5A06鋁合金復(fù)雜盒形件等溫鍛造工藝研究

羅剛

摘要：5A06鋁合金是如今鍛造工藝中比較常用的材料，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)良特質(zhì)。文章以5A06鋁合金復(fù)雜盒型件為研究對象，使用Deform分析軟件，對先預(yù)成形再終鍛成形的等溫鍛造工藝進(jìn)行探究。在等溫鍛造工藝的實際應(yīng)用當(dāng)中，模具溫度控制在450℃左右，而5A06鋁合金預(yù)制坯溫度控制在約465℃。通過實際的實驗探究發(fā)現(xiàn)，Deform作為一款有限元分析軟件，可以對等溫鍛造成形工藝的實踐研究提供重要支持，而先預(yù)成形再終鍛成形的工藝，對提升鍛造工藝質(zhì)量有重要的作用。

關(guān)鍵詞：5A06盒形件，等溫鍛造，數(shù)值模擬

近年來，我國社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，在很多的生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中，鋁合金材料的應(yīng)用面越來越廣。鋁合金在強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、輕質(zhì)性、耐腐蝕等方面都有突出的優(yōu)勢，所以像5A06鋁合金這樣的材料在我國航空、航天工程領(lǐng)域中得到了重用。在加工該材料時，傳統(tǒng)的溫鍛工藝容易導(dǎo)致制作件存在缺陷。而等溫鍛造工藝則是基于對5A06鋁合金材料特定溫度及變形速率下的超塑性特點(diǎn)的研究，實現(xiàn)對模具溫度的合理控制，提高鍛造加工的質(zhì)量。

一、試驗件基本情況以及成形工藝方案

（一）試驗件基本情況

本文使用的試驗件的基本特征有：鍛件是內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的盒形件，非對稱，有一端底部有凸出。鍛件尺寸是320*185*76mm，底部厚度、筋高、筋寬分別為6mm、9.6mm和6mm，鍛件周圍的壁厚及壁高分別為6mm和76mm，除外側(cè)撥模角為1°以外，其余的為2°。另外，經(jīng)過計算，整個鍛件的投影面積是49662m㎡。

（二）成形工藝方案

通常情況下，如果盒形件是常規(guī)性的形狀和構(gòu)造，一般可以使用反向擠壓成形的方法。而本試驗當(dāng)中，鍛造件是非對稱且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盒形件，尤其是還存在凸出的特殊構(gòu)造。在該凸出部分，材料的分配、流動、反擠過程都需要針對性處理和控制，單單依靠一次性擠壓成型的方式，很容易導(dǎo)致該部分成形質(zhì)量不佳，無法達(dá)到工藝要求。所以，筆者認(rèn)為可以使用兩次擠壓成形的方式，一方面保證該凸出位置的成形質(zhì)量，另一方面保證鍛造件所有外壁的高度一致且均勻[1]。

隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)工藝的研究分析中發(fā)揮著重要的作用。在鍛造工藝的實踐研究中，有限元分析法的應(yīng)用十分重要。筆者使用Deform軟件，基于前文提到的工藝研究思路，對鍛造件成型過程進(jìn)行有限元分析，使用等溫鍛造成形工藝對試驗件進(jìn)行加工。同時，如果使用兩次等溫鍛造成形的工藝，需要使用逆向補(bǔ)償?shù)姆椒?，?yōu)化預(yù)成形鍛造件。通過對不同工藝方法下的鍛造過程進(jìn)行記錄，生成450℃條件下異常等溫成形盒形件的位移云圖，再生成采用先預(yù)成形再終鍛成形的工藝下盒形件的移云圖。通過對移云圖的全面分析研究，可以發(fā)現(xiàn)，采用一次性的等溫成形盒形件，四周某方向的位移量，以及四周成形的壁高有較大的差別。當(dāng)盒形件較長的一邊壁高大于凹模平面，會導(dǎo)致較短的一面成形壁高無法到位。而采用預(yù)成形再終鍛成形的方法所完成的盒形件中，四周某方向位移成形的壁高比較均勻，并且每個邊壁的成形速度比較一致。另外，相對于直接一次等溫成形的工藝，采用預(yù)成形再終鍛成形的工藝方法，完成的鍛造件質(zhì)量更為出色。并且，通過對兩種工藝方法下盒形件的成形壓力變化曲線的研究比較，可以發(fā)現(xiàn)采用先預(yù)成形再終鍛成形的鍛造工藝中，盒形件成形所需要的最大壓力比較小，這意味著該工藝下用到的設(shè)備噸位要求也比較低[2]。

二、工藝方案和鍛造件性能分析

（一）模具設(shè)計

根據(jù)以上試驗思路，筆者分別設(shè)計了終鍛鍛件凹凸模具、預(yù)鍛鍛件凹凸模具。在該過程中，還考慮到了通常情況下愛大型鍛件在成形過程中可能面臨的干擾因素，包括鍛件脫模、胚料定位不準(zhǔn)確等，做好有效的應(yīng)對管控措施。另外，為了降低模具的成本消耗，還針對性設(shè)計了預(yù)鍛、終鍛共用模具架、頂出裝置等設(shè)施[3]?？紤]到鋁合金等溫鍛造工藝下的溫度要求在500℃左右，筆者使用H13熱作模具鋼作為模具材料，整套模具的重量為1750kg。

（二）工藝方案的驗證

筆者使用20MN液壓機(jī)作為試驗平臺，開展等溫預(yù)成形試驗。在該過程中，按照相關(guān)技術(shù)人員采用的優(yōu)化工藝對鍛造工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。相關(guān)工藝參數(shù)為：模具加熱溫度為450℃左右，坯料的加熱溫度控制在460℃左右，并且所有溫度變化幅度不超過10℃。同時，將預(yù)成形與終成形噸位分別設(shè)置為12MN和14MN，下壓速度設(shè)定為3mm·s-1。另外，當(dāng)坯料和模具接觸之后，通過成形壓力反饋力對模具的變形速率進(jìn)行控制，而熱處理工藝下低溫退火參數(shù)是每4h降低220℃。

通過對直接成形工藝、預(yù)成形工藝的等溫鍛件的分析，可以發(fā)現(xiàn)，成型結(jié)果與有限元分析軟件分析的結(jié)果比較類似。而直接終鍛成形的鍛件四周的壁高明顯不平整、不均勻，先預(yù)成形再終鍛成形的工藝下，盒形件的各方面參數(shù)及質(zhì)量都能夠達(dá)到工藝要求。

（三）鍛造件的性能分析

筆者分別分析了5A06鋁合金型材、鍛件以及經(jīng)過低溫退火處理的鍛件的性能，可以發(fā)現(xiàn)，其中5A06鋁合金鍛件的力學(xué)性能得到了提升，其中伸長率大幅度提升。而經(jīng)過低溫退火處理的鍛件伸長率也有所提升，不過提升量不大。值得一提的是，5A06鋁合金是一種不能通過熱處理來強(qiáng)化的材料，而本試驗中的低溫退火環(huán)節(jié)，主要目的是去除鍛造件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并且可以穩(wěn)定鍛造件內(nèi)部組織[4]。

另外，筆者分別從等溫鍛造盒形件的底部、側(cè)壁取樣，再取一份原始毛坯的樣品，然后開展組織分析工作，并生成組織金相圖。通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)等溫鍛件的側(cè)壁組織發(fā)生了大面積細(xì)化的現(xiàn)象，這主要是組織再次結(jié)晶的功勞，并且內(nèi)部依然保存了變形組織[5]。同時，相較于原始毛坯樣品，等溫鍛件底部的組織有細(xì)化的現(xiàn)象，并且變形量相對較小。

三、結(jié)論

（一）通過本文的試驗分析結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)實際實施的實驗結(jié)果和有限元分析的結(jié)果是一致的。通過使用Deform軟件的有限元分析，可以給等溫鍛造工藝方案的指定有重要指導(dǎo)意義，并且還能幫助技術(shù)人進(jìn)行預(yù)鍛造毛坯外形的優(yōu)化工作。

（二）相較于板料機(jī)械加工盒形件的成形過程，使用5A06鋁合金的力學(xué)性能更為出色，其伸長率也得到了提升。

（三）在試驗中，等溫鍛造件的側(cè)壁組織發(fā)生了再結(jié)晶的現(xiàn)象，有大面積細(xì)化的情況，并且還保留了一定的變形組織。等溫鍛件的地步組織比原始坯料的組織細(xì)化了很多，并且該部位的變形量也相對較小。

（四）采用先預(yù)成形再終鍛成形的鍛造工藝方法，所完成的鍛造件無論是各方面尺寸的達(dá)標(biāo)率，還是質(zhì)地均勻性、強(qiáng)度，都有一定的優(yōu)勢。

結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，新材料及新工藝在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用價值越來越高。如今5A06鋁合金作為一種熱門的材料，受到鍛造工藝的不同，成形件的質(zhì)量也有所差異。本文通過試驗對比分析，證明了先預(yù)成形再終鍛成形的鍛造工藝模式，對提高鍛造件各方面質(zhì)量有較為明顯的作用，值得相關(guān)產(chǎn)業(yè)參考使用。

參考文獻(xiàn)

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