基于C35結(jié)構(gòu)鋼的汽車活塞半固態(tài)成型工藝研究＊

陶嬋偲，李劉合

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191）

20世紀(jì)70年代初，麻省理工學(xué)院的Spencer等學(xué)者發(fā)明了半固態(tài)加工（semi－solid manufacturing，簡稱SSM）方法［1－2］，該方法是固液混合物的加工成型，因此與鑄造工藝相比，SSM的加工溫度低，減少了氣體卷入和凝固收縮，成型效率更高；同時(shí)，與傳統(tǒng)鍛造相比，SSM具有變形抗力小、材料利用率高和加工周期短等優(yōu)點(diǎn)［3－6］?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，半固態(tài)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用在汽車零部件（如剎車制動(dòng)缸和輪轂等）的生產(chǎn)中［7－9］。汽車活塞作為汽車的關(guān)鍵部件，出于減重的需求，大多采用鋁合金材質(zhì)。法國ENSAM工程師學(xué)校工業(yè)工程與機(jī)械制造實(shí)驗(yàn)室的E.Becker提出，如果能夠利用半固態(tài)方法成型薄壁結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)活塞，有可能在減小質(zhì)量的前提下得到比鋁材更好的強(qiáng)度，并對此進(jìn)行了一系列的研究［10］。有關(guān)研究結(jié)果表明，用鋼材半固態(tài)鍛造工藝可以成型汽車活塞并且具有更高的強(qiáng)度，但是關(guān)于活塞成型后的壓應(yīng)力以及活塞圓角大小和裙部厚度對活塞成型的影響等方面的研究尚不夠詳細(xì)；所以，本文提出采用有限元模擬方法，開展成型后壓應(yīng)力的分析以及活塞大小、裙部厚度對成型影響的研究，主要目的是通過模擬仿真的方法，比較半固態(tài)成型與傳統(tǒng)鍛造成型對于汽車活塞成型后壓應(yīng)力的影響，并著重研究了活塞圓角大小對成型的影響以及不同裙部厚度的活塞成型工藝。

1 模擬條件

本文選用有限元分析軟件Forge，對半固態(tài)鍛造和傳統(tǒng)鍛造方法進(jìn)行了成型后壓應(yīng)力的差異比較，F(xiàn)orge軟件是法國TRANSVALOR公司開發(fā)的一款適用于鍛造、軋制和半固態(tài)等多種成型過程數(shù)值模擬的有限元仿真軟件。坯料均選用C35號鋼，坯料尺寸為φ80mm×50mm；壓力機(jī)選用液壓式壓力機(jī)，最大壓力為200t，最大行程設(shè)置為50mm，選用水＋石墨的潤滑方式；鍛造溫度取1 200℃，半固態(tài)成型溫度取1 400℃。考慮到活塞的圓柱形對稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立二維柱坐標(biāo)模型進(jìn)行成型模擬，以壓縮運(yùn)算工作量，減少運(yùn)算時(shí)間?；钊尚偷亩S柱坐標(biāo)模型如圖1所示。

圖1 活塞成型的二維柱坐標(biāo)模型圖

2 結(jié)果和討論

2.1 鍛造與半固態(tài)結(jié)果對

在相同的試驗(yàn)條件下，分別用鍛造和半固態(tài)的方法進(jìn)行活塞成型模擬。成型結(jié)束瞬間的坯料壓應(yīng)力分布如圖2所示，其中圖2a所示為傳統(tǒng)鍛造胚料成型后壓應(yīng)力的分布結(jié)果，圖2b所示為半固態(tài)鍛造的壓應(yīng)力分布結(jié)果。從圖2可以看出，結(jié)束瞬間半固態(tài)成型的坯料壓應(yīng)力分布相對較為均勻，最大應(yīng)力約為440MPa；而傳統(tǒng)鍛造產(chǎn)生的壓應(yīng)力分布較不均勻，最大應(yīng)力約為623MPa。成型過程中的上模壓力變化如圖3所示，鍛造成型和半固態(tài)成型的上模壓力均隨著上模行程的加大而增大，但半固態(tài)成型過程的上模壓力相對較小。成型結(jié)束瞬間半固態(tài)的上模最大壓力約為95t，而傳統(tǒng)鍛造的上模最大壓力約為128t。2種方法在坯料壓應(yīng)力和上模壓力方面的差異主要是由于半固態(tài)成型的工作溫度相對較高（1 400℃），接近坯料的熔化溫度，坯料中增加的液態(tài)含量使坯料的流動(dòng)性增強(qiáng)；因此，在同樣的試驗(yàn)條件下，半固態(tài)成型所需的上模壓力較小，成型后的壓應(yīng)力也相對較小，同時(shí)壓應(yīng)力分布較均勻，這會(huì)減少冷卻后的活塞的殘余內(nèi)應(yīng)力，改善殘余內(nèi)應(yīng)力的分布，使半固態(tài)成型的活塞具備更高的強(qiáng)度。

圖2 坯料成型后壓應(yīng)力對比圖

圖3 鍛造與半固態(tài)上模壓力變化對比圖

2.2 活塞圓角對半固態(tài)成型工藝的影響

為了研究不同加工尺寸，即活塞圓角和活塞裙部厚度等對半固態(tài)成型工藝的影響，本文通過改變模型的幾何參數(shù)進(jìn)行了多組模擬對比。通過模擬發(fā)現(xiàn)，在半固態(tài)成型中，在活塞是否有圓角或不同大小圓角的條件下，活塞的成型結(jié)果有較為明顯的差異；因此，本文進(jìn)行了圓角對活塞半固態(tài)成型影響的工藝研究。不同圓角條件下活塞半固態(tài)成型結(jié)束瞬間的坯料壓應(yīng)力仿真結(jié)果如圖4所示，分別為活塞圓角為0、1、2、3和4 mm時(shí)的應(yīng)力分布結(jié)果。從圖4可以看出，無圓角時(shí)壓應(yīng)力分布最不均勻，最大應(yīng)力接近500MPa，隨著圓角依次增大，應(yīng)力分布趨于均勻，最大應(yīng)力也逐漸減小，當(dāng)圓角為4mm時(shí)，最大壓應(yīng)力約為400MPa。不同圓角條件上模具的最大壓力見表1，無圓角時(shí)壓力最大，約為100.2t，最大壓力隨圓角的增加相應(yīng)減?。划?dāng)圓角為4mm時(shí)，最大壓力約為83.8t，其趨勢與其坯料成型壓應(yīng)力變化趨勢相對應(yīng)。由于半固態(tài)成型過程中坯料處于半熔化狀態(tài)，坯料由上模具底部向側(cè)壁轉(zhuǎn)移過程中，模具邊緣對其形成了一定的阻擋效應(yīng)，其圓角越大，阻擋效應(yīng)越小，越利于坯料的流動(dòng)。此時(shí)活塞的成型后壓應(yīng)力相對較小，應(yīng)力分布較均勻，最終產(chǎn)品的殘余內(nèi)應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)降低。

圖4 不同圓角下坯料壓應(yīng)力分布圖

表1 不同圓角條件下半固態(tài)成型上模壓力

2.3 活塞裙部厚度對半固態(tài)成型工藝的影響

作為活塞設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，裙部厚度對活塞的成型工藝會(huì)產(chǎn)生一定的影響。無圓角條件下，不同裙部厚度對應(yīng)的活塞成型圖如圖5所示，裙部厚度為1mm時(shí)，成型結(jié)束后裙部高度過低，表明成型失?。蝗共亢穸葹?～6mm時(shí)，裙部高度足夠高，成型結(jié)果良好；裙部厚度為7～9mm時(shí)，裙部高度足夠高，但是活塞出現(xiàn)明顯的成型缺陷。

圖5 不同裙部厚度下活塞成型圖

當(dāng)裙部厚度過小時(shí)，由于坯料的流動(dòng)路徑過窄，無法正常通過上、下模之間的間隙，從而成型困難；當(dāng)裙部厚度過大時(shí)，造成活塞的成型缺陷可能有各種原因，有可能是因?yàn)樯夏o圓角，導(dǎo)致材料無法流動(dòng)填充完整。為了確認(rèn)這一因素的實(shí)際作用效果，進(jìn)一步研究了不同圓角下裙部厚度對成型結(jié)果的影響，圓角分別為0、1、2、3和4mm時(shí)不同裙部厚度的成型結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，不同圓角情況下，當(dāng)裙部厚度＞6mm時(shí)，活塞均會(huì)出現(xiàn)成型缺陷，因此可以排除圓角對于成型缺陷的影響。

表2 不同圓角條件下裙部厚度對裙部高度成型的影響 （mm）

對裙部厚度增大時(shí)的成型結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，當(dāng)裙部厚度較大時(shí)，由于裙部所占的坯料體積較多，在坯料總體積一定的前提下，裙部高度相對較低；較低的裙部高度使得坯料與上模和下模產(chǎn)生的摩擦力較小，在摩擦力無法與上模壓力平衡的情況下，上模繼續(xù)下壓，使得活塞底部厚度變??；當(dāng)較薄的底部坯料向裙部擴(kuò)散時(shí)，受到下模側(cè)壁的限制，坯料轉(zhuǎn)向上部的無約束空間發(fā)展，但由于坯料的流動(dòng)性有限，此時(shí)活塞會(huì)出現(xiàn)明顯的成型缺陷。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)鍛造方法相比，汽車活塞的半固態(tài)成型所需壓力更低且殘余應(yīng)力更小，力學(xué)性能較好。研究表明，增大活塞圓角尺寸可改善活塞的半固態(tài)成型工藝；裙部厚度過薄時(shí)活塞無法成型，過厚時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的成型缺陷，并且這種缺陷無法通過調(diào)整圓角尺寸來消除。

［1］Spencer D B，F(xiàn)lemings M C.Rheocasting［J］.Mater.Sci.Eng，1976（25）：103－107.

［2］Flemings M C.Behavior of alloys in the semisolid state［J］.Metallurgical Transactions B，1990（22）：269－293.

［3］毛為民.半固態(tài)金屬成型技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］唐靖林，曾大本.半固態(tài)加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.兵器材料與科學(xué)，1998，21（23）：56－60.

［5］蔣鵬.半固態(tài)金屬成型技術(shù)的研究概況［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，1998（5）：1－7.

［6］甄子勝，毛為民，趙愛民，等.半固態(tài)鎂合金的研究進(jìn)展［J］.特種鑄造及有色合金，2002（壓鑄?？?82－291.

［7］黃曉鋒，梁艷，王韜，等.金屬半固態(tài)成型技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2009（2）：6－9.

［8］路洪洲，馬鳴圖，李志剛，等.基于輕量化汽車車輪制造的半固態(tài)鋁合金性能比較研究［J］.汽車工藝與材料，2009（10）：15－17.

［9］羅守靖，姜巨福，杜之明.半固態(tài)金屬成型研究的新進(jìn)展、工業(yè)應(yīng)用及其思考［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（11）：52－60.

［10］Bigot R，Becker E，Langlois L.Some approaches on industrialization of steel thixoforging processes［J］.Solid State Phenomena，2013，192／193：521－526.