非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件的成形工藝優(yōu)化

賈澤偉，安自朝，張治民，李旭斌

（1.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.一六七廠，四川 成都 610110）

0 引言

近年來，隨著新型飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船和汽車等向小型化、輕量化、精密化、高性能和低成本的方向發(fā)展，薄腹高筋類構(gòu)件以其重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)受到青睞。這類構(gòu)件通常被設(shè)計成帶有高筋或復(fù)雜的截面，整體成形載荷較大[1-3]。

如圖1所示為非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件的六分之一模型，該構(gòu)件截面復(fù)雜，內(nèi)表面有加強(qiáng)筋，經(jīng)常用于承受瞬間沖擊載荷。由于該構(gòu)件截面復(fù)雜，成形過程中容易發(fā)生金屬流動的不規(guī)律，一次成形載荷可能會比較大。本文通過Deform-3D有限元模擬與實(shí)驗驗證對非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行成形工藝優(yōu)化，達(dá)到降低載荷的目的[4]。

圖1 非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件的六分之一模型

1 一次整體成形有限元模擬

1.1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

以非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件的實(shí)際尺寸在UG中建立數(shù)值模擬幾何模型，并生成STL圖形數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入到Deform-3D有限元軟件中。為了提高有限元模擬效率，使用模型的六分之一進(jìn)行模擬，如圖2所示。模型選為剛塑性有限元模型，模具為剛性，不發(fā)生變形和破壞。模擬時假設(shè)坯料與周圍環(huán)境沒有熱交換，坯料溫度設(shè)定為460°C，坯料材料選定為鋁合金7A04。上模下降速度為5mm/s，摩擦模型為剪切模型，坯料與模具之間的摩擦因子為0.25。坯料網(wǎng)格尺寸的設(shè)置會影響模擬精度與時間消耗。網(wǎng)格尺寸太小，模擬精度會提高，但需要較長的模擬時間。所以坯料網(wǎng)格絕對最大尺寸定為6mm，絕對最小網(wǎng)格尺寸定為3mm，坯料網(wǎng)格數(shù)為20000[5-7]。

圖2 一次整體成形的模具模型

1.2 模擬結(jié)果分析

圖3為非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件一次整體成形模擬過程，圖4為一次整體成形的速度流動場分布，圖5為一次整體成形行程載荷曲線。由圖3和圖4可以看出，一次整體成形過程中坯料變形比較均勻，最終成形沒有產(chǎn)生缺陷。但是由圖5可以看出，該構(gòu)件最終成形載荷較大，所提供的設(shè)備并不能滿足所需的載荷，所以一次整體成形是不現(xiàn)實(shí)的。

圖3 一次整體成形模擬過程

圖4 一次整體成形速度流動場分布

圖5 一次整體成形行程載荷曲線

2 兩次局部加載成形過程模擬

一次整體成形需要更大的壓力，如果載荷非常大的話，很容易損壞模具，而且現(xiàn)有的設(shè)備并不能滿足所需載荷需要，所以研究通過兩次局部加載成形來降低載荷是很有意義的。

如圖6所示為非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件兩次局部加載成形過程，模擬過程中的主要參數(shù)設(shè)置不變。一次整體成形過程中載荷較大的原因是隨著上模向下移動，坯料與上模的接觸面積越來越大，模具的充填能力減小，導(dǎo)致成形載荷增大。兩次局部加載成形過程中，先減小上模與坯料的接觸面積，如圖6a所示為預(yù)成形，預(yù)成形上模與終成形上模最大的區(qū)別就是接觸平面，其目的是減小與坯料的接觸面積，提高模具的充填能力。首先坯料向下擠壓，然后金屬沿著上模側(cè)面向上流動，可認(rèn)為是反向擠壓。圖6b所示為終成形，終成形也是局部加載，在終成形上模的壓力下，預(yù)成形件的側(cè)面金屬通過局部加載充滿模具的模膛。如圖7所示為兩種不同成形方案的行程載荷曲線，可以看出局部加載成形所需的最大載荷明顯低于一次整體加載成形所需最大載荷。所以局部加載成形能有效降低成形載荷[8-9]。

圖6 兩次局部加載成形過程模擬

圖7 兩種不同成形方案的行程載荷曲線

3 兩次局部加載成形實(shí)驗

為驗證模擬結(jié)果，進(jìn)行非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件兩次局部加載成形實(shí)驗。實(shí)驗坯料為鋁合金7A04，模具材料為H13，成形過程中潤滑劑為水溶石墨。預(yù)成形階段坯料的鍛壓溫度為460℃，模具溫度為440℃；終成形階段預(yù)成形件溫度為470℃，模具溫度為 445℃[10]。上模的移動速度為5mm/s。成形過程需要一定的保壓時間。成形過程如圖8所示。

圖8 非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件局部加載成形實(shí)驗

該構(gòu)件在12000 kN壓力下壓成，采用兩次局部加載成形工藝沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，構(gòu)件質(zhì)量和尺寸都滿足后續(xù)處理的規(guī)定。通過T6熱處理工藝提高該構(gòu)件的機(jī)械性能。在室溫下測試該構(gòu)件的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度大于540MPa，屈服強(qiáng)度大于460MPa，延伸率大于8%，機(jī)械性能完全符合要求。實(shí)驗結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，驗證了模擬結(jié)果與理論分析的可行性。

4 結(jié)論

通過有限元模擬與實(shí)驗驗證對非軸對稱復(fù)雜構(gòu)件成形工藝進(jìn)行優(yōu)化。模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果證明兩次局部加載成形所需載荷明顯降低，現(xiàn)有設(shè)備可以滿足成形所需最大載荷，實(shí)驗得到的成形件力學(xué)性能完全符合要求，尺寸精度也滿足后續(xù)處理的規(guī)定，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。

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