多向模锻精密挤压在铝合金机匣体中的应用

多向模锻精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4
（1、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发展，锻造已经不再是传统的自由锻造和锤上开式模锻，多向模锻精密挤压技术这一新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、可成型复杂零件等系列优点。

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复杂、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 计算机模拟技术展开了多向模锻在铝合金机匣体精密成型中的系列研究，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发展与国际竞争的激烈化，零部件及其设计与生产过程的高精度、高性能、高效率、低成本、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普通锻造成型制坯工艺已难以满足发展要求。

精密锻造成型技术作为先进制造技术的主要组成部分，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发展而得到了迅速的发展，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发展途径，这是因为精密锻造成形不但节约材料、节约能源，缩短制造周期，降低生产成本；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结构与性能，从而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、可靠性和使用寿命。

LC4铝合金机匣体的多向模锻精密挤压，采用Pro/E三维造型软件对机匣体进行三维建模，采用Deform-3D三维有限元分析软件对机匣体的多向模锻工艺进行模拟分析，结合LC4铝合金机匣体的成型特性，对比工艺分析方案进行有限元分析，并对工艺参数进行优化设计，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，在硬铝的基础上加入锌而制成，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发现，其为内空的壳类零件，且部分表面为非加工面，多向模锻精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
根据工艺分析，拟采用1600—1250T多向模锻压力机对铝合金机匣体进行精密挤压锻造。

挤压成型采用预锻与终锻两次挤压成型，预锻主要为机匣体毛坯的预制坯，终锻挤出锻件的最终尺寸，并达到部分表面不加工。

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动，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领域的新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
根据成型原理，对机匣体多向模锻精密挤压模具进行设计，其模具简图如下。

图2 模具简图
1：预锻凸模2：上凹模
3：终锻凸模4：下凹模5：顶杆
3坯料计算及一次坯的确定
采用Pro/E软件的体积计算功能，整体测量锻件的体积属性，根据测量得出机匣体的体积V1=359059mm3，长度259mm。

根据体积不变原理，V=V1（V—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。

1:预锻凸模 2：上凹模
3:终锻凸模 4：下凹模
5:顶出杆
图3 测量模型横截面积
表1 折算出圆的直径
根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，拟采用原材料加热后在辊锻机进行辊锻拔长预制坯。

根据体积计算公式：
V=4πD 2
L ………………………………①（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：φ52.9×163.4mm 。

但在实际操作中辊锻拔长制坯容易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，金属可在轴向进行少量的位移，因此将一次锻坯简化为图5所示。

图5 改进后的一次锻坯
对机匣体两种一次锻坯分析对比发现，两种锻坯长度相等，大头一端横截面积和锥度相等，因此根据：
V=V1=V2……………………………….②（V1—计算一次坯料体积，V2—改进一次坯料体积）
计算出改进一次坯料直径为：
D1=4（V-V ’）/π（l-l ’） ……………③(D1—原材料直径，V ’—大头的体积，l ’—杆部长度)
计算得出D1=42
L1=4V/πD1……………………………④(L1—原材料长度)
计算得出L1=280
则原材料规格为：φ42×280mm 。

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，进行模具的手里分析以及预测金属的成型缺陷。

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具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本，提高工模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。

4.1 几何模型的导入
几何模型是为了实现与进行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方便和避免奇异点的产生，通常对模型进行适当的简化处理。

前期工作已经用Pro/E 软件对模具结构经行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6 模型导入
4.2 网格划分
网格划分太大，计算速度快，但计算精度降低；网格划
分太小，模拟准确性上升，但计算时间会增加，效率降低。

所以合适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。

图7 网格划分
4.3 参数的设定
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-7075[750-1000F(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1/5~1/3，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继续导入侧冲头，进行第二此参数设定并模拟成型，第二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非常快的，但是用Deform软件可以提取任何时候的变形情况，在图8、9、10中分别是成型开始时刻、成型第180步和成型最后时锻件的变形情况。

随着凸模的挤压，一次锻坯在压力的作用下逐渐成型，逐渐形成与型腔形状尺寸一样的锻件。

图2 成型开始时的变形情况
表9 成型180步时的变形情况
图10 成型最后时刻锻件的变形情况
为了更好的了解变形情况，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出P1、P2、P3三点在整个挤压成型过程中受力几乎保持一致。

首先，P1点突起，较早接触凸模，所以在3s处应力曲线出现一次波峰，6s后三点均已接触模具，受力开始增大。

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后停止，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11 坯料上3个点的位置
图12 坯料上三个点的应力曲线4.5 模拟后处理
经过Deform运算后，得到了最终的锻件形状以及锻件的成型情况。

如果坯料计算有误，模拟的结果必然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行优化，再进行模拟，直到充型良好，这样坯料和模具就基本确定了，可以进行下一步的生产试制。

在本次计算机模拟计算中，锻件充型良好，没有出现局部充型不满现象，且模具受力比较均衡，模拟情况符合要求，可以进行生产试制。

如图13 为锻件模拟最终成型情况
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，采用贯通试加热炉进行坯料的加热，加热温度430—450°，保温2h，模具温度280—320°；采用630—400T压力机进行一次锻坯成型；采用1600—1250T多向模锻压力机进行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，表面质量高，完全满足锻件图要求，经热处理后检验确认，各项性能指标符合要求。

5.2 批量生产
6 结束语
机匣体多向模锻精密挤压成型工艺较普通模锻工艺提高了材料利用率，尺寸精度高，表面质量好，详细对比如下：表3 铝合金机匣体多向模锻工艺与普通模锻工艺对比
项目多向模锻
精密挤压
普通模锻
材料消耗 1.27kg 2.06kg 材料利用率95%以上58—60% 工序数12 14
厚度尺寸≤±0.3mm ≤±0.5mm 错模≤±0.3mm ≤±0.5mm 非加工表面60%左右40%左右一次模具寿命20000 5000
二次模具寿命3000 3000
机匣体多向模锻精密挤压成型工艺的成功试制和量产，是理论计算、CAD/CAM与生产经验多方面结合的成果；大大缩短了产品的开发周期，降低了生产试制成本，提高了模具设计效率，是利用CAD/CAE进行模具设计、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:
利用CAD进行模具设计和CAM的成型模拟，大大缩短了产品的制造周期，降低了开发试制成本，说明，。