防爆燈外殼鑄改擠工藝仿真與分析

張河清，游曉紅，李杰

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

防爆燈外殼鑄改擠工藝仿真與分析

張河清，游曉紅，李杰

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

為了解決防爆燈外殼在鑄造過程中高溫對模具的熱侵蝕問題，同時改善防爆燈鑄件內(nèi)部的縮孔、氣孔等質(zhì)量問題，增強產(chǎn)品防爆性能，把鑄造工藝改為等溫擠壓工藝。通過對防爆燈外殼成形過程的仿真研究，對防爆燈鑄件的結(jié)構(gòu)進行了一系列有利于擠壓成型的改善，并通過ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在達到產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下盡量降低成本。最后通過有限元手段模擬成形過程，并對其成形結(jié)果進行分析。

防爆燈外殼；等溫擠壓；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；成形過程

現(xiàn)在的防爆燈外殼是通過壓鑄的方式制造的，鑄造可以獲得外形很復(fù)雜的產(chǎn)品，成本較低操作簡單，但是鑄造也有不可忽視的缺點，由于壓鑄所需溫度較高，鑄造過程中的高溫不易導(dǎo)出，故而對模具產(chǎn)生的熱腐蝕十分嚴(yán)重，同時由于鑄造工藝本身的不足，生產(chǎn)的產(chǎn)品存在氣孔、針孔、縮孔等鑄造缺陷[1-2]，對產(chǎn)品本身性能有一定影響。

而體積成型相比鑄造，在此具有一些優(yōu)點，體積成型產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量，力學(xué)性能均優(yōu)于鑄件。本文以防爆燈外殼為研究對象，重新設(shè)計了防爆燈外殼擠壓件結(jié)構(gòu)，并通過有限元的手段優(yōu)化了產(chǎn)品壁厚，之后對擠壓成型過程進行了有限元模擬，證明了通過擠壓成型也可以得到防爆燈外殼產(chǎn)品。

1 擠壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計

防爆燈外殼原來是鑄鋁件，鑄造是由液態(tài)金屬充填型腔，成形難度較低。為滿足鑄造生產(chǎn)而設(shè)計的外形和幾何尺寸不完全滿足體積成型要求。若要將鑄造工藝改為擠壓工藝需要重新設(shè)計擠壓件結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的鍛件設(shè)計方法是增加原鑄件拔模斜度以及圓角半徑，但由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，是典型的薄壁高筋件，如圖1所示，其中有大量的細(xì)小結(jié)構(gòu)不易擠壓成形。

圖1 防爆燈外殼鑄件圖

1.1 基于deform-3d的擠壓結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文中，首先通過有限元手段直接設(shè)計好的適合擠壓成型的防爆燈外殼擠壓件導(dǎo)入D E F OR M-3D中進行模擬仿真，通過對仿真結(jié)果的分析反向修改不滿足工藝要求的結(jié)構(gòu)。

圖2為通過D E F OR M-3D模擬的成形過程，在第37步以及42步可以清楚地看出，在黑圈部分發(fā)生了明顯折疊現(xiàn)象。經(jīng)過反復(fù)修改以及模擬實驗，發(fā)現(xiàn)提高連皮所在位置高度可以有效避免折疊現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終決定將連皮高度提高13mm.同時由于防爆燈小端需要與其他部件配合，其強度要求較其他部位更高，在擠壓過程中，由于該部位變形量大，且壁厚較小，在實際生產(chǎn)過程中極易發(fā)生破壞，故在擠壓件設(shè)計時有意將其壁厚增大至17mm.

圖2 不同壓下量下坯料變形程度

鑄造成形是金屬的液態(tài)流動成型，容易成形如圖3a）所示的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，但擠壓過程是金屬的塑性變形，經(jīng)數(shù)值模擬充型過程中發(fā)現(xiàn)該部位不易充型，充型結(jié)果如圖3b）所示，而且考慮到在模具制造過程中，細(xì)小結(jié)構(gòu)會增加模具制造成本，故在此將其舍去。

圖3 鑄件細(xì)小結(jié)構(gòu)及其充型情況

原本以壓鑄的方式在生產(chǎn)此類多葉片的薄壁件時難度相對擠壓成型簡單很多，在改為擠壓工藝后，在成型葉片部分時需要較大的擠壓力以及更好的潤滑條件，但考慮到防爆燈罩在散熱面積方面的要求，在此對葉片的尺寸和形狀不做修改。

1.2 基于ANSYSworkbench的防爆燈外殼受力仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鑄件原壁厚6mm，考慮到擠壓件力學(xué)性能的提升，選取產(chǎn)品壁厚為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足產(chǎn)品力學(xué)性能的前提下盡量減少用料。選取產(chǎn)品壁厚6mm、5mm、4mm、3mm.將不同產(chǎn)品模型導(dǎo)入A N S Y S結(jié)構(gòu)分析模塊，材料選為可鍛鋁合金6061.其主要力學(xué)性能如表1所示。

表1 6061鋁合金主要力學(xué)性能

圖4 不同壁厚產(chǎn)品內(nèi)壓試驗后內(nèi)部應(yīng)力峰值

圖5 壁厚4mm時產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力分布

根據(jù)G B 3836.2-2000要求，防爆燈外殼需要經(jīng)受1.5M P a內(nèi)壓而不產(chǎn)生明顯變形，通過A N S Y S靜力分析模塊對擠壓件進行靜力分析，在其內(nèi)部施加1.5M P a壓力，不同壁厚下通過內(nèi)壓試驗所得出的內(nèi)部應(yīng)力峰值如圖4所示，由圖4可以看出，當(dāng)壁厚為3mm時外殼經(jīng)受內(nèi)壓試驗時的內(nèi)部應(yīng)力峰值激增達到65M P a，超過了6061鋁合金的屈服強度極限，外殼會發(fā)生塑性變形而失效。而當(dāng)壁厚增大為4mm時，內(nèi)部應(yīng)力峰值減小為37M P a，小于屈服強度極限，外殼不會發(fā)生屈服失效，故4mm是滿足要求的最小壁厚壁厚為4mm時經(jīng)過內(nèi)壓模擬的結(jié)果如圖5所示，圖中可以看出其內(nèi)應(yīng)力分布較為均勻，峰值為37M P a，出現(xiàn)在圖5的A處，而6061的屈服強度為55.2 M P a，所以不會發(fā)生失效，故選擇4mm作為擠壓件壁厚。

經(jīng)過對鑄件結(jié)構(gòu)的修改，并且運用有限元的手段對產(chǎn)品壁厚進行了優(yōu)化，使擠壓在滿足使用要求的前提下減少了用料，經(jīng)過重新設(shè)計的擠壓件如圖6所示。

圖6 經(jīng)過優(yōu)化的防爆燈外殼擠壓件圖

2 等溫擠壓成形工藝參數(shù)選擇及有限元模型建立

2.1 工藝參數(shù)選擇

實際生產(chǎn)中，影響產(chǎn)品成形效果的因素很多，現(xiàn)主要考慮坯料加熱溫度和下壓速度。由于鋁合金鍛造溫度范圍較窄[4]，此外，外殼為薄壁、高筋結(jié)構(gòu)，在擠壓過程中，溫度會很快向模具散失，造成變形抗力增大，大幅度提高了所需的設(shè)備噸位，同時也可能造成鍛件或模具開裂。故在此采用等溫擠壓的方法，即將坯料與模具加熱到相近的溫度，使坯料在接近等溫的環(huán)境下完成成形過程[5]。再次，考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部變形量大，由于做功會使其升溫，為避免局部溫度過高，遂決定將模具溫度加熱到毛坯溫度以下20℃，以便溫度導(dǎo)出。

6061鋁合金最佳成形溫度區(qū)間為440℃～470℃.且當(dāng)溫度低于480℃時，晶粒隨著溫度升高而逐漸細(xì)化；溫度高于480℃時，晶粒開始長大。由于工件在成形過程中變形較大的區(qū)域溫升較大，選擇坯料加熱溫度455℃.

等溫擠壓需要的變形抗力還取決于變形的速度，較低的變形速度給予工件與模具之間充足的傳熱時間，使工件溫度分布均勻，有利于獲得更加均勻的組織，再此選取下壓速度2mm/s.

圖7 防爆燈外殼等溫擠壓上下模、預(yù)擠壓毛坯

2.2 有限元模型的建立

通過對擠壓件圖的分析，確定好各部位尺寸，通過U G設(shè)計出終鍛的上下模，如圖7a）、圖7b）所示，由于鍛件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能一步成形，經(jīng)過反復(fù)模擬，得到如圖7c）所示的預(yù)擠毛坯結(jié)構(gòu)，之后將上下模、預(yù)擠壓毛坯導(dǎo)入D E F OR M中。模具材料選擇H13，毛坯材料選擇6061鋁合金，預(yù)熱溫度455℃，上模下壓速度2mm/s.

3.3 等溫擠壓成型模擬結(jié)果與分析

圖8a）為最終成形工步由開始到結(jié)束模具載荷變化過程，由圖中可以看出，在坯料開始變形的很長一段時間內(nèi)，載荷在穩(wěn)步增長，但十分緩慢，這是由于在開始變形時坯料變形程度小且大部分處于彎曲變形階段，所需變形力??；當(dāng)行程走到第38步，如圖8b）所示，葉片部分開始成形，坯料變形量陡然增大，需要的變形力也隨之增大。

圖9為最終成形后擠壓件的損傷分布情況，由圖中可以看出最大損傷達到0.846，出現(xiàn)在葉片端部，由成形過程可以看出，葉片部分成形難度大，變形量大，其他部分變形均勻，損傷相對較小。

圖10 為擠壓件溫度分布情況，由圖中可以看出成形后工件主體部分溫度場分布較均勻，大部分處于最佳成形區(qū)間內(nèi)，而有些溫度較高的部分集中于于工件表層，對產(chǎn)品組織性能沒有影響，不會影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4 總結(jié)

1）對于防爆燈外殼這種以往通過鑄造方式成形的安全類產(chǎn)品，提出使用塑性成形的方法成形，避免了一些鑄造的缺點。

2）完成了擠壓件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時通過A N S Y S靜力分析模塊對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行分析，并在保證滿足G B 3836.2-2000要求的前提下減小了產(chǎn)品壁厚。

3）運用D E F OR M-3D對成形過程進行了模擬，通過對載荷、損傷、溫度場幾個指標(biāo)的評估，證明了通過擠壓的方法可以得到合格的防爆燈擠壓件產(chǎn)品。

圖10 溫度場分布

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圖5 加工成品

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Numerical Simulation and Research on the Forging Process of Exp losion-proof Lamp Shell

ZHANG He-qing,YOU Xiao-hong，LI Jie
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi030024，China）

Explosion-proof lamp shell castings have problems of thermal erosion at high temperature,shrinkage hole and porosity in the casting process.This paper changed the casting process to the isothermal extrusion process to improve the explosion proof ability.Through the numerical simulation of the form ing process of the explosion proof lamp shell,the structure was improved and optimized to be helpful to the die extrusion forging process by ANSYS structure analysismodule.Finally，the forming process was simulated by finite elementmethod，and the forming resultswere analyzed.

explosion-proof lamp shell，isothermal extrusion，structure analysis，forging process

GT27；TG316.3

A

1674-6694（2015）06-0031-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.010

2015-09-07

張河清（1991-），男，碩士研究生。

游曉紅（1965-），女，教授，主要從事材料成形工藝與模擬研究。