6082鋁合金散熱器精鍛工藝分析及模具設(shè)計(jì)

阮湖斌，胡道春，2，羅澤威，葛斌超

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具研究所，浙江 臺(tái)州 318000）

6082鋁合金散熱器精鍛工藝分析及模具設(shè)計(jì)

阮湖斌1，胡道春1，2，羅澤威1，葛斌超1

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具研究所，浙江 臺(tái)州 318000）

分析了汽車(chē)用6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝，利用Deform-3D軟件對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)合成形過(guò)程中金屬的流動(dòng)規(guī)律分析，提出合理的模具設(shè)計(jì)方案。經(jīng)試模生產(chǎn)驗(yàn)證，該工藝方法合理，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

精鍛工藝；6082鋁合金；Defom-3D；模具；散熱器

輕質(zhì)材料在汽車(chē)上的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑，并推動(dòng)了汽車(chē)輕量化進(jìn)程。其中，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、抗沖擊性良好、耐腐蝕、耐磨及較高的再生性等特點(diǎn)，被世界各國(guó)公認(rèn)為促進(jìn)汽車(chē)輕量化的最有效輕質(zhì)材料之一[1，2]。增加鋁合金零件在轎車(chē)中零部件的比重，能顯著減輕汽車(chē)自重、降低能源消耗，從而減輕對(duì)大氣的污染、改善環(huán)境質(zhì)量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄鋁在汽車(chē)上的使用量最多，占鋁合金零件總質(zhì)量的80%以上[3]。而受汽車(chē)技術(shù)、材料技術(shù)等的制約，鋁合金鍛件在汽車(chē)上的應(yīng)用受到限制。汽車(chē)性能的不斷提高對(duì)零件力學(xué)性能的要求也越來(lái)越高。具有比強(qiáng)度高、熱鍛時(shí)不氧化、表面光潔等優(yōu)點(diǎn)的鍛造鋁合金在汽車(chē)上的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，如汽車(chē)安全氣囊氣體發(fā)生器殼體、壓蓋零件、汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的活塞尾、活塞體、汽車(chē)輪轂、懸掛系統(tǒng)等零部件，為保證其綜合力學(xué)性能（如晶粒度、強(qiáng)度、硬度和金屬流線(xiàn)分布等要求）且獲得更多減重空間，要求用精鍛工藝生產(chǎn)。

鋁合金在鍛造過(guò)程中，由于材料本身鍛造溫度范圍窄，成形流程長(zhǎng)，成形過(guò)程易出現(xiàn)充不滿(mǎn)、折疊、穿筋等缺陷，同時(shí)變形溫度、變形速度、變形程度等參數(shù)都會(huì)對(duì)鍛件的組織性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響鍛件的機(jī)械性能[4-6]。對(duì)鋁合金精鍛成形進(jìn)行有限元仿真，可獲得精鍛全過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變分布、金屬流動(dòng)規(guī)律、成形載荷、幾何尺寸變化及鍛件質(zhì)量缺陷等信息，通過(guò)這些信息可對(duì)鋁合金精鍛工藝和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)判和預(yù)估，為成形方案擬定和工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 成形工藝

圖1所示6082鋁合金散熱器，是配合德國(guó)博世汽車(chē)部件有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)而研制的精密鋁鍛件，外形輪廓復(fù)雜，有局部細(xì)小凸臺(tái)和薄壁邊緣等外形突變等特征，常采用鑄造工藝完成。采用傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)鋁合金散熱器，其鑄件的疏松、縮孔、偏析等缺陷降低了零件性能[7]，故宜采用精鍛工藝生產(chǎn)。

圖1 汽車(chē)用散熱器鋁鍛件

傳統(tǒng)的鋁合金鍛造工藝為：下料-加熱-鐓粗-預(yù)鍛-終鍛-切毛邊-機(jī)加工。但實(shí)踐證明，預(yù)鍛型槽中的金屬充填情況與坯料大小、溫度和型槽磨損等諸多因素有關(guān)，造成預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)型槽之間很難配合適宜，常常會(huì)造成終鍛時(shí)充填不滿(mǎn)或形成折疊等質(zhì)量缺陷。因此，對(duì)于這種復(fù)雜形狀的鍛件，采用預(yù)鍛反而會(huì)造成一些不必要的成形質(zhì)量問(wèn)題；若取消預(yù)鍛工序，終鍛時(shí)材料體積變形劇烈又將帶來(lái)鍛壓載荷過(guò)高的困擾。針對(duì)該精鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改進(jìn)的工藝采用將鐓粗和預(yù)鍛工序合并，在鐓粗工序同步完成周邊薄壁的預(yù)鍛制坯成形，有效避免了上述問(wèn)題。

6082鋁合金散熱器精鍛成形工藝復(fù)雜，邊緣部分屬于反擠壓，凸臺(tái)部分屬于徑向擠壓和軸向反擠壓，預(yù)鍛毛坯放入精鍛凹模一次分流反擠壓成形。在精鍛成形工藝中，模具結(jié)構(gòu)和毛坯尺寸對(duì)鍛件的精鍛成形影響很大，成形方案的擬定和工藝參數(shù)的選擇沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)律可循，再加上鋁合金鍛造過(guò)程中，由于材料本身鍛造溫度范圍窄[8，9]，需借助數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)精鍛全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，以?xún)?yōu)化6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝。

2 精鍛成形有限元模擬和工藝優(yōu)化

6082鋁合金與常用的6061、6063等鋁合金相比，開(kāi)發(fā)時(shí)間較晚，一些常用的模擬軟件（如Deform）缺乏其材料參數(shù)和本構(gòu)模型的數(shù)據(jù)[10]。文獻(xiàn)[11]根據(jù)Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到6082高溫變形時(shí)基于Arrhenius形式的雙曲正弦本構(gòu)方程為：

將此高溫本構(gòu)方程導(dǎo)入Deform-3D，采用剛粘塑性有限元法對(duì)6082鋁合金散熱器精鍛過(guò)程進(jìn)行有限元模擬仿真。建立精鍛成形數(shù)學(xué)模型時(shí)，設(shè)置坯料為塑性變形體，模具為剛性體。文獻(xiàn)[12]建立了基于動(dòng)態(tài)材料模型的6082鋁合金熱加工圖，結(jié)合壓縮變形后的微觀(guān)組織觀(guān)察分析，最終得出6082鋁合金的熱加工成形時(shí)宜將溫度控制在440～450℃，應(yīng)變速率控制在0.1～0.2s-1。因此，本文基于熱加工圖設(shè)計(jì)了6082鋁合金的熱加工工藝參數(shù)為：成形溫度450℃，成形速度300mm/s，坯料與模具間摩擦系數(shù)為0.30。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2所示為6082鋁合金精鍛過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果，根據(jù)金屬流線(xiàn)可以看出在精鍛過(guò)程中存在充填不滿(mǎn)、折疊等缺陷，其原因主要在于預(yù)鍛制坯時(shí)，坯料輪廓不合理造成精鍛過(guò)程中金屬流動(dòng)不均勻，在凸臺(tái)頂端因金屬體積不足而導(dǎo)致充填不滿(mǎn)（圖2a），而在凸臺(tái)根部及薄壁外側(cè)，因坯料體積過(guò)多造成金屬回流形成折疊（圖2b）。因此，需對(duì)坯料輪廓進(jìn)行優(yōu)化以合理控制精鍛過(guò)程中金屬的流動(dòng)趨勢(shì)。

優(yōu)化后的模擬結(jié)果如圖3所示，可以看出，在凸臺(tái)、薄壁片的應(yīng)力和應(yīng)變值相差不大且分布比較均勻（分別約為99.5MPa、1.87mm/mm），表明金屬流動(dòng)順暢且充填完全[13-15]。而從圖3c中也可以看出，各部位的金屬分布有利于坯料在成形過(guò)程中均勻流動(dòng)，能較好地改善成形的均勻性。

根據(jù)優(yōu)化后的工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)出6082鋁合金散熱器預(yù)鍛制坯模具、精鍛成形模具分別如圖4、5所示。試制出的6082鋁合金精鍛件如圖6所示，經(jīng)檢測(cè)尺寸符合要求且不存在充填不滿(mǎn)及折疊等缺陷。

圖3 精鍛數(shù)值模擬結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)鍛件的形狀特點(diǎn)，通過(guò)有限元模擬仿真分析了6082鋁合金散熱器的成形過(guò)程，獲得了變形全過(guò)程的金屬流動(dòng)規(guī)律、等效塑性應(yīng)變分布、幾何尺寸變化，并預(yù)測(cè)鍛件可能的質(zhì)量缺陷。同時(shí)，基于模擬結(jié)果優(yōu)化了坯料尺寸、模具結(jié)構(gòu)以控制精鍛過(guò)程中的缺陷，并在生產(chǎn)中驗(yàn)證了6082鋁合金散熱器的精鍛成形工藝的合理性，可為汽車(chē)用復(fù)雜精鍛件的研制提供技術(shù)支持并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

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圖4 預(yù)鍛制坯模具結(jié)構(gòu)

圖5 精鍛模具結(jié)構(gòu)

圖6 精鍛樣品及6082鋁合金散熱器精鍛件

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Analysis of precision forging technical process and its die design for 6082 aluminum alloy heat sink

RUAN Hubin1,HU Daochun1，2,LUO Zewei1,GE Binchao1
（1.Mechanical&Engineering College,Taizhou Vocational&Technical College,Taizhou 318000,Zhejiang China; 2.Institute of Mold&Die Technology,Taizhou 318000,Zhejiang China）

The precision forging process of 6082 aluminum alloy heat sink for automobile has been analyzed. The forging process has been simulated by use of DEFORM-3D software.By combing with the analysis of metal flowlaw during forging process,the reasonable die design proposal has been put forward.The practical tests show that the precision forging process is reasonable and the product quality is stable.

6082 aluminum alloy heat sink;DEFORM-3D software;Precision forging process

TG319

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.027

1672-0121（2016）02-0101-03

2015-11-10；

2016-01-27

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目；2015年度校級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2014DKC04）

胡道春（1977-），男，講師，工程師，從事材料成形工藝及模具技術(shù)研究。E-mail：springer_1028@163.com