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1、多向模锻周密挤压在铝合金机匣体中的应用范青松 1, 胡 治 2，张宝亮 3，胡俊德 41、3.重庆建设工业集团有限责任公司锻造厂，重庆市 400054；2、4.重庆建设工业集团有限责任公司制造技术部，重庆市 400054摘 要：随着现代工业的高速进展，锻造已经不再是传统的自由锻造和锤上开式模锻，多向模锻周密挤压技术这一型的锻造方式应运而生。多向模锻具有材料利用率高、锻件精度高、可成型简单零件等系列优点。LC4 铝合金机匣体作为机械产品中最重要的零件之一，其毛坯在传统的模锻过程中工序简单、锻造精度差、材料利用率低。针对铝合金机匣体模锻过程中的问题，运用 Deform 计算机模拟技术开放了多向模锻
2、在铝合金机匣体周密成型中的系列争论，大量的试验后，最终得到合格的机匣零件，并应用生产。关键词：多向模锻；铝合金；机匣体；数值模拟；引 言近年来，随着机械工业，尤其是汽车工业的飞速进展与国际竞争的剧烈化，零部件及其设计与生产过程的高精度、高性能、高效率、低本钱、第能耗，已成为提高产品竞争力的唯一途径。常规切削加工技术和一般锻造成型制坯工艺已难以满足进展要求。周密锻造成型技术作为先进制造技术的主要组成局部， 伴随着汽车、摩托车、兵器、航空、航天、电子及通用机械等支柱产业的需求与进展而得到了快速的进展，并已成为提高产品性能与质量，提高市场竞争力的关键技术与进展途 径，这是由于周密锻造成形不但节约材料
3、、节约能源，缩短制造周期，降低生产本钱；而且由于可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织构造与性能，从而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、牢靠性和使用寿命。LC4 铝合金机匣体的多向模锻周密挤压，承受 Pro/E 三维造型软件对机匣体进展三维建模，承受 Deform-3D 三维有限元分析软件对机匣体的多向模锻工艺进展模拟分析，结合LC4 铝合金机匣体的成型特性，比照工艺分析方案进展有限元分析，并对工艺参数进展优化设计，基于分析结果，制定合理工艺，使锻件的力学性能和尺寸要求满足产品要求。1 可行性分析1.1 工艺分析LC4 超硬铝合金是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金，在硬铝的根
4、底上参加锌而制成，具有密度小2.85g/cm3，比强度高强度极限与密度的比值等优点，常用在汽车、航空航天和轻武器的制造中。但是，其塑性较低，变形阻力较大，因此在锻造过程中对加热温度和模具制造要求较高。机匣体是机械产品上的一个重要零件，其主要作用是保护内部零件不受损害，要求有较高的强度和较低的重量。对机匣体零件的分析觉察，其为内空的壳类零件，且局部外表为非加工面，多向模锻周密挤压技术最适合其毛坯的制造， 主要工艺为：下料车削预锻打磨终锻吹砂打 磨。1.2 成型原理依据工艺分析，拟承受 16001250T 多向模锻压力机对铝合金机匣体进展周密挤压锻造。挤压成型承受预锻与终锻两次挤压成型，预锻主要为
5、机匣体毛坯的预制坯，终锻挤出锻件的最终尺寸，并到达局部外表不加工。工作过程为：首先是上下模具合模，再由侧冲头运动，坯料在密闭的型腔内受三向压应力而流淌，最终成型。2 模具设计2.1 三维建模Pro/E 是美国参数技术公司 Parametric Technology Corporation，简称 PTC的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位， 并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM 领域的标准而得到业界的认可和推广， 是现今最成功的 CAD/CAM 软件之一。如图 1图 1三维模型2.2 模具设计依据成型原理，对机匣体多向模锻周密挤压模具进展设计，其模具简图如下。345121:预
6、锻凸模2：上凹模图 2模具简图3:终锻凸模4：下凹模5:顶出1杆：预锻凸模 2：上凹模3：终锻凸模 4：下凹模 5：顶杆3 坯料计算及一次坯确实定承受Pro/E 软件的体积计算功能，整体测量锻件的体积属性，依据测量得出机匣体的体积 V1=359059mm3，长度259mm。依据体积不变原理，V=V1V棒料体积；V1 锻件体积，选取机匣体 5 个截面，测量机匣体截面积，如图 3 所示。并折算出相等同圆的直径，如表 1 所示。图 3测量模型横截面积表 1 折算出圆的直径截面面积mm2折合圆直径mmDTM12202.852.9DTM21204.039.2DTM31344.941.4DTM41252.
7、340.0DTM51290.240.5依据等截面原理得出一次锻坯如图 4。图 4 计算的一次锻坯以看出机匣体一次锻坯为阶梯轴，拟承受原材料加热后在辊锻机进展辊锻拔长预制坯。依据体积计算公式：V=4 D2L V锻件的体积，D坯料最大的直径，L原材料的长度 计算出原材料规格为： 52.9163.4mm。但在实际操作中辊锻拔长制坯简洁使一次锻坯产生表 面折叠，且模具制造和调试较困难。因此，将坯料改为镦头成型，且在终锻的过程中，金属可在轴向进展少量的位移， 因此将一次锻坯简化为图 5 所示。对机匣体两种一次锻坯分析比照觉察，两种锻坯长度相等，大头一端横截面积和锥度相等，因此依据：V=V1=V2V1计算
8、一次坯料体积，V2改进一次坯料体积 计算出改进一次坯料直径为：D1=4V-V/ l-l(D1原材料直径，V大头的体积，l杆部长度) 计算得出 D1=42L1=4V/ D1 (L1原材料长度)计算得出 L1=280则原材料规格为： 42280mm。这样最终工艺路线为：下料车削镦头打磨成型剃边吹砂打磨。4 成型过程的数值模拟锻件成型过程的数值模拟被用于求解金属变形过程的应力、应变、温度等的分布规律，进展模具的手里分析以及推测金属的成型缺陷。DEFORM 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员设计工
9、具和产品工艺流程，削减昂贵的现场试验本钱，提高工模具设计效率，降低生产和材料本钱，缩短产品的争论开发周期。4.1 几何模型的导入几何模型是为了实现与进展数值模拟相关的变形体和刚体的几何造型。为了进一步网格划分的便利和避开奇异点的产生，通常对模型进展适当的简化处理。前期工作已经用Pro/E 软件对模具构造经行 3D 造型，经适当简化后，通过保存副本的形式将模型另存为 STL 格式，实现模型和数值模拟的软件 Deform-3D 间的数据转换，如图 6 所示。图 5 改进后的一次锻坯4.2 网格划分图 6 模型导入网格划分太大，计算速度快，但计算精度降低；网格划工程材料Material 锻造温度Te
10、mperature步长Step displacement步数 Number of Simulation steps设定参数ALUMINUM-7075750- 1000F(400-550C)4500.3mm 43保 存 步 长 StepIncrement to Save停顿Die Stop摩擦系数deformation 热传导系数thermal3130.3hot forming 2forming分太小，模拟准确性上升，但计算时间会增加，效率降低。所以适宜的网格划分至关重要。结合锻件自身体积，对该机匣体划分网格的数目为 80000 个，如图 7 所示变形网格最小边界尺寸为 1.35mm。4.3 参
11、数的设定图 7 网格划分机匣体的材料为 LC4，但 Deform 软件中没有此材料可供 选 择 ， 故 选 择 性 能 与 其 相 当 的 LC9 及ALUMINUM-7075750-1000F(400-550C)，可以看出该材料适合在 400-550锻造，量取上下模具的距离为 13mm，设定运动步长为最小边界尺寸的1/51/3 ，本试验设定为0.3mm，计算处模具降落运动总步数为 43 步，设定每 3 步保存一次，具体参数设置见表 2。表 2 数值模拟参数设置因此试验是多向挤压试验，首先上下模具合模，然后侧冲头挤压，所以待第一次参数设定模拟完成后连续导入侧冲头，进展其次此参数设定并模拟成型，
12、其次次参数主要设定运动参数，设定方法参照上表。4.4 模拟锻造过程锻造的实际生产过程是格外快的，但是用Deform 软件可以提取任何时候的变样子况，在图 8、9、10 中分别是成型开头时刻、成型第 180 步和成型最终时锻件的变样子况。随着凸模的挤压，一次锻坯在压力的作用下渐渐成型，渐渐形成与型腔外形尺寸一样的锻件。图 2 成型开头时的变样子况表 9成型 180 步时的变样子况图 10 成型最终时刻锻件的变样子况为了更好的了解变样子况，在一次锻坯上选取了三个不同的点P1、P2、P3，如图 11 所示，利用 Deform 软件得出这三个点在任意时间下的参数。曲线如图 12，从应力曲线中可以分析得
13、出P1、P2、P3 三点在整个挤压成型过程中受力几乎保持全都。首先， P1 点突起，较早接触凸模，所以在 3s 处应力曲线消灭一次波峰，6s 后三点均已接触模具，受力开头增大。在整个挤压过程中，应力曲线与挤压成型时间或凸模位移成正比增长， 13.9s 后停顿，此时三点受到应力最大，且凸模压力保持平衡，有利于锻件的充型。图 12 坯料上三个点的应力曲线图 11坯料上 3 个点的位置4.5 模拟后处理经过 Deform 运算后，得到了最终的锻件外形以及锻件的成型状况。假设坯料计算有误，模拟的结果必定是局部充型不满或压力明显不均匀等缺陷。这就需要对坯料或者模具进展优化，再进展模拟，直到充型良好，这样
14、坯料和模具就根本确定了，可以进展下一步的生产试制。在本次计算机模拟计算中，锻件充型良好，没有消灭局部充型不满现象，且模具受力比较均衡，模拟状况符合要求， 可以进展生产试制。如图 13 为锻件模拟最终成型状况5 生产试制及批量生产5.1 生产试制在生产试制的过程中，承受贯穿试加热炉进展坯料的加热，加热温度 430450，保温 2h，模具温度 280320； 承受 630400T 压力机进展一次锻坯成型；承受 1600 1250T 多向模锻压力机进展机匣体多向模锻终挤压成型。机匣体多向模锻成型后的照片如图 14，观测实际锻造结果，机匣体充型饱满，尺寸正常，外表质量高，完全满足锻件图要求，经热处理后
15、检验确认，各项性能指标符合要求。5.2 批量生产6 完毕语机匣体多向模锻周密挤压成型工艺较一般模锻工艺提 高了材料利用率，尺寸精度高，外表质量好，具体比照方下：表 3铝合金机匣体多向模锻工艺与一般模锻工艺比照工程 周密挤压一般模锻材料消耗1.27kg2.06kg材料利用率95%以上5860%工序数1214厚度尺寸0.3mm0.5mm错模0.3mm0.5mm非加工外表60%左右40%左右一次模具寿命202305000二次模具寿命30003000多向模锻利用 CAD 进展模具设计和 CAM 的成型模拟，大大缩短了产品的制造周期，降低了开发试制本钱，说明，机匣体多向模锻周密挤压成型工艺的成功试制和量产， 是理论计算、CAD/CAM 与生产阅历多方面结合的成果；大大缩短了产品的开发周期，降低了生产试制本钱，提高了模具设计效率，是利用 CAD/CAE 进展模具设计、优化调整、数值模拟、缺陷分析，运用于实际的典型实例。本文是基于 CAD/CAE 的模具设计，提高了企业的市场竞争力，带来了良好的经济效益。参考文献: