半固態(tài)A356鋁合金微凸臺(tái)陣列觸變成形充型過(guò)程數(shù)值模擬

唐 培 ，梅德慶 ，姚喆赫 ，陳子辰

(1.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系，杭州 310027)

半固態(tài)金屬觸變成形是基于美國(guó)麻省理工學(xué)院的FLEMINGS在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的金屬在半固態(tài)溫度區(qū)間的流變性而發(fā)展起來(lái)的一種加工工藝，具有低成本、高效率、高強(qiáng)度和近終形等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。半固態(tài)金屬觸變成形的質(zhì)量取決于成形過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)(坯料溫度、沖頭速度和模具溫度)的合理選擇。目前世界范圍內(nèi)，對(duì)半固態(tài)觸變成形時(shí)金屬的流動(dòng)特性和充型行為方面的研究工作，主要集中在宏觀尺度下[3-5]。而對(duì)半固態(tài)金屬在介觀和微觀尺度下觸變成形的流動(dòng)特性與充型行為的研究還比較少。在介觀尺度下，模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)成形后工件的輪廓忠實(shí)度有很大的影響。因此，為了獲得更好的充型效果，有必要深入研究金屬材料的流動(dòng)特性和充型行為，確定出合理的觸變成形工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2004年，STEINHOFF等[6]首先提出了微半固態(tài)成形的概念。童忠財(cái)[7]采用半固態(tài)鋁合金ZL101坯料，研究了擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比對(duì)微型齒輪成形性能的影響，發(fā)現(xiàn)較低的擠壓溫度和擠壓速度有利于成形輪廓清晰的微型零件。KIM 等[8-9]采用觸變成形的方法制造了燃料電池微反應(yīng)器中的微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)，研究了模具溫度、固相率、沖頭速度、工件尺寸等對(duì)微凸臺(tái)充型的影響。結(jié)果表明：沖頭溫度較高，速度較快時(shí)，坯料熱散失較少，微凸臺(tái)充型較好。與扁平坯料相比，用細(xì)長(zhǎng)的坯料進(jìn)行觸變成形，微凸臺(tái)充型更好。ZHOU等[10]利用正交試驗(yàn)的方法確定出了觸變成形微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的最佳工藝參數(shù)。陳金晶等[11]使用ZL101鋁合金分析了錐形槽微型模具槽寬尺寸、成形溫度對(duì)半固態(tài)微尺度充型能力的影響，發(fā)現(xiàn)在流動(dòng)性上沒(méi)有出現(xiàn)固態(tài)金屬所表現(xiàn)出的“尺度效應(yīng)”。

為了給車載燃料電池提供高效、高集成度的現(xiàn)場(chǎng)制氫系統(tǒng)，微凸臺(tái)陣列被應(yīng)用于醇類重整制氫微反應(yīng)器的反應(yīng)載體結(jié)構(gòu)中，與傳統(tǒng)的平板和微通道結(jié)構(gòu)相比，一方面可有效增大微反應(yīng)器的比表面積，提高傳熱傳質(zhì)效率；另一方面，可有效地改善催化劑附著性能，延長(zhǎng)催化劑使用壽命[12]。由于觸變成形微凸臺(tái)陣列過(guò)程中影響坯料充型的參數(shù)較多，過(guò)程較為復(fù)雜，參數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)充型的影響還缺乏系統(tǒng)的研究。本文作者采用有限元軟件 Deform-2D對(duì)觸變成形過(guò)程進(jìn)行了模擬，系統(tǒng)地分析了觸變成形工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)半固態(tài) A356鋁合金觸變成形微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)時(shí)的充型行為的影響。

1 半固態(tài)A356鋁合金微凸臺(tái)陣列觸變成形機(jī)理及有限元模型

1.1 半固態(tài)A356鋁合金微凸臺(tái)陣列觸變成形機(jī)理

微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)半固態(tài)金屬微觸變成形原理如圖1所示。在感應(yīng)加熱爐中將切割好的圓柱形坯料加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間，然后夾持到下模中，沖頭以一定的速度與坯料接觸后對(duì)坯料進(jìn)行擠壓，即可在金屬坯料上壓制出與沖頭凹凸互補(bǔ)的微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)。待坯料冷卻后，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)具有了一定的強(qiáng)度，對(duì)坯料施加一定的壓力，即可實(shí)現(xiàn)坯料與沖頭的脫模，得到完整的微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)。

圖1 微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)半固態(tài)金屬微觸變成形過(guò)程原理Fig.1 Schematic diagram of thixoforming of semi-solid alloy with micro-pin-fin arrays

1.2 有限元模型的建立

采用Deform-2D軟件對(duì)微凸臺(tái)陣列觸變成形過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。Deform-2D軟件具有網(wǎng)格重劃分和強(qiáng)大的熱力耦合分析功能，被廣泛應(yīng)用于金屬成形過(guò)程的模擬中。

圖2所示為觸變成形5行5列圓柱形微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)時(shí)的沖頭結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可只選取A—C和B—C所夾銳角部分坯料的成形為研究對(duì)象。沖頭上A—C面到B—C面的小孔，可以看成是深度相同、寬度和位置逐漸變化的凹槽的組合。

圖2 壓制5行5列微凸臺(tái)陣列的沖頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Punch structure for 5×5 micro-pin-fin arrays

為了簡(jiǎn)化數(shù)值模擬過(guò)程中的有限元模型，在本研究過(guò)程，作以下假設(shè)：

1) 坯料在感應(yīng)加熱終了時(shí)，溫度均勻分布。A356鋁合金的熱導(dǎo)系數(shù)較大，采用多步變功率加熱的方法，感應(yīng)加熱完成時(shí)，幾乎沒(méi)有溫度梯度[13]。

2) 感應(yīng)加熱后的坯料，主要由液相和球化的固相顆粒組成，流動(dòng)性很好，可視為各向同性的均勻材料[14]。

3)在觸變成形過(guò)程中，金屬坯料只在通過(guò)坯料軸線的平面內(nèi)流動(dòng)，即金屬坯料只有軸向和徑向的速度分量，沒(méi)有切向速度分量，因此，可以假設(shè)變形為平面應(yīng)變。

基于以上假設(shè)，可以將有限元模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖3所示，工件為d12 mm×12 mm的圓柱形坯料，被劃分為4 000個(gè)四邊形單元，沖頭和下模分別被劃分為1 000個(gè)四邊形單元。沖頭與坯料的接觸面布置了深度為l、寬度為e的凹槽，相鄰凹槽間距為w，定義模具在該平面的深寬比Ⅰ和占空比D分別為

圖3 微凸臺(tái)陣列觸變成形有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element model of thixoforming of micro-pin-fin arrays

觸變成形過(guò)程中，工件為非枝晶結(jié)構(gòu)的 Al-7%Si合金，模具為H13模具鋼，數(shù)值模擬中材料的具體參數(shù)見(jiàn)表1。模具剛度與坯料相比大得多，模具幾乎不發(fā)生變形，可將模具視為剛性體。A356鋁合金的固相線溫度為555 ℃，液相線溫度為615 ℃[15]。半固態(tài)區(qū)間內(nèi)的A356鋁合金流動(dòng)性良好，可視為各向同性的剛塑性體，其流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率及溫度的關(guān)系可在Gleeble-1500D型熱模擬機(jī)上，通過(guò)簡(jiǎn)單等溫鐓粗試驗(yàn)獲得。

工件加熱完成后，經(jīng)過(guò)4 s夾持到下模，同時(shí)沖頭開始向下移動(dòng)，坯料在下模放置4 s后與沖頭開始接觸實(shí)現(xiàn)觸變成形。坯料在夾持過(guò)程中只與空氣發(fā)生熱傳遞，和模具接觸后同時(shí)與空氣、模具發(fā)生熱傳遞。坯料與空氣、模具間的熱傳遞系數(shù)分別為20和1 000 W/(m2·K)[9]。觸變成形過(guò)程中采用石墨潤(rùn)滑，當(dāng)成形溫度在550 ℃以上時(shí)，石墨潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)為0.1～0.4[16-17]。模擬中，坯料與模具間的摩擦采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.3。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 觸變成形工藝參數(shù)的影響分析

2.1.1 坯料溫度的影響

在觸變成形過(guò)程中，由于存在熱傳遞，坯料的溫度在不斷變化，沖頭速度和模具溫度都對(duì)坯料溫度有很大影響。為了研究坯料溫度對(duì)微凸臺(tái)陣列微觸變成形的影響，假設(shè)坯料在觸變成形過(guò)程中沒(méi)有熱傳遞，處于等溫狀態(tài)。沖頭速度為300 mm/min，模具結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：e=0.8 mm，w=0.8 mm，l=1 mm，此時(shí)，Ⅰ=1.25，D=0.5。

在不同溫度下等溫觸變成形，沖頭壓下量為4 mm時(shí)微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型情況如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)坯料溫度高于570℃時(shí)，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型隨著坯料溫度的降低而增加；當(dāng)坯料溫度低于570℃時(shí)，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型隨著坯料溫度的降低而減少。這主要與A356鋁合金在半固態(tài)溫度區(qū)間的流動(dòng)特性有關(guān)。當(dāng)坯料溫度高于580 ℃時(shí)，液相率過(guò)高，金屬很容易向坯料邊緣流動(dòng)，而靠近內(nèi)部的微凸臺(tái)充型困難；當(dāng)坯料溫度低于560 ℃時(shí)，液相率過(guò)低，金屬流動(dòng)困難；只有坯料溫度在570℃左右時(shí)，此時(shí)液相率為 40%～50%[18]，流動(dòng)特性比較適中，有利于微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型。

表1 數(shù)值模擬中A356和H13的材料參數(shù)Table1 Material parameters of A356 and H13 in numerical simulation

圖4 不同成形溫度下微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型情況Fig.4 Cavity-filling performance of micro-pin-fin arrays at different thixoforming temperatures: (a) 588 ℃; (b) 580 ℃;(c) 570℃; (d) 560 ℃; (e) 550 ℃; (f) 530 ℃

在實(shí)際的觸變成形過(guò)程中，因?yàn)榇嬖跓醾鬟f，坯料溫度會(huì)下降，因此，坯料感應(yīng)加熱設(shè)定的溫度應(yīng)該偏高一些。另外，考慮到坯料溫度較低會(huì)導(dǎo)致比較大的成形力，容易損壞模具，實(shí)際觸變成形過(guò)程坯料的溫度應(yīng)控制在560～580 ℃。

2.1.2 沖頭速度的影響

沖頭速度對(duì)微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的觸變成形有兩方面的影響。一方面，沖頭速度快，觸變成形過(guò)程中坯料的溫度降低較少，成形力小；沖頭速度慢，觸變成形過(guò)程中坯料的溫度降低多，成形力大。另一方面，沖頭速度不同，坯料在觸變成形時(shí)的應(yīng)變速率也不同，而坯料的流動(dòng)特性與應(yīng)變速率有關(guān)。為了單獨(dú)研究第二方面的影響，保持溫度不變，進(jìn)行了不同沖頭速度下的觸變成形模擬，坯料溫度恒定為570℃時(shí)。模具結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：e=0.8 mm，w=0.8 mm，l=1 mm，此時(shí)，Ⅰ=1.25，D=0.5。

在570℃等溫觸變成形時(shí)，不同沖頭速度下微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型情況如圖5所示。隨著沖頭速度的增大，遠(yuǎn)離坯料軸線的微凸臺(tái)充型變慢，而正中心的微凸臺(tái)充型略有加快。由于觸變成形后的缺陷主要是遠(yuǎn)離坯料軸線的微凸臺(tái)徑向充型不完整，而中心微凸臺(tái)充型良好。因此，沖頭速度應(yīng)取100 mm/min，較低的沖頭速度能加快邊緣微凸臺(tái)的徑向充型。

2.1.3 模具溫度的影響

圖5 不同沖頭速度下微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型情況Fig.5 Cavity-filling performance of micro-pin-fin arrays at different punch velocities: (a) 100 mm/min; (b) 200 mm/min;(c) 300 mm/min; (d) 400 mm/min; (e) 500 mm/min; (f) 600 mm/min

模具溫度對(duì)觸變成形過(guò)程中微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)充型的影響主要是通過(guò)影響坯料的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。感應(yīng)加熱完成后，坯料在夾持過(guò)程中散失到空氣中的熱量較少，而與下模和沖頭接觸后坯料溫度迅速降低。在觸變成形過(guò)程中，應(yīng)主要考慮坯料與模具之間的熱傳遞。

模擬過(guò)程中，感應(yīng)加熱完成時(shí)坯料溫度為590 ℃，沖頭速度為100 mm/min，模具結(jié)構(gòu)參數(shù)：e=0.8 mm、w=0.8 mm、l=1 mm，此時(shí)，Ⅰ=1.25、D=0.5。不同模具溫度下，坯料中心點(diǎn)從感應(yīng)加熱完成到觸變成形結(jié)束整個(gè)過(guò)程中的溫度變化如圖6所示，θb為坯料中心點(diǎn)的溫度，t為時(shí)間，θd為模具溫度。坯料內(nèi)部傳熱迅速，溫差較小，可以用中心點(diǎn)處的溫度來(lái)研究觸變成形過(guò)程中坯料的溫度變化。當(dāng)模具溫度在20 ℃和550℃之間變化，觸變成形結(jié)束時(shí)，坯料中心處的溫度范圍為513～583 ℃，可見(jiàn)模具溫度對(duì)觸變成形的影響較大。當(dāng)模具處于室溫時(shí)，后半段的觸變成形過(guò)程中坯料溫度低于560 ℃，導(dǎo)致很大的成形力；當(dāng)模具溫度為 550 ℃時(shí)，整個(gè)觸變成形過(guò)程中坯料的溫度都在580 ℃以上，微凸臺(tái)充型較差。為了使坯料的溫度在整個(gè)觸變成形過(guò)程中保持在580～560 ℃，模具溫度應(yīng)選擇為300 ℃左右。

圖7 非等溫觸變成形過(guò)程中微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型情況Fig.7 Cavity-filling states of micro-pin-fin arrays in nonisothermal condition: (a) ΔH=2 mm; (b) ΔH=3 mm; (c) ΔH=4 mm; (d) ΔH=5 mm; (e) ΔH=6 mm; (f) ΔH=7 mm

沖頭速度為100 mm/min、模具溫度為300 ℃時(shí)微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型過(guò)程如圖7所示，ΔH為沖頭壓下量。非等溫觸變成形過(guò)程中微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型和等溫條件下有所不同，在非等溫條件下金屬材料的流動(dòng)不均勻，最外側(cè)的微凸臺(tái)在充型過(guò)程中發(fā)生了彎曲或折疊。這不僅導(dǎo)致微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的徑向充型困難，更影響了微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)在脫模過(guò)程中容易發(fā)生變形或斷裂。微凸臺(tái)在充型過(guò)程中易發(fā)生彎曲或折疊主要與微凸臺(tái)處的金屬材料溫度不一致、流動(dòng)不均勻有關(guān)，而通過(guò)提高模具溫度來(lái)減少坯料在觸變成形過(guò)程中的熱散失能減緩這一缺陷。

2.2 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

2.2.1 模具深寬比的影響

模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)也是影響微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)在觸變成形過(guò)程中的充型效果的重要因素。其中，對(duì)微凸臺(tái)充型影響最直接的是模具凹槽的深寬比。在對(duì)有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，將模具的小孔看成是平面凹槽的疊加，凹槽的深寬比本身就是一個(gè)不斷變化的量，各個(gè)平面的充型情況也不一樣，將會(huì)導(dǎo)致微凸臺(tái)在三維充型上不均勻。另外，在不同的應(yīng)用條件下，微凸臺(tái)的尺寸也有變化。因此，有必要深入分析深寬比對(duì)微凸臺(tái)充型的影響。

深寬比對(duì)微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)充型的影響比較復(fù)雜。當(dāng)觸變成形模擬工藝參數(shù)為：坯料初始溫度590 ℃，模具溫度300 ℃，沖頭速度100 mm/min時(shí)，凹槽寬為0.6 mm，深寬比Ⅰ分別為0.5、1和2的微凸臺(tái)陣列在沖頭壓下量ΔH為5 mm時(shí)的充型效果如圖8所示。凹槽寬度固定，深寬比越大，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)就越不容易充型，完全充型時(shí)需要的沖頭壓下量就越大。并且深寬比較大時(shí)，坯料邊緣處的微凸臺(tái)在充型過(guò)程中容易發(fā)生彎曲，導(dǎo)致軸向和徑向充型都不均勻。因此，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的觸變成形過(guò)程中，微凸臺(tái)的高度不宜過(guò)大。

圖8 相同寬度、不同深寬比時(shí)微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)的充型效果Fig.8 Cavity-filling performance of micro-pin-fin arrays with constant width and different Ⅰ values: (a) Ⅰ=0.5; (b) Ⅰ=1; (c) Ⅰ=2

當(dāng)深度相同，而深寬比不同時(shí)，微凸臺(tái)的充型也不相同。當(dāng)觸變成形模擬工藝參數(shù)為：坯料初始溫度590 ℃，模具溫度300 ℃，沖頭速度100 mm/min時(shí)，距坯料軸線3 mm處，凹槽深度為1 mm，深寬比Ⅰ分別為0.5、1和2的微凸臺(tái)在沖頭壓下量ΔH為5 mm時(shí)的充型效果如圖9所示。從圖9可得，凹槽深度固定時(shí)，微凸臺(tái)充型隨槽寬的增加變得容易，尤其徑向充型能力提高。當(dāng)槽寬較小、槽深較大時(shí)，微凸臺(tái)的充型較差；當(dāng)槽寬較大、槽深較小時(shí)，微凸臺(tái)的充型較好。由于微凸臺(tái)的高度固定，簡(jiǎn)化為平面凹槽時(shí)主要是寬度變化，所以，微凸臺(tái)的上表面在充型不完全時(shí)是一個(gè)斜面。

圖9 相同深度、不同深寬比時(shí)微凸臺(tái)的充型情況Fig.9 Cavity-filling performance of micro-pin-fins with constant depth and different Ⅰ values: (a) Ⅰ=0.5; (b) Ⅰ=1; (c) Ⅰ=2

2.2.2 模具占空比的影響

在工藝條件和凹槽深寬比固定時(shí)，微凸臺(tái)的充型主要受到模具占空比和微凸臺(tái)位置的共同影響。為了單獨(dú)研究模具占空比的影響，只考慮一個(gè)微凸臺(tái)的充型情況，如圖10所示，選取離模具中心線距離x=3 mm、槽寬e=0.8 mm、槽深l=1 mm的凹槽進(jìn)行研究，此時(shí)深寬比Ⅰ=1.25。通過(guò)變化此凹槽與相鄰凹槽之間的距離w來(lái)實(shí)現(xiàn)模具占空比的調(diào)節(jié)。由于只研究這一個(gè)微凸臺(tái)的充型，相鄰凹槽位置的變化對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響。

圖10 研究模具占空比對(duì)微凸臺(tái)充型影響的沖頭結(jié)構(gòu)Fig.10 Punch structure for investigating influence of die duty ratio on cavity-filling of micro-pin-fin arrays

設(shè)定觸變成形模擬工藝參數(shù)如下：坯料初始溫度590 ℃，模具溫度300 ℃，沖頭速度100 mm/min。當(dāng)該凹槽與相鄰凹槽之間的距離分別為1.2、0.8和0.54 mm，也即占空比D分別為0.4、0.5和0.6時(shí)，微凸臺(tái)的充型效果如圖11所示。從圖11可以看出，模具占空比對(duì)微凸臺(tái)陣列的高度無(wú)顯著影響，但微凸臺(tái)的徑向充型隨占空比的增加有所提高。占空比增大時(shí)，相鄰微凸臺(tái)的間距變小，坯料向外側(cè)流動(dòng)的阻力增加，導(dǎo)致更多的坯料向凹槽內(nèi)流動(dòng)，徑向充型能力提高。

圖11 不同模具占空比下微凸臺(tái)的充型效果Fig.11 Cavity-filling performance of micro-pin-fins with different die duty ratios: (a) ΔH=2 mm; (b) ΔH=4 mm;(c) ΔH=6 mm

2.2.3 微凸臺(tái)位置的影響

同一平面內(nèi)不同位置微凸臺(tái)的充型并不均勻，中間的微凸臺(tái)軸向充型比較緩慢，但整個(gè)截面上的充型速度基本一致；遠(yuǎn)離坯料軸線的微凸臺(tái)軸向充型速度較快，但很不均勻，總是在凹槽內(nèi)遠(yuǎn)離坯料軸線的一側(cè)先有金屬材料堆積，逐漸向豎直方向增加，與凹槽頂部接觸受阻后向反方向流動(dòng)，充滿整個(gè)凹槽。這種充型行為主要是由金屬材料的流動(dòng)速度決定的。在坯料的中心，金屬沿徑向的流動(dòng)速度很小，相對(duì)沖頭只有沿豎直向上的速度；隨著微凸臺(tái)與坯料軸線距離的增加，金屬沿徑向流動(dòng)的速度增大，相對(duì)沖頭的速度逐漸由豎直向上偏向外側(cè)，導(dǎo)致凹槽內(nèi)遠(yuǎn)離坯料軸線的一側(cè)先有金屬堆積。可以預(yù)測(cè)，微凸臺(tái)與坯料軸線距離越遠(yuǎn)，這種現(xiàn)象將越明顯。

在沖頭速度固定的條件下，坯料與模具的相對(duì)速度是離模具中心線距離x的函數(shù)。隨著x的增大，相對(duì)速度不斷變大，方向由豎直向上逐漸往外側(cè)偏轉(zhuǎn)。所以，由坯料中心向外側(cè)，微凸臺(tái)的充型速度越來(lái)越快，但徑向充型卻越來(lái)越不均勻。當(dāng)觸變成形模擬工藝參數(shù)為：坯料初始溫度590 ℃，模具溫度300 ℃，沖頭速度100 mm/min時(shí)，不同位置的微凸臺(tái)在不同壓下量情況下的高度變化曲線如圖12所示，h為微凸臺(tái)的高度，ΔH為沖頭壓下量。微凸臺(tái)在觸變成形過(guò)程中的充型速度并不是恒定，而是隨著壓下量的增加不斷增大。由圖12可知，微凸臺(tái)的充型主要發(fā)生在沖頭壓下4 mm以后。但當(dāng)x=4 mm、壓下量ΔH為4～5 mm時(shí)，微凸臺(tái)的高度基本沒(méi)有增加，這是因?yàn)槲⑼古_(tái)發(fā)生了彎曲。當(dāng)沖頭壓下量達(dá)到5 mm時(shí)，彎曲的微凸臺(tái)受到凹槽另一側(cè)的阻擋，繼續(xù)沿豎直方向流動(dòng)，高度增加。沖頭壓下量為5 mm時(shí)不同位置的微凸臺(tái)的充型狀態(tài)如圖13所示。當(dāng)x≥4 mm時(shí)，微凸臺(tái)的充型發(fā)生惡化，觸變成形完成后徑向不能完全充型。所以，要保證微凸臺(tái)充型良好，應(yīng)盡量使微凸臺(tái)靠近坯料的軸線。

圖12 不同位置微凸臺(tái)的h—ΔH曲線Fig.12 h—ΔH curves of micro-pin-fins at different locations

圖13 不同位置處的微凸臺(tái)的充型效果Fig.13 Cavity-filling performance of micro-pin-fins at different locations: (a) x=0 mm; (b) x=1 mm; (c) x=2 mm;(d) x=3 mm; (e) x=4 mm

3 結(jié)論

1) 觸變成形過(guò)程中坯料溫度應(yīng)為570℃左右，此時(shí)液相率為40%～50%。溫度過(guò)高，坯料容易向邊緣流動(dòng)；溫度過(guò)低，坯料流動(dòng)困難。

2) 隨著沖頭速度的降低，遠(yuǎn)離坯料軸線的微凸臺(tái)徑向充型增加。

3) 模具溫度主要是通過(guò)影響坯料溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)充型的影響，提高模具溫度可以降低坯料在觸變成形過(guò)程中的溫差，改善坯料流動(dòng)性，增加微凸臺(tái)充型的均勻性，減少微凸臺(tái)的彎曲或折疊缺陷。

4) 凹槽深寬比越小，微凸臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)充型越好，完全充型時(shí)所需的沖頭壓下量也越小。

5) 模具占空比對(duì)微凸臺(tái)的軸向充型沒(méi)有影響，但微凸臺(tái)的徑向充型隨占空比的增加而增加。

6) 微凸臺(tái)的徑向充型隨其與軸線距離x的增加而變得越來(lái)越不均勻，x達(dá)到一定值時(shí)，微凸臺(tái)容易發(fā)生彎曲或折疊，導(dǎo)致充型變得困難。

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