浅底筒件等温精密成形工艺

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浅底筒件等温精密成形工艺

随着现代工业产品轻量化要求日益迫切，轻合金零件被大量采用，现行轻合金零件大都采用切削加工，材料利用率低，传统热变形充填性差，且由于坯料产生不均匀的温度场，形成难变形区域，引起组织性能的不均匀和附加应力[1]。针对传统热变形的不足，轻合金零件采用等温精密成形工艺，即坯料和模具在成形过程中保持在相同温度下的成形方法，避免了坯料在变形过程中温度降低和表面急冷的问题，该技术生产效率高，是实现毛坯精化的有效措施。 1  轻合金零件成形工艺分析 http://www.molds.cn/tp/news/200707/20070717064707636.gif 如图1所示为端面带三凸筋的浅底筒形零件，材料为超硬铝合金7A04。该试件的充型要求为：充型饱满、飞边小；尺寸精度较高，表面粗糙度小、不粘模；成形载荷小。该轻合金零件从使用和加工工艺角度分析有以下难度：一是强韧性指标高，且要求基体组织满足相关技术要求；二是结构复杂、形状特殊、变形程度大；三是材料常温塑性低、热成形温度范围窄、导热系数大、成形加工性差。针对该试件上述工艺难点，采用等温精密成形工艺，有利于提高材料利用率、降低生产成本，实现制件的少、无切削加工。 " `0 M8 P) `; q) s2 有限元数值模拟分析 针对其工艺特点，采用有限元方法对零件的成形全过程进行模拟仿真，对零件成形性能进行分析，对其变形过程中可能出现的缺陷进行预测，为零件的生产试验提供可靠的技术依据。 ; R5 ^2 J. ?- N0 P数值模拟技术是上世纪七十年代末随着金属成形基础理论和计算机技术的兴起和发展，为克服解析法的不足，避免几何非线性和物理非线性，在矩阵技术基础上发展起来的对成形过程进行FEM（有限元法）数值模拟[2]。本研究采用美国MSC公司的DEFORM通用有限元软件对上述轻合金零件等温精密成形全过程进行了数值模拟分析，模拟结果如图2～图4所示。 http://www.molds.cn/tp/news/200707/20070717064707433.gif 9 s8 G: N+ T! [" D$ W从图2、、3、4模拟结果中可看出，试件各部位均已充满，棱边齐整，底部凸台、侧壁凸筋成形情况均达到设计要求。等温成形的变形初期，毛坯内等效应力大小区别不大，最大等效应力和等效应变在与凸模底部圆角接触处，当零件底部凸台被充满后，凸模底部以下的金属应力大，但差别不大，凸模底部以上毛坯的应力、应变向上逐渐减少，反挤出的大部分金属应力很小。成形过程中，金属流动均匀、规律，无金属紊流现象，不易产生折叠缺陷；且成形载荷不大，满足设备要求。 3 等温精密成形工艺试验 3.1试验情况 * b- I* k  C3 J- k) n在上述模拟仿真的基础上，对轻合金筒形零件毛坯进行了等温成形工艺试验，试验装置工作部分示意图如图5所示。在初步工艺试验中，成形件充型饱满、尺寸稳定，符合设计要求，但其表面出现麻点和局部粘模现象，分析表明，是由于成形时工件与模具间压力大，润滑膜破裂，产生局部干摩擦造成的。为提高润滑膜的承压力，加入0.3%（重量百分比）的硫化烯烃极压添加剂[3]，成形件表面质量得到改善，局部粘模、表面麻点消失，成形件形状、尺寸和表面质量得到显著改善，尺寸精度达到IT11～IT12，表面粗糙度达到Ra2.09，均超过产品设计要求，如图6所示。 3 y- s9 Y& m% {4 N2 r, Uhttp://www.molds.cn/tp/news/200707/20070717064708914.gif ) F! @( d; i/ M3 p2 }0 n# u- j' b3 G" S3.2 组织性能分析 ) H7 v7 D/ ]' S* C. N4 c1 R6 Q. M对零件试验结果进行取样，通过金相观察，对等温精密成形进行组织分析。图7为变形温度对7A04超硬铝的影响情况。从图中看出，7A04超硬铝变形温度为420℃时，其组织中晶粒均匀、细小，经过后续固溶处理后，可得到组织均匀，晶粒细小，性能优良的等温成形件；而当变形温度升到450℃时，组织虽然均匀，但晶粒比较粗大。 2 ~- I6 k- }: s1 R+ P  ~1 shttp://www.molds.cn/tp/news/200707/20070717064708752.gif http://www.molds.cn/tp/news/200707/20070717064708322.gif 变形温度一定时，轻合金等温成形件固溶时效处理后再结晶组织的晶粒大小和形态与变形程度即变形量有关。图8为变形温度420℃、应变速率10-2s-1条件下7A04超硬铝在不同变形量的热压缩的组织。变形量ε<20% ，7A04铝合金经热压缩出现不均匀的组织特征，第二相颗粒尺寸很大，而且分布不均匀；当变形量大于50%时，第二相颗粒沿变形方向被拉长，变形组织较均匀，晶粒较细小。 http://www.molds.cn/tp/news/200707/20070717064708151.gif 4 结论 1）与普通锻造比较，等温精密成形提高了轻合金的塑性成形性，使难变形轻合金材料能够实现工程大变形，从而改善和提高了轻合金成形件的组织性能，满足武器零件的技术要求。 ' |, M; h* w3 n9 n2）该技术应用于轻合金武器零件成形，节省材料、减少后续机加工序和加工余量，减少生产工时，降低生产成本，研究使用条件简单，具有便于使用和推广的应用价值。具有显著的经济效益。