于磊郭成：壳体零件温挤压变形规律研究.docVIP

某壳体零件温挤压变形规律研究 西安交通大学机械工程学院 于磊 郭成 西安东方集团有限公司 王长林 刘汉雄 摘要 通过数值模拟，分析了壳体零件温挤压成形三个变形阶段的金属流动规律；通过正交试验分析了模具结构参数对于成形件头部尺寸的影响规律；分析了壳体零件温挤压成形的主要缺陷及成因，提出了解决办法，实现了壳体零件良好成形。 Abstract The flowing law of metal in the three stages of warm extrusion process for the shell part is analyzed using numerical simulation method. The influence of die parameters on the forming process is indicated through orthogonal experiment. The cause of the defects in the warm extrusion is analyzed and some measures are taken to make the shell part well formed. 1 引言 如图1a所示，壳体零件是某产品中的关键结构件，要求具有较高的强度。此外，为了保证与其它零件装配后有良好的密封性，要求加工出的壳体零件具有精确的尺寸和较高的表面光洁度。 (a) 壳体零件简图 (b) 挤压件图 图1壳体零件图 该零件材料为2A12高强度铝合金，属于Al-Cu-Mg合金，主要成分为：Cu 3.9~4.8%，Mg 1.2~1.6%，Mn 0.3~0.9%，其余为Al。该材料强度高、耐热性能好，具有良好的机加工性能，但是塑性较差，。该零件原采用棒料机械加工的方法成形，材料利用率低（约为21.5%），加工工时长，生产效率低，而且机加工破坏了材料的原有金属纤维组织，不利于充分利用材料的性能。如果采用温挤压成形，毛坯的金属纤维组织随着金属流动的方向而产生变形，纤维组织没有发生断裂，并沿着外形分布，有利于提高零件的机械性能[1]。此外,采用温挤压成形，可以节省材料，减少机加工余量，提高生产效率，降低成本。 本文采用数值模拟与试验相结合的方法，对该零件温挤压变形规律进行研究。分析复合根据零件技术要求，温挤压制件要后续机加工，制定的挤压件如图1b所示。工艺方案采用一次复合挤压成形，坯料采用圆形实心棒料，尺寸为Φ52x41m。 由于采用复合挤压，就存在各段长度控制的问题。通常有两种方法控制复合挤压的金属流动：一种是通过设计合理的正、反挤压变形程度，调整凸、凹模顶角和锥角，增加台阶等手段，控制两个方向的流动速度；另一种方法是利用模具结构限制某方向的金属流动，使之达到一定程度后停止[2]-[3]。 目前对于此类挤压件，没有系统的金属流动规律分析，因而需对温挤压中的金属流动情况进行研究，以确定合理的控制方式。 采用Deform-3D有限元数值模拟软件不仅可以对温挤压成形结果进行预测，更能得到成形过程中的应力、应变及金属流动速度等相关信息，是分析成形变形规律的有力工具[4]。 根据厂方工艺规范，模拟对应各工艺参数为：坯料温度350℃，模具温度300℃，环境温度20℃，挤压速度16.6mm/s，摩擦系数取μ=0.1。 图2 壳体零件温挤压数值模拟模型 1.凸模2.坯料3.凹模 挤压刚开始，金属在凸模推动下向下运动。靠近凹模形腔锥面部分的金属发生局部的正挤压；靠近凸模锥面的金属发生反挤压。金属的变形主要集中在上述两个局部区域内，其余的金属不发生变形，仅在凸模推动下向下移动（如图3）。 a)刚性平移 b)局部变形开始 c)变形区扩大 图3 局部变形阶段金属流动图 如图4所示，随凸模进一步下行，正、反挤压区域扩大，全部金属均进入变形区。分流面出现在凸模锥面，且逐渐向下移动。 在这一阶段中，正挤压变形阻力增加，而反挤压阻力基本保持不变，根据最小阻力定律，金属会沿反挤压方向流动；但是由于摩擦力的存在，使得变形区域内越靠下的金属向反挤压方向流动的阻力越大，使得变形区内存在一个向两个方向流动阻力相等的面域—即分流面。随着正挤压变形程度加大、阻力增大，必然会有更多的金属向反挤压方向流动。 a)分流面出现 b)分流面下移 c)分流面到达最低 图4 不稳定复合挤压阶段金属流动图 a) 分流面稳定 b) 挤压结束 图5 稳定挤压阶段金属流动图 为了系统研究模具结构参数对于温挤压成形的影响规律，对图6所示的模具结构参数进行L27正交试验分析。正交试验因素水平如表1所示。通过L27正交试验分析，结果如下： 各因素影响的主次顺序为CEADB。 最优因素C1E1A