:5)進(jìn)行了鍛壓工藝實(shí)驗(yàn)。分別采用熱模鍛和等溫模鍛工藝對鍛件進(jìn)行壓制，工藝參數(shù)見表2。坯料材料為7050鋁合金，其內(nèi)徑為27 mm，外徑為69 mm，高為59 mm。熱模鍛時(shí)，坯料在電阻爐中加熱至450 ℃，模具通過專門設(shè)計(jì)的模具加熱系統(tǒng)加熱至350 ℃，并保溫1 h；等溫模鍛時(shí)，坯料與模具均通過模具加熱系統(tǒng)加熱至450 ℃，并保溫1 h。鍛造前采用噴涂方式對坯料與模具進(jìn)行潤滑,潤滑劑為WS2+石墨+汽缸油。

鍛造完畢后，對鍛件進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，并將鍛件分成兩半，對鍛件剖面進(jìn)行打磨，用NaOH溶液及HNO3溶液進(jìn)行堿蝕、酸洗以顯示鍛件流線。對金相試樣粗磨、拋光以及10 mL HCl+5 mL HNO3+5 mL HF+380 mL H2O侵蝕劑侵蝕后，用Leica DMI5000M智能型金相顯微鏡觀察。

表2 模鍛工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experiment parameters of die forging process

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6所示為常規(guī)熱模鍛工藝下鍛件流線和金相。由圖6可以看出：鍛件筋部頂端充填不滿；鍛件內(nèi)表面附近的流線沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面平行，其晶粒狹長，晶粒排列方向性強(qiáng)；鍛件外表面附近的晶粒變形程度小，晶粒較大，呈等軸晶形態(tài)，出現(xiàn)流線露頭；在輪轂內(nèi)孔偏下處，有一裂紋圈，裂紋向鍛件內(nèi)部延伸達(dá)1 mm以上。從圖3(c)所示的熱模鍛工藝下鍛件溫度分布可看出：鍛件較最初溫度下降很多，筋部溫度最低。溫度偏低、成形速率較快，使金屬變形抗力增大和模具充填性變差，導(dǎo)致鍛件筋部充填不滿；鍛件再結(jié)晶數(shù)少，晶粒較大；在常規(guī)熱模鍛工藝下，金屬變形抗力大，鍛件變形不均勻和各處金屬流動速度差較大等因素導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

圖6 常規(guī)模鍛工藝下鍛件流線和金相照片F(xiàn)ig.6 Flow lines distribution and microstructure of forging in hot die forging

圖7 等溫模鍛工藝下鍛件流線和金相照片F(xiàn)ig.7 Flow lines distribution and microstructure of forging in isothermal die forging

圖7 所示為等溫模鍛工藝下鍛件流線和金相。由圖7可以看出：鍛件成形完好，流線清晰，沿鍛件輪廓分布，與鍛件表面夾角小，鍛件晶粒細(xì)小均勻。機(jī)輪輪轂在常規(guī)熱模鍛工藝下出現(xiàn)裂紋的部位，在等溫模鍛時(shí)，相應(yīng)部分未發(fā)現(xiàn)有裂紋，鍛件的其他部位也未發(fā)現(xiàn)裂紋。在等溫模鍛工藝下，成形速率低和變形溫度較高，不僅大幅度降低了金屬的變形抗力，增強(qiáng)了金屬在型腔中的流動性，而且使得鍛件再結(jié)晶充分；同時(shí)，亦有利于修復(fù)坯料本身存在的缺陷，防止裂紋的產(chǎn)生，以獲得組織與性能優(yōu)良的模鍛件。

仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合。根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，可采用變形速度為0.1 mm/s、模具和坯料溫度均為450 ℃的等溫模鍛工藝作為機(jī)輪輪轂的鍛造成形工藝。

3 結(jié)論

(1) 適度提高模具與坯料之間的摩擦，增加模具型腔對金屬流動的阻力有利于減小流線與鍛件表面的夾角，獲得較好的流線形態(tài)。

(2) 熱模鍛工藝條件下機(jī)輪輪轂容易出現(xiàn)根部開裂、高筋部分充填不滿、流線外露等缺陷。

(3) 采用低速成形的等溫模鍛工藝，可有效地降低材料變形抗力，獲得流線分布合理、晶粒細(xì)小均勻、力學(xué)性能優(yōu)良、成形完好的機(jī)輪輪轂。

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