鋁合金薄壁殼體件液態(tài)模鍛塑性變形過程的數(shù)值模擬①

牛海俠，張 瓊,吳建美

(安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

由于鋁合金制造工藝簡單，加工和成型性能好，耐腐蝕性好，比強(qiáng)度、比剛度較高以及成本低廉[1]，鋁合金是飛機(jī)制造業(yè)上主要的結(jié)構(gòu)材料。目前，飛機(jī)減重、提高燃油效率成為航空工業(yè)研究的重要課題，其中構(gòu)件的減重是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減重的行之有效的辦法，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的整體化、大型化可以免去傳統(tǒng)的鉚接工作，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件減重和性能的整體提升。這對鋁合金材料的規(guī)格、綜合性能和材料的均勻性都提出了更高需求[2]。一代材料一代裝備，鋁合金以及鋁合金制造業(yè)的發(fā)展為為航空航天、交通運(yùn)輸和高端裝備的高性能制造提供支撐。大規(guī)格綜合性能高的鋁合金材料是材料科學(xué)與工程研究的熱點(diǎn)[3]。

液態(tài)模鍛是一種優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)工藝方法[4]，制得的零件的性能優(yōu)異，液態(tài)模鍛生產(chǎn)效率高，充填過程比較平穩(wěn)，由于不采用澆注系統(tǒng)，金屬材料利用率材料高達(dá)到100%，是一種近凈成形方法，屬于綠色制造，目前在鋁合金的零件成形中應(yīng)用最廣。液態(tài)模鍛的成形原理是將熔融的液態(tài)合金澆注入模具型腔，通過上模施加一定的壓力，促進(jìn)合金液體的充填，在一定的壓力下合金凝固，產(chǎn)生塑性變形，得到組織結(jié)構(gòu)致密的產(chǎn)品的過程[5]。由于液態(tài)合金在高壓下凝固產(chǎn)生變形，因此，制得的零件的內(nèi)部組織致密性好，力學(xué)性能高。

通過數(shù)值模擬方式研究了液態(tài)模鍛工藝成形薄壁零件的過程，零件采用2A14鋁合金，由于壁厚較薄(<3mm)，在成形中有一定的難度。但由于液態(tài)合金在高溫下良好的流動性能，同時在上模壓力作用下合金液體充填模具型腔，對于薄壁處，也能較好地填充，獲得性能均勻的零件。采用DEFORM軟件對液態(tài)模鍛時零件的塑性變形階段進(jìn)行模擬，分析了在不同的加載方式下零件致密度的變化情況，為在實(shí)際生產(chǎn)獲得性能合格的薄壁殼體件提供工藝參考。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型的創(chuàng)建

在金屬材料的塑性變形有限元分析領(lǐng)域，DEFORM(Design Environment for Forming)是一款非常優(yōu)秀的模擬軟件，是由美國SFTC公司開發(fā)的，并得到廣泛的應(yīng)用。這款軟件的模擬系統(tǒng)高度模塊化和集成化，有前處理器、求解計算器和后處理器三個部位組成。前處理器可以定義模擬模型的三維數(shù)據(jù)，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分與優(yōu)化。還能夠根據(jù)模型形狀定義坯料與模具之間的邊界條件，有限元模擬分析的步長與迭代方式。求解計算器是通過增量變形方法進(jìn)行矩陣計算和求解。DEFORM軟件的后處理器能夠?qū)⒏鞑皆隽績?nèi)的計算結(jié)果輸出為彩色圖像文件，便于分析。

DEFORM模擬系統(tǒng)為工作平臺，首先采用UG三維造型軟件創(chuàng)建殼體件、模具等零件的三維實(shí)體模型，將文件以“stl”格式輸入到模擬軟件DEFORM的前處理器中，輸入各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行塑性變形階段的模擬。模擬的薄壁殼體件如圖1。圖2為其三維模型。

圖1 薄壁殼體示意圖

圖2 薄壁殼體件三維模型

在三維建模時，通過UG將沖頭、凹模和殼體件等零件分別建模并裝配，在DEFORM前處理器中，沖頭模型為主動件，可以給零件施加一定的壓力，零件定義為從動件，在沖頭壓力下產(chǎn)生一定的塑性變形量，凹模設(shè)定為靜止件。其中，凹模與殼體件之間的位置關(guān)系如圖3。

圖3 薄壁殼體件與底部凹模的裝配關(guān)系

2A14材料的流動應(yīng)力模型如下所示：

(1)

2A14鋁合金材料的摩擦模型采用塑性剪切模型，也稱為Tresca模型，如下所示：

(2)

式中，m為剪切摩擦系數(shù)；k為材料的剪切屈服強(qiáng)度。

為了簡化計算并得到一般規(guī)律，模擬中將殼體件抽象為筒形件，對簡單筒形零件進(jìn)行反向擠壓，研究零件在不同的成形壓力下致密度變化的一般規(guī)律，再通過規(guī)律對殼體件進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 初始條件的設(shè)置

創(chuàng)建了材料的流動應(yīng)力模型和剪切模型，在模擬軟件的前處理器中，還要對液態(tài)模鍛的溫度、材料的參數(shù)以及邊界條件等進(jìn)行設(shè)定。主要設(shè)置如下：

(1)坯料的溫度設(shè)定為500℃，模具溫度400℃；

(2)材料為2A14鋁合金，在DEFORM材料庫選擇ALUMINUM-2014；

(3)坯料初始尺寸定義為：外形尺寸φ58×60，內(nèi)孔尺寸φ38×50；

(4)坯料類型為Porous(多孔型)，沖頭、凹模定義為剛體；

(5)壓力機(jī)的噸位為2000kN液壓機(jī)，工作速度為5mm/s；

(6)經(jīng)過查表，將沖頭、坯料、凹模的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4；

(7)上模施壓的總時間取100s，其中步長為1s，共100步。

采用Absolute法劃分網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的最小尺寸：1.2mm，尺寸比為3。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 筒形件的反向擠壓模擬結(jié)果分析

在不同的成形壓力下，模擬出零件致密度的變化，輸出的圖像文件如圖4。沖頭施加的成形壓力分別為100MPa，120MPa，140MPa，160MPa，180MPa，200MPa。

圖4 壓力對筒形件致密度的影響

由圖4可知，隨著沖頭施加的壓力升高，零件的致密度越來越好，零件之間的密度差越來越小。并且隨著壓力的增加，筒側(cè)壁上部的致密度不斷增加，當(dāng)壓力達(dá)到200MPa時，筒側(cè)壁上部致密度達(dá)到最大，整個筒形件致密性好，性能均勻。

為了便于對比，分別在筒形件的側(cè)壁上部、側(cè)壁中部、側(cè)壁底部和筒底部取4個點(diǎn)進(jìn)行致密度分析，取樣示意圖如圖5所示。

圖5 取樣分析的4個部位

在筒底部P4和側(cè)壁底部P3位置，由于該位置受到?jīng)_頭的直接作用，零件的密度最大，在隨后的施壓過程中，這兩個位置的基本保持最大值不變。由此得出：保壓時間對該處的致密度影響不大。

在筒側(cè)壁中上部P1和P2兩個位置，致密度在較短的時間內(nèi)也達(dá)到穩(wěn)定，但其值低于P3和P4兩個位置，壓力越大，他們之間的差值越小。隨后，隨著壓力的增加，致密度緩慢的提高。由于壓力越大，筒壁中上位置的致密度越接近中下部和底部，整個零件的致密度趨于均勻穩(wěn)定。由此得出：壓力越大，筒側(cè)壁中上部的致密度提高的速度越小。因此，在較小的成形壓力下，適當(dāng)增加保壓時間有利于提高液態(tài)模鍛成形零件側(cè)壁的致密度。

從零件的整體來看，成形壓力不同，筒形件致密度不均勻，其分布特征大體呈拋物線形狀，筒底部值最大，頂部值最小，由筒底部向側(cè)壁上部，致密度值逐漸降低。上模施加的壓力對筒側(cè)壁上部的影響最大，壓力增加，其值也逐漸增加，壓力對其他部位的影響則不明顯。

在較小的成形壓力下，筒底部的致密度始終高于側(cè)壁位置，密度分布不均勻，造成零件總體性能的差異，有可能在成形時由于底部受力較大而產(chǎn)生開裂。造成此問題的原因在于：在沖頭的作用下，筒底部由于受到直接的作用力，此部位的受力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于筒側(cè)壁，同時，受力時間也比側(cè)壁部位長。因此，對于鋁合金薄壁類零件的液態(tài)模鍛成形，為獲得性能均勻的零件，要改變沖頭的施壓方式，在底部和側(cè)壁部位使用不同的沖頭，采用分體式?jīng)_頭，以滿足其力學(xué)性能以及均勻性的要求。

2.2 零件性能均勻化改進(jìn)措施

薄壁殼體件的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是壁薄，沖頭施壓過程中，由于底部受力與筒壁部位不同，獲得的零件性能存在差異，因此，需要改進(jìn)常規(guī)的液態(tài)模鍛加載方式，采用復(fù)合分步加載，改變沖頭的形狀，并在壓力機(jī)上采用分步動作，如圖6所示。對于筒形件的成形，如果采用整體加壓的方式，底部首先在壓力下凝固并產(chǎn)生塑性變形，一旦底部成形，沖頭不能繼續(xù)下行，后成形的筒壁部位受到的壓力不足，致密度較低。改變了施壓方式，采用復(fù)合加載的方法，當(dāng)主沖頭完成底部的成形工作后，局部施壓沖頭繼續(xù)下行，對筒壁施壓，提高了筒壁的致密度，使整個零件組織性能均勻。

圖6 分體式?jīng)_頭示意圖

用復(fù)合分步加載方式進(jìn)行塑性變形模擬，模擬計算的結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?，在120MPa的成形力下，零件的致密度均已達(dá)到1，實(shí)現(xiàn)了零件性能均勻化的控制。

圖7 復(fù)合加載模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 采用有限元模擬軟件DEFORM模擬了鋁合金薄壁殼體件液態(tài)模鍛工藝的塑性變形過程，沖頭施加的壓力不同，零件整體的致密度存在差異，在筒底部值最大，頂部值最小，由筒底下部向側(cè)壁上部，致密度值逐漸降低。這種致密度差異造成零件的總體性能不均勻，在成形中致密度差異較大的地方零件容易產(chǎn)生裂紋。

(2)在薄壁類零件的液態(tài)模鍛成形中，合金液體在模具型腔的凝固順序不同，整體零件受力不均勻，采用整體加載方式容易造成零件各處性能不均勻。模擬改進(jìn)加載方式，采用復(fù)合分步加載，通過模擬計算，在較小的成形壓力下，零件的致密度都能達(dá)到1，各處組織性能均勻。