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關(guān)鍵字： 輕合金；數(shù)值模擬；等溫精密成形 摘　要： 淺底筒件等溫精密成形工藝應(yīng)用于輕合金武器零件成形，節(jié)省材料、減少后續(xù)機(jī)加工序和加工余量，減少生產(chǎn)工時(shí)，降低生產(chǎn)成本，研究使用條件簡(jiǎn)單，具有便于使用和推廣的應(yīng)用價(jià)值。具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品輕量化要求日益迫切，輕合金零件被大量采用，現(xiàn)行輕合金零件大都采用切削加工，材料利用率低，傳統(tǒng)熱變形充填性差，且由于坯料產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，形成難變形區(qū)域，引起組織性能的不均勻和附加應(yīng)力[1]。針對(duì)傳統(tǒng)熱變形的不足，輕合金零件采用等溫精密成形工藝，即坯料和模具在成形過程中保持在相同溫度下的成形方法，避免了坯料在變形過程中溫度降低和表面急冷的問題，該技術(shù)生產(chǎn)效率高，是實(shí)現(xiàn)毛坯精化的有效措施。

1  輕合金零件成形工藝分析

圖1

如圖1所示為端面帶三凸筋的淺底筒形零件，材料為超硬鋁合金7A04。該試件的充型要求為：充型飽滿、飛邊小；尺寸精度較高，表面粗糙度小、不粘模；成形載荷小。該輕合金零件從使用和加工工藝角度分析有以下難度：一是強(qiáng)韌性指標(biāo)高，且要求基體組織滿足相關(guān)技術(shù)要求；二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀特殊、變形程度大；三是材料常溫塑性低、熱成形溫度范圍窄、導(dǎo)熱系數(shù)大、成形加工性差。針對(duì)該試件上述工藝難點(diǎn)，采用等溫精密成形工藝，有利于提高材料利用率、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)制件的少、無切削加工。

2 有限元數(shù)值模擬分析

針對(duì)其工藝特點(diǎn)，采用有限元方法對(duì)零件的成形全過程進(jìn)行模擬仿真，對(duì)零件成形性能進(jìn)行分析，對(duì)其變形過程中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，為零件的生產(chǎn)試驗(yàn)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

數(shù)值模擬技術(shù)是上世紀(jì)七十年代末隨著金屬成形基礎(chǔ)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起和發(fā)展，為克服解析法的不足，避免幾何非線性和物理非線性，在矩陣技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的對(duì)成形過程進(jìn)行FEM（有限元法）數(shù)值模擬[2]。本研究采用美國(guó)MSC公司的DEFORM通用有限元軟件對(duì)上述輕合金零件等溫精密成形全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2、、3、4模擬結(jié)果中可看出，試件各部位均已充滿，棱邊齊整，底部凸臺(tái)、側(cè)壁凸筋成形情況均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。等溫成形的變形初期，毛坯內(nèi)等效應(yīng)力大小區(qū)別不大，最大等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)谂c凸模底部圓角接觸處，當(dāng)零件底部凸臺(tái)被充滿后，凸模底部以下的金屬應(yīng)力大，但差別不大，凸模底部以上毛坯的應(yīng)力、應(yīng)變向上逐漸減少，反擠出的大部分金屬應(yīng)力很小。成形過程中，金屬流動(dòng)均勻、規(guī)律，無金屬紊流現(xiàn)象，不易產(chǎn)生折疊缺陷；且成形載荷不大，滿足設(shè)備要求。

3 等溫精密成形工藝試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)情況

在上述模擬仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)輕合金筒形零件毛坯進(jìn)行了等溫成形工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置工作部分示意圖如圖5所示。在初步工藝試驗(yàn)中，成形件充型飽滿、尺寸穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求，但其表面出現(xiàn)麻點(diǎn)和局部粘模現(xiàn)象，分析表明，是由于成形時(shí)工件與模具間壓力大，潤(rùn)滑膜破裂，產(chǎn)生局部干摩擦造成的。為提高潤(rùn)滑膜的承壓力，加入0.3%（重量百分比）的硫化烯烴極壓添加劑[3]，成形件表面質(zhì)量得到改善，局部粘模、表面麻點(diǎn)消失，成形件形狀、尺寸和表面質(zhì)量得到顯著改善，尺寸精度達(dá)到IT11～I(xiàn)T12，表面粗糙度達(dá)到Ra2.09，均超過產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。

3.2 組織性能分析

對(duì)零件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取樣，通過金相觀察，對(duì)等溫精密成形進(jìn)行組織分析。圖7為變形溫度對(duì)7A04超硬鋁的影響情況。從圖中看出，7A04超硬鋁變形溫度為420℃時(shí)，其組織中晶粒均勻、細(xì)小，經(jīng)過后續(xù)固溶處理后，可得到組織均勻，晶粒細(xì)小，性能優(yōu)良的等溫成形件；而當(dāng)變形溫度升到450℃時(shí)，組織雖然均勻，但晶粒比較粗大。

變形溫度一定時(shí)，輕合金等溫成形件固溶時(shí)效處理后再結(jié)晶組織的晶粒大小和形態(tài)與變形程度即變形量有關(guān)。圖8為變形溫度420℃、應(yīng)變速率10-2s-1條件下7A04超硬鋁在不同變形量的熱壓縮的組織。變形量ε<20% ，7A04鋁合金經(jīng)熱壓縮出現(xiàn)不均勻的組織特征，第二相顆粒尺寸很大，而且分布不均勻；當(dāng)變形量大于50%時(shí)，第二相顆粒沿變形方向被拉長(zhǎng)，變形組織較均勻，晶粒較細(xì)小。

4 結(jié)論

1）與普通鍛造比較，等溫精密成形提高了輕合金的塑性成形性，使難變形輕合金材料能夠?qū)崿F(xiàn)工程大變形，從而改善和提高了輕合金成形件的組織性能，滿足武器零件的技術(shù)要求。

2）該技術(shù)應(yīng)用于輕合金武器零件成形，節(jié)省材料、減少后續(xù)機(jī)加工序和加工余量，減少生產(chǎn)工時(shí)，降低生產(chǎn)成本，研究使用條件簡(jiǎn)單，具有便于使用和推廣的應(yīng)用價(jià)值。具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。