塑性工程学报JOURNALPLASTICITYENGINEERINGVol14Aug2007铝合金薄壁壳体件液态模锻成形过程的数值模拟哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨150001)哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001)北京机电研究所,北京100083)铝合金薄壁壳体件是航空航天及兵器工业上广泛采用的零件,但其制造工艺却长期得不到有效解决。文章采用Anycasting和DEFORM3D软件,分别对充型阶段的凝固和塑性变形阶段进行了计算,并通过复合加载保证了零件使用性能上的要求。根据结果得出,模具和浇注温度越高,则凝固时间越长,且模具的温度的影响要大于浇注温度的影响;在保证铝液完全充填型腔的前提下,最大限度地考虑了模具的常规使用的寿命和铝合金熔化温度的要求,进行了模具的温度和浇注温度的优化;采用复合加载来代替简单加载可以轻松又有效地提高制件密度,使零件性能趋于均匀化。关键词:铝合金;薄壁壳体件;液态模锻;数值模拟;复合加载中图分类号:TG319文献标识码:文章编号:7)04007606蒋鹏Email:作者简介:1964年生,江苏沛县人,工学博士,研究员收稿日期:20070118;修订日期:20070508铝合金薄壁壳体件在航天、航空及兵器工业上被大范围的应用,但对于大型薄壁复杂形状零件,采用普通铸造方法难以充型和保证性能要求,且尺寸较大也不能采用压铸成形,其生产的基本工艺一直是国际上的一大难题。液态模锻法生产薄壁壳体件,由于液态金属拥有非常良好的流动性,而施加的压力也能大大的提升零件的性能,能够完全满足薄壁壳体件的形状和性能的要求。与一般零件液态模锻相比,薄壁壳体件液态模锻的技术难点在于对零件均匀凝固的控制。由于零件各部分的壁厚差别,简单固态模锻的加载方式会使制件的组织性能存在一定的差异,在密度相差较大的区域甚至产生裂纹,降低零件整体的使用性能。为防止此种情况的发生,特采用复合加载的方法。如图1左侧所示,简单的筒型件,采用整体凸模加压时,由于底部较侧壁薄,首先在压力下凝固、收缩、变形,同时底部金属限制整体凸模继续下行,会使侧壁部分施压不足,密度较差,影响性能。右侧凸模由两部分所组成,底端后,复合加载凸模继续下行,增加密度,来提升其性能,使零件整体的性能趋于一致。复合加载示意图FigSchematicplancomplexloading本文利用Anycasting软件对铝合金薄壁壳体件液态模锻充型过程进行了数值模拟,分析了浇注温度和模具的温度对凝固过程的影响;采用DEFORM3D软件对模锻后的塑性变形阶段模拟,探讨了直接反挤压和复合加载对零件不一样的部位密度变化的影响,为获得合格的壳体件并制定合理的锻造工艺提供了理论上的指导。典型铝合金薄壁壳体件工艺数值模拟分析为薄壁壳体零件示意图,零件的外形很复杂,在四周侧壁上存在内凹,零件底部四角有个凸起支耳,下端面上还有相交的加强筋,相差较大,最薄处仅为2mm。此外,该零件要求表面十分光滑,无皱褶、裂纹等缺陷,内部组织致密,缩孔、疏松等缺陷,且其强度要求比较高。2铝合金薄壁壳体件三维实体图Fig3Dmodelthinwallaluminumalloyshell普通成型工艺难于同时保证其形状和机械性能的要求。锻造难于成形较复杂形状的零件,尤其是壳体件;铸造及压力铸造由于组织缺陷和成形后不可以进行热处理,难于保证其机械性能的要求;挤压铸造对于薄壁件或形状较复杂的零件会因各部施压不均造成合金凝固时局部密度差较大产生裂纹,于从工艺上消除,薄壁件3mm)还会因合金凝固较快而充型困难。充型阶段模拟设定利用Anycasting软件进行有限元模拟分析时,设置材料为AC1B铝合金,模具为铸造模具,5mm,网格共划分984064其余的条件如模具参数、摩擦因子等,将针对具体模拟过程给出。塑性变形阶段模拟设定利用DEFORM软件进行有限元模拟分析时,为了简化计算并得到一般规律,首先将实际要进行模拟的壳体件抽象成筒型件,在模拟中针对筒型件反挤压进行数值计算,在得到一般规律后,体件复合加载做验证计算。坯料是铝合金2A14,流动应力采用表列数据模即将流动应力定义为等效应变、等效应变速率和变形温度T的函数,据由DEFORM软件的自带数据库获得;设置坯料温度500模具的温度取400压力机工作速度5mm/坯料类型Porous刚体材料;应用Absolut法划分网格,尺寸比为模具与坯料之间的摩擦系数设置为0作用时间200s,取步长1s。所示为不同模具的温度对液态模锻过程凝固影响的示意图,为不同模具的温度下液态模锻铝图3不同模具的温度下制件的凝固时间Fig3Changechartsolidificationtimeithdieemperatur铝合金薄壁壳体件液态模锻成形过程的数值模拟合金液完全凝固所需的时间。能够准确的看出,随着模具的温度由300液态金属凝固的时间慢慢的变长。300凝固完毕大约206s,时则飞速增加到约1161s。这种凝固时间的延长是有利于零件的充分充填的,且当模具的温度由500合金液的开始凝固时间有明显的滞后现象,这就是理想的模具预热温度。同时,以看出,各个部位的凝固顺序是不一样的。无论模具的温度是多少,都是由零件底部最先开始凝固,然后是侧壁,个侧柱,再次是底端边缘部位的支部支耳的凝固次序是在侧壁和侧柱之后,这在实际生产的全部过程中,由于侧壁侧柱的先凝固,在支耳部位就非常有可能出现充不满的缺陷。不同模具的温度下液态铝合金凝固时间表TabFreezingtimeliquidaluminumalloyithdifferentdietemperature模具的温度,凝固时间,为在一定的模具的温度下浇注温度对液态模锻凝固过程的影响,给出了不同浇注温度铝合金液完全凝固所需的时间。能够准确的看出,不同的浇注温度下,凝固时间也是不一样的。700时大约216s,780时大约268s,总体上说浇注温度对凝固时间的影响并不是很大,但提高浇注温度能增加合金液的流动性,有利于充形。充形次序在不同浇注温度下都是一样的,首先从零件底部凝固开不同浇注温度下制件的凝固时间Fig4Changecharsolidificationtimeithpouringtemperatur78塑性工程学报依次为侧壁、侧柱、支耳,最后是顶部四周的部位。这与不同模具的温度模拟出来的结果一样。为避免支耳部位充不满现象的产生,应该尽可能提高液态合金的流动性,即提高浇注温度。不同浇注温度对凝固时间的影响TabFreezingtimeliquidaluminumalloydifferentpouringtemperature 浇注温度, 700720 740 760 780 凝固时间, 筒形件反挤压模拟结果如图5 所示, 在成形后的筒形件的侧壁上部、底 部边缘及底部中心处选取4 进行密度分析,如图6 所示, 能够正常的看到: 点的选取位置Fig 5Place fourpoints 图6不同压力下筒形件反挤压的密度分布以及4 个取样点密度随时间变化曲线图 Fig differentpressur afterinverted extr usion changechart samplepoints density ithtime 79 针对筒形件底部(P3 在不同压力作用下, 均是在极短时间内( 不到10s) 密度便达到稳 且在随后的保压时间内不再发生明显的变化。这说明保压时间对筒形件底部的致密度提高没有影响。 在不同压力作用下, 也是在短时间内 约30s左右) 密度 便达到稳定值, 但在随后的保压时间内, 随作用力 提高, 致密度仍有缓慢提高。说明保压时间对筒形 件侧壁的致密度提高有一定影响。 在不同压力作用下,筒形件侧壁的致密度分 布均匀, 呈不对称抛物线分布: 底部最高, 顶部次 压力越高,顶部致密度越高, 而对中上部的影 响效果不大。 在任何压力作用下,都存在侧壁致密度小于 底部的情况, 这是造成筒形件底部开裂、性能不均 的根本原因。 在整体冲头的作用下, 底部受力时间要远高于 侧壁, 并且因为零件形状的特点, 侧壁受到的作用 力也要小于底部, 最后导致了零件整体密度的不均 匀。针对这种筒形件, 要使其密度均匀, 一定要采用 分体式冲头, 对底部和侧壁分别施压, 以达到对其 性能的均匀化控制。 复合加载模拟结果分析根据上述的模拟结果, 为了使筒形件侧壁密度 达到与底部相同的程度, 实现制件性能的均匀化, 我们设计出如图 别对制件底部和侧壁施加载荷。图7a为整体凸模加 载时的计算结果, 制件侧壁与底部的密度相差较大。 图7b 是采用侧壁局部施压后的计算结果, 可以看 制件的密度均已达到1,实现了性能均匀化。 复合加载Fig 7Contr ast plan componentdensit differentextrusion style 为筒形件测试密度取样位置示意图。其密度采用阿基米德法测定, 试样测试前表面磨光, 得到的测试结果如表3所示。 测试密度的取样位置Fig 8Extr uded can samplingpoint ab3Real density different places 取样位置 坯料压缩高度, mm 62150

  2023年08月浙江台州椒江区白云街道社区卫生服务中心招考聘用编外工作人员笔试历年高频考点试题专家题荟萃附带答案详解