用機械切削法制造鋁合金雙錐薄壁零件，材料浪費嚴重、生產效率低。本文采用熱擠壓對其成形。借助Deform-3D軟件對擠壓過程進行了數值模擬，分析了不同形狀與尺寸的坯料對擠壓載荷、等效應變分布的影響。利用模擬結果設計的模具與坯料進行了實際成形試驗。結果表明，管狀坯料為最佳的擠壓坯料，熱擠壓可獲得完好的鋁合金雙錐薄壁件。

　　關鍵詞：鋁合金;擠壓成形;數值模擬;等效應變

　　鋁和鋁合金材料具有一系列的優良特性，如良好的成形性能、力學性能、物理性能以及工藝性能[1]。對于雙錐薄壁零件，由于其服役須具有一定的強度要求，所以使用7A04鋁合金。7A04屬Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，是一種可熱處理強化的超強鋁合金，有良好的鍛造性能[2-3]。另外，利用機械加工方法生產零件時，會造成材料的浪費，并且影響生產效率，難以滿足大批量生產的需要[4]，所以選擇熱擠壓成形，不僅節省了材料，而且降低了生產成本[5]。擠壓成形是最重要的壓力加工方法之一[6]。本文使用Deform-3D軟件模擬各種雙錐形薄壁鋁合金零件的毛坯形狀的成形過程，并預測成形結果。通過分析其擠壓載荷隨變形位移的變化曲線以及坯料的等效應變分布來確定最佳的坯料。

　　1模型的建立和模擬條件的設置

　　1.1模型的建立

　　雙錐薄壁鋁合金零件及其尺寸如圖1所示。該零件的成形難點在于：底部圓臺和頂部圓環與中間的錐壁過渡性較差，尺寸有一定差異，所以在它們的接觸處容易出現金屬填充不完全，金屬流動不均勻等情況，造成缺陷。另外，兩個傾斜的錐壁厚度僅有3.5mm，在擠壓成形后期需要較大載荷。文獻[7]研究表明，設計合理的坯料形狀不僅可以改善零件的成形，使組織更加均勻，而且可以提高零件的力學性能。對于雙錐薄壁零件，根據其形狀特征，通過Pro/E軟件計算后，初步確定三種坯料：內徑31mm、外徑55mm、高56.7mm的管狀坯料;直徑55mm、高38.7mm的圓柱坯料;內徑15.24mm、外徑81mm、厚18.5mm的圓環坯料。然后將用Pro/E繪制的模具與坯料的三維圖形以STL格式導入Deform-3D中。為了提高效率，選取模型的1/6作為研究對象即可，但須設定好對稱面。各個方案最終的模型圖如圖2所示。

　　1.2模擬條件的設置

　　采用等溫擠壓成形，擠壓溫度485℃，壓頭下壓速度5mm/s，摩擦系數0.2。對坯料進行網格劃分，最小單元尺寸0.6mm，最大尺寸比3，步長為0.2mm。對參數檢查無誤后，即可運行軟件進行計算并得到結果。

　　2模擬結果與分析

　　2.1擠壓力比較分析

　　采用Deform-3D軟件可以得到模具在變形工件上所施加的載荷大小[8]。采用不同形狀的坯料進行數值模擬后得到的擠壓載荷隨變形位移的變化曲線如圖3所示。由圖可知，在擠壓初期，三種坯料隨著上模向下運動時，由于擠壓剛開始，還有很多空間可供坯料流動，所以載荷增加的都很緩慢。隨著擠壓過程的進行，圓環狀坯料和管狀坯料的金屬流動方向出現分界線，此時它們的擠壓載荷隨變形位移的變化曲線出現略微波動，當擠壓過程進行到上部圓環被坯料填滿時，載荷開始快速增大，然后再開始填充下端圓臺，此時由于圓臺與壁部呈90°臺階過渡，有較大尺寸差異，并且摩擦會使塑性變形困難，所以載荷不僅快速增大并且伴有較為劇烈的波動。最終，坯料填滿圓臺部位，載荷達到最大值，擠壓結束。圓柱狀坯料受到擠壓時，會先填充下部圓臺，所以在坯料受擠壓開始填充下部圓臺時，金屬流動方向會發生改變，坯料金屬由向下流動變為向上流動，正擠壓變為反擠壓，載荷也逐漸增大。當擠壓過程進行到坯料開始填充上部圓環時，由于上部圓環與上錐壁之間有尺寸差異，所以載荷的增加會有一定的波動。最終，坯料填滿圓環部位，載荷達到最大值，擠壓結束。由于反擠壓所需要的載荷大于正擠壓，所以圓柱坯料成形所需要的載荷在理論上大于圓環坯料和管狀坯料所需要的載荷。由圖可以看出，管狀坯料成形所需的載荷為2019kN，圓環坯料成形所需的載荷為2058kN，圓柱坯料成形所需的載荷為2205kN。所以，管狀所需載荷最小，分別比圓環、圓柱坯料小39、86kN，對設備要求最低。

　　2.2等效應變對比分析

　　圖4為不同坯料成形的零件等效應變分布圖。由圖可知，三種坯料成形后等效應變分布的規律大致相同，上錐壁處等效應變較小，下錐壁處等效應變較上錐壁略大，而等效應變最大的區域都是底部空心圓臺的臺階處和上端圓環頂部的內邊緣。總體來說，圓環坯料和圓柱坯料的等效應變的大小和最大等效應變的分布面積均大于管狀坯料，圓柱坯料的最大等效應變達到了15.3，而管狀坯料的最大等效應變為10.4，最小等效應變僅為1.17。所以，采用圓柱坯料成形時，成形后的零件具有很大的等效應變，組織不均勻，在后期的加工中可能會出現裂紋等缺陷，影響零件的性能。而采用管狀坯料成形時，零件變形均勻，等效應變整體低。因此，管狀坯料更好。

　　3零件試制

　　選用H13耐熱模具鋼作為模具材料，FS32-160四柱式液壓機作為擠壓設備，GY11-23箱式工業電阻爐作為模具與坯料的預熱設備對零件進行試制。試制得到的零件如圖5所示。零件表面較為光滑，成型度好。

　　4結論

　　(1)管狀坯料高度最高，截面積最小，最接近零件形狀，整個成形過程最平穩，成形效果最好;圓柱坯料與圓環坯料高度較小，截面積較大，對成形效果有一定影響。(2)圓柱坯料在成形過程中以反擠壓方式成形圓錐壁，其擠壓力最大;管狀坯料和圓環坯料在成形過程中，底端空心圓臺為最后成形部分，成形過程較為均勻、平緩。管狀坯料所需擠壓力最小，分別比圓環、圓柱坯料小39、86kN。(3)由等效應變分布圖可知，底部空心圓臺拐角處和上端圓環邊緣處的等效應變較大，但管狀坯料變形最均勻，整體等效應變最低。(4)零件試制表明，用管狀坯料進行熱擠壓，更易于獲得完整的鋁合金雙錐薄壁零件。

　　作者：胡嘉瑋 王云鵬 許小云 劉道峰 王曉勇 蔣洪章 于常沛 任建榮 申小平 顏銀標 單位：南京理工大學 材料科學與工程學院 國營第一二一廠 沈陽工業集團有限公司