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特种成形 PECIAL FORMNG
文章编号:1672-0121(2015)04-0082-03
锻造铝合金挤压成形工艺研究
杨正法
(天水锻压机床(集团)有限公司,甘肃天水741020)
摘要:对难变形的高硅铝合金活塞进行了工艺性分析,确定采用挤压成形工艺。根据活塞的形状特点、材
料特性和技术要求,对活塞的挤压成形进行了数值模拟。根据模拟结果,优化了坯料形状和尺寸,消除了粗晶
缺陷,得出了合理的工艺方案。结果可为准变形铝合金活塞的挤压成形提供参考。
关键词:挤压成形;锻造铝合金;工艺研究;活塞
中图分类号:TG379文献标识码:ADOI:10.16316/ l,Issn.1672-0121.2015.04.026
0引言
轮廓分布,不允许有穿流、涡流、流线紊乱等缺陷。组
发动机的关键零件一一活塞长时间受交変的高织结构为Al-Si共晶,不允许有粗晶组织。力学性
温、高压、冲击载荷,其性能直接影响发动机的可靠能、硬度、流线分布及微观组织要求高。
性和经济性。高功率密度柴油机使用变形铝合金活
由于毛坯内腔形状复杂且内表面不加工,因此
塞,其质量轻,散热好,单位体积功率大。锻造铝合金表面不得有裂纹、皱纹、碰伤等缺陷。活塞材料为高
活塞因其组织致豁、可靠性高而广泛用于结构紧密、硅铝合金,含Si最高(11.5~12.5wt%),流动性差,锻
体积小、比功率大的发动机中。活塞曲面内腔表面精造温度仅100℃左右,且对成形速度敏感,模锻成形
度高,成形后不再切削加L,因此锻造难度加大。本时容易产生裂纹和粗晶。铝活塞裙锻件体积较大,外
文研究该活塞的锻造成形工艺,探索挤压成形深型形呈圆周对称,变形程度大
腔活塞的可行性。目前变形铝合金活塞的生产有挤
液压机由于速度容易控制,变形应变速率低,对
压和锻造两种生产方式。挤压活塞内部组织致密,导于大变形、低速挤压零件尤其适宜。因此,决定采用
热和抗高温、高压能力明显提高。由于挤压活寒有较液压机挤压成形
高的力学性能,使得活塞在较小的尺寸有较高的强
度,从而减少了活塞的质量,降低了活塞运转时的惯
性,节省了能源消耗。
在活塞挤压成形过程中,金属不均匀流动会产
生剪切变形。当挤压速度、坯料加热温度、模具预热
温度、润滑剂选取不合理,活塞内部或表面都会产生
缺陷。如果缺陷产生在非机加工面,则会导致零件报
废例。运用有限元数值分析技术,在塑性成形前,进行
图1挤压活塞三维模型
计算机仿真,改进工艺,消除缺陷リ
2数值模拟理论基础及参数
活審工艺分析
数值模拟参数为:挤压温度475~370℃;坯料
活塞三维模型图如图1所示。活塞材料为体积42548700mm3,成形设备45MN液压机,四面
/A1Si12 Cunimg铝合金,其主要技术要求为:Rm体网格单元大小0.36m,格数量约为432400
315MPa,A43%,硬度均匀分布。纤维方向按零件个
长
模拟时,上模运动面下模静止,并假定模具为刚
收稿日期:2014-07
性体。每次压下量取约为初始坯料高度的1.5%。坯
」作者筒介:杨物正法(90),男高线エ师,总理,长期从事金属成料为圆锥台形,考虑到锻件的对称性,取其14进行
形工艺研发
模拟,并以中心为对称截面。模拟材料参数采用
SPECIAL FORMING特种成形
Gleebe-1500D实测数据,图2为应变速率为1.0由于铝合金在变形时不断产生新生面,使其摩擦增
时的流动应力曲线,图3为变形温度450℃时的流大,所以在铝活塞成形时需多次润滑,以使其变形容
动应力曲线。
易,提高成品率。
(2)锻件的温度控制。成形过程中,涂润滑剂和
380℃
设备的上行和下降时间估计约30s(上、下各10s,设
425℃C
备速度100mm/s,涂润滑剂10s),开始热转换和对空
450
气散热时的毛坯温度场如图5所示,最高温度
493℃。散热后的温度场如图6所示,最高温度
469℃。成形结束时的温度场如图7所示,最高温度
498
0.00.20.106
实际应变(绝对值)
图2应变速率为1.0s-1时的流动应力曲线
70
S Rate 10.0
黑
S Rate 1.00
40
S Rate 0. 10
图5开始热转换和对空气散热时的毛坯温度场
30
20
S Rate 0.01
0
0.00.20.40.60.81.0
实际应变(绝对值)
图3变形温度为450℃时的流动应力曲线
3模拟结果及分析
将工艺坯料制成圆合形状,尺寸260mm(上)x
图6散热后的锻件温度场
200mm(下)x225mm(高)。产生粗晶的原因除了由
于变形程度过小(落入临界变形区)、变形程度过大
和变形激烈而不均匀所引起之外,加热和模锻次数
过多、加热温度过高、终锻温度太低也会产生粗晶。
另外,由于工艺坯料形状不合适,所引起的变形
不均匀也会引起晶粒粗大,粗晶组织除使力学性能
降低外,对金属的疲劳强度和抗震性能都有不良的
影响。由于锻后热处理不能改善粗大晶粒组织,故应
从工艺坯料的形状和锻造工艺方法上加以解决。
图7锻压结東时的锻件温度场
(1)不同摩擦系数对成形的影
由于4032铝合金在锻造过程中的温度不能高
响。分别采用摩擦系数为0.1和
于500℃,因此锻造时不能一次成形,在压制时一定
0.3对同样的毛坯进行模拟。如图
要散热,否则就会产生过烧,出现废品。
4所示为摩擦系数0.3时的模拟结
(3)流动网格。为检査毛坏变形是否均匀,局部
果,可以看出,铝合金在变形时因
会否发生激烈变形,模拟了金属流动,模拟结果如图
摩擦的原因使成形困难重重,摩擦
8所示。可以明显看出,这个变形过程是先敏粗,后
系数为03时成形困难,活塞锻造4径20m的反持。,从金属流动网格可以看出,所使用的坏料金属
的废品率很高,近乎无法成形。y圆台状毛坯成形结果流动均匀,没有发生金属局部激烈变形情况。