大型铝合金铸锭均匀化镦拔优化与模拟

大型铝合金铸锭均匀化镦拔优化与模拟
兰箭;顾青;李姚君;丁佐军;许亮
【摘要】目的给实际生产中大型铝合金铸锭的镦拔提供一套较为全面系统的工艺优化依据.方法提出以理论变形量计算为指导的镦拔参数优化方法:首先将变形过程视为均匀变形,计算坯料镦拔的理论等效应变参数公式;然后针对给定的最终坯料尺寸,优化镦拔过程参量,使理论等效应变均值最大;最后根据优化的镦拔过程参量数值,模拟镦拔工艺过程,对比等效应变的理论均值和模拟均值.结果随着镦拔次数的增加,等效应变均值不断增加,理论值与模拟值偏差逐渐减小,但应变均匀性越来越恶化.结论为得到满足均匀性条件的最终坯料提供了一个有效手段.
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2017(009)004
【总页数】4页(P43-46)
【关键词】大型铝合金铸锭;镦拔;理论计算;数值模拟
【作者】兰箭;顾青;李姚君;丁佐军;许亮
【作者单位】武汉理工大学,武汉 430070;武汉理工大学,武汉 430070;无锡派克新材料科技股份有限公司,江苏无锡 214161;无锡派克新材料科技股份有限公司,江苏无锡 214161;无锡派克新材料科技股份有限公司,江苏无锡 214161
【正文语种】中文
【中图分类】TG316.2
由于铝合金具有低密度、高比强度、高耐蚀性、易加工等特点，因此被广泛应用于航空航天、能源、船舶等行业。

随着各行各业的发展，铝合金锻件的尺寸也越来越大，恶劣的工作环境也对锻件的性能、可靠性等提出了更高要求。

铝合金铸锭在铸造过程中难以避免地会出现组织性能不均匀、成分偏析严重、缩松缩孔、气孔夹杂等缺陷，随着铸锭尺寸的增加，这些缺陷也愈加严重，导致铝合金铸锭难以满足锻件对原材料的要求。

镦拔工艺作为一种工艺简单、成本低、操作方便的方法，通过大的塑性变形来锻合铸锭内部缺陷，细化铸锭晶粒，能显著提高铸锭性能，使铸锭能满足锻件对组织、性能的要求[1—3]。

大型铝合金铸锭的镦拔通常是以经验指导生产，容易造成能源的浪费。

文中针对这一问题进行研究，提出了以理论计算指导镦拔工艺方案制定的方法。

将镦拔过程中变形视为均匀变形，计算镦拔完成后的等效应变值，对镦拔变形量进行优化，根据优化结果对镦拔过程进行模拟，提取单元的等效应变并计算其均值，将理论等效应变值与模拟均值进行比较。

结果表明以理论计算为优化依据的方法是切实可行的。

以理论变形量计算为指导的方法需要先计算镦拔完成后锻件的等效应变，分别计算镦拔中每个工序的等效应变然后进行累加，等效应变计算见式(1)和式(2)[4]。

式中：εx,εy, εz为 x, y, z这 3 个方向的真实应变。

针对镦拔过程提出了五镦四拔、四镦三拔、三镦二拔、两镦一拔等4种镦拔方案，将变形过程视为均匀变形，对锻件等效应变进行计算，以总变形量最大为目标进行过程优化。

以五镦四拔为例，其工序见图1，其中①—⑩是相应锻件的编号，
k1—k6表示相应工步之间主变形方向上尺寸的变形比例（指变形后与变形前主变形方向上的尺寸比例，为了计算出各个方向上的等效应变，根据等效应变计算公式，需要求取每一次变形后锻件的尺寸，为减少未知数个数，将每工序之间的变形比例设为未知参数），为了简化计算锻件⑤, ⑤，锻件⑥, ⑥尺寸取相同尺寸，这样还
保证了x, y方向上变形量相同，能一定程度上提高锻件的均匀性。

最终得到每工
步后锻件尺寸见表1，其中V表示体积。

对于镦粗工步，以第一次镦粗为例。

由于x, y这两个方向上的变形是对称的，因
此有εx=εy，根据体积不变原理[4]有：
对于拔长工步，将表1中数据代入式(2)式即可得到x, y, z这3个方向的分应变，然后代入式(1)就可以表示出等效应变，由于公式较长，文中只讲述一下算法，不
列出详细公式。

将计算出来的各工序等效应变进行累加，即可获得最后锻件的理论等效应变ε总，ε总是一个关于k1—k6的参数式。

为了计算出合理值，需要对优化函数添加约束条件：① 考虑到实际变形量有限制，对镦粗的变形比例设定为 30%～70%（相应镦粗变形量为70%～30%）。

拔长的变形比例设置在 1/0.7～1/0.3；②为了拔长后镦粗工步的顺利进行，要保证拔长后高径比小于3。

针对优化目标——最大理论等效应变值以及约束条件，建立有约束优化数学模型[5]如下，其中xi, zi表示对应编号锻件x, z方向的尺寸。

针对具体实例（初始毛坯Φ500 mm×730 mm，目标锻件740 mm×740
mm×260 mm），利用Matlab的fmincon函数计算出约束条件下最优的 k1—
k6，优化后的k1—k6分别为0.32, 3.3, 0.32, 1.43, 0.36, 1.43。

利用同样的方法
可以计算出其他 3种方案的最优变形比例，四镦三拔优化后，k1—k4分别为0.3, 0.3, 0.35,1.43；三镦二拔优化后，k1—k3分别为0.3, 0.35, 1.43；两镦一拔优化后，k1和k2分别为0.3和3.33。

按照优化后的镦拔参数，即变形比例，利用Deform-3D软件对镦拔过程进行模拟，分别模拟不同方案优化后的改锻过程，摩擦因数为 0.4，压下速度为 20 mm/s，
变形温度为470 ℃，传热系数为4 N/(s·mm·℃)，热对流系数为1 N/(s·mm·℃)。

划分网格数为40 000，网格比例设置为1，这样可以保证提取单元的等效应变权
重一样。

模拟完成后在 Deform-3D后处理窗口中提取锻件每个单元的等效应变，将这些数据导入 Excel，计算出最终锻件等效应变的平均值以及标准差，以平均等效应变衡量应变大小，以标准差衡量应变均匀性。

各方案模拟完成后提取结果见图2和图3。

两镦一拔方案模拟应变值相对于理论计算值的偏差为19%，三镦二拔的为18.9%，四镦三拔的为16.7%，而五镦四拔的为2%。

对于初始毛坯Φ500 mm×730 mm，目标锻件740 mm×740 mm×260 mm 的
实例，企业使用变形比例k1—k6分别为0.55, 2, 0.5, 2.5, 0.5, 2.5。

针对这种情
况同样进行了相同参数下的数值模拟，模拟结果平均等效应变为 7.19，标准差为2.8。

优化后应变值提高了14%，但是均匀度有一定下降。

随着镦拔次数的增加，等效应变也不断增加，并且优化方案模拟的等效应变值与理论计算值的偏差也逐渐减小，优化后等效应变值较企业以前的方案增加了14%，
综合合作公司反馈的试验情况来看，基于理论计算的优化方法是有效可行的，注重优化方法对锻件的应变有所提高。

由于优化后部分变形量较大，会导致均匀性的降低。

通过这种以理论计算为指导，根据实际镦拔需求对镦拔方案进行优化的方法，不仅可以提高镦拔方案的制定效率，还能提高镦拔效率，降低生产成本。

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