铝合金成形工艺：5A06铝合金带筋盒体件挤压缺陷的模拟分析及优化

摘要：为了获得综合性能良好的5A06铝合金带筋盒体挤压件，结合其复杂的形状结构特点，提出采用整体挤压成形工艺方案，对提出的成形工艺方案进行有限元模拟，模拟的结果中存在盒底局部区域填充不饱满，有凹坑、折叠、部分筋条高度不够等缺陷。结合所产生的缺陷分析其产生的原因，改进成形工艺方案，最终确定优化后的挤压方案为：其一增加预成形工序，使得毛坯的分布更加趋近于挤压件的整体结构，同时预成形时先挤出侧筋，以保证底筋充填饱满及侧壁高度达到产品要求且不产生折叠；其二优化模具结构，适当增大凸模筋部圆角半径，同时将盒体底筋对应折叠处的凸模部分缩短10 mm。

关键词：5A06铝合金；带筋盒体件；等温挤压成形；数值模拟

带筋盒体类零件作为一类典型的形状结构复杂的构件，在航空航天、军工用领域被广泛地应用[1]。5A06铝合金带筋盒体件是某产品上的重要部件，其整体截面不对称，壁部带内外纵筋，底部有不均匀分布的底筋，且筋条的总体尺寸较大、结构复杂，属于典型的异形盒体件，同时该构件的尺寸精度和力学性能均要求较高。目前传统的加工方法主要是数控机械加工，由于机加时材料是被分层切削，使得金属的流线分布被打断，降低了零件的综合力学性能[2]，同时机加使得原材料的利用率很低，且容易造成环境污染。而通过挤压成形方法生产此零件，其挤压件组织致密，晶粒细化，材料纤维组织流线沿零件轮廓连续分布，力学性能较好，且只需少量的切削加工就能达到工件尺寸精度及表面质量要求。针对此带筋盒体件特殊的服役环境，本试验选择挤压成形方法，应用有限元模拟软件MSC/superform[3]，对合理工艺参数下的金属在变形过程中的流动及缺陷情况进行模拟，来分析不同成形工艺方案对挤压过程的影响，为现场生产实践提供参考。

1 零件成形分析

由图1可知该零件形状结构极其复杂且不对称，其壁部带内外纵筋，底部有不均匀分布的底筋，以上这些特点使得挤压件的成形过程比较困难，主要表现在以下几方面：

图1 带筋盒体挤压件
Fig.1 Box-shaped extrusion with ribs

1)该零件底筋的数量多且形状复杂，走向不一致，且筋的厚度和高度各不相同，这使得型腔充填比较困难，在成形过程中金属流动方向可能发生冲突，导致某些部位出现充不满、折叠及裂纹等缺陷；

2)该零件内、外壁都有侧筋，挤压过程中金属流动阻力大，使得最终成形时零件外壁各处的高度相差较大，同时有可能出现裂痕；

3)零件整体形状结构复杂，使得变形程度不均匀，成形后零件各部分的力学性能不一致，同时可能出现难脱模的现象[4]；

必须采用合理的工艺和有效的措施，才能完成该件的精密挤压成形。在了解此零件整体成形金属流动规律的基础上，在其成形的过程中，控制好金属的流动方向，使金属材料向着需要充填的模具型腔区域流动，进而合理地协调金属材料的局部流动与整体变形，最终实现此构件筋与盒体的整体成形。

2 挤压件成形过程的有限元模拟

2.1 模拟的过程

将在UG软件中画好的模具、坯料的三维造型装配完好，然后分别导出并保存为STL格式文件，再将其分别导入MSC/superform模拟软件中建立有限元模型，如图2所示。挤压过程中不考虑凸模和凹模的变形情况，将其视为刚性体，坯料定义为塑性体。运动关系中定义凸模为主动件，凹模静止不动，坯料为从动件。坯料的网格划分为50000，其最小单元尺寸为1.7 mm，并采用系统的网格重划分条件，增量步长为0.5 mm。坯料和模具温度均设置为460℃，环境温度设置为20℃，坯料与模具间的摩擦因数为0.4，变形速度为1 mm/s。以上参数确定后，根据挤压件的尺寸结构特点，可以计算出在整个挤压成形过程中凸模有效运动行程为25 mm，即当凸模运动位移S=25 mm时，工件挤压成形完成。

图2 有限元模型
Fig.2 The finite element model

2.2 模拟结果与分析

在模拟过程中，凸模运动的总行程为25 mm，零件变形过程基本可以分为三个阶段：局部变形阶段，充填型腔阶段，剧烈变形阶段。图3是整体挤压成形过程中以挤压件某一切面来展示凸模运动位移即压下量S分别为5 mm、15 mm、25 mm 时挤压件的充填情况。

图3 不同下压量挤压件的充填情况
Fig.3 Filling conditions of extrusion work pieces at different downward movement distances

在挤压过程中，等效应变分布越均匀表示变形越均匀，应力分布也就越均匀，开裂倾向越小[5]。最后挤压变形完成时应变累积到最大，等效应变值也最大，对应凸模的下压量S=25 mm时挤压件等效应变的分布情况如图4所示。

图4 压下量S=25 mm时等效应变分布
Fig.4 Equivalent strain distribution when S=25 mm

结合挤压过程中凸模不同下压量挤压件的填充情况及S=25 mm时其等效应变的分布情况，对此带筋盒体构件的成形规律进行分析。当S<5 mm时，凸模开始于坯料进行接触，坯料发生相对均匀的局部塑性变形；当5 mm<S<15 mm时，随着凸模的继续运动，坯料进入充填型腔阶段，坯料在凸模的作用下，逐渐流入凸模与凹模的型腔中，由于凸凹模的复杂结构特点，坯料各部分流动不均匀，底筋部分等效应变开始变大；当15 mm<S<25 mm时，材料大量的涌入凸模和凹模的型腔，发生剧烈的塑性形变，此时底筋部分的等效应变也越来越大。直至S=25 mm时，部分筋基本充型饱满，但中间局部区域仍有折叠、填充不满的区域，盒壁高度不均匀，呈锯齿状且起伏相差较大,如图5所示。

图5 S=25 mm时挤压件的缺陷
Fig.5 Defects of extrusion work pieces when S=25 mm

2.3 缺陷产生机制分析

2.3.1 充填不满缺陷

图6为挤压件在图5中所示的b区域缺陷处材料流动速度矢量图。由于坯料较薄，而此处模具型腔体积又比较大，因而容易造成无足够的材料将其充满。且此处主要变形方式为反挤压成形，金属材料主要靠沿轴向向上流动来充填模膛，特别是到了挤压后期，原本比较薄的坯料很难有多余金属从其他部位流向此处，因而产生了此类缺陷[6]。此类缺陷可以通过在制坯时增大相应位置坯料厚度，让此处多储备一些金属，或在不影响挤压件成形面的情况下在凸模、凹模对应位置增设合适高度的限流块来控制金属流向，加以克服。

图6 填充不满处材料流动速度矢量图
Fig.6 Vectors of the material flow velocity at the regions not fully filled

2.3.2 折叠缺陷

图7为凸模下压量S=15 mm时产生折叠缺陷处材料流动速度矢量图。因为该处模具型腔体积较大，所需填充的金属量较多，仅依靠此处金属材料不能使得该处型腔充满，由金属流动速度矢量图可以看出，到达挤压后期，该处两侧多余的金属材料便会同时流向此处，最后由两股对流金属形成折叠。此处存在凸台，而凸台倒角大小,高度及侧面倾斜角度都可能是折叠产生的原因[7]，因而可以通过优化模具结构来克服此处缺陷。

2.4 提出解决方案

由上面的成形工艺方案的模拟结果和分析可知，在挤压过程中，挤压件出现了折叠、填充不满等缺陷，表明此成形方案存在较多不合理之处，因而需要对此成形工艺方案进行改进及优化。

改进一：因为上述方案模拟时，凸模筋部圆角过小，金属流入深腔时口径很小，使得成形过程中产生了大量的折叠及充填不满，所以对凸模进行改进，增大模腔入口半径，对于较高的筋部，增加更大的入口半径，同时修改侧面倾斜角度，在不影响零件尺寸精度的基础上，适当降低对应凸模区域筋的高度。

改进二：即通过采用体积补偿的方法优化预成形毛坯的形状来改善挤压件中产生的缺陷[8]。针对所产生的填充不满缺陷，其产生的原因是模具的形状结构特点使得此处坯料受力不均匀，进而使得产生缺陷处金属流量不足，因而可以适当在相应区域增加坯料的厚度来补充不足的金属流量。针对折叠缺陷，其产生的原因可能是由于产生缺陷之处金属流量大即材料过多，在模具作用下产生了回流，导致折叠；也可能是由于此处金属流量小，到挤压后期，两侧多余的金属同时流向此处，形成折叠缺陷，因而可以通过不断优化此处坯料厚度来逐渐克服折叠缺陷。总之为了得到合格的挤压件可能需要进行多次预成形毛坯形状的优化，直到能够获得最佳的预成形毛坯形状为止，即能够通过对优化得到的预成形毛坯进行最终等温挤压成形可得到合格的挤压件。

改进三：由上述模拟可知，由于挤压件内外都有侧筋且内部底筋较多，在成形时，外侧壁和底筋都需要材料，这就可能导致底筋充填不满或者侧壁高度达不到产品要求，所以在预成形时，先把侧筋也挤压出来,如图8所示。

图7 S=15 mm时产生折叠缺陷处材料流动速度矢量图
Fig.7 Vectors of the material flow velocity at the region of folding defect when S=15 mm

图8 预成形毛坯
Fig.8 Preformed blank

将优化后的三维造型装配完好，然后分别导出并保存为STL格式文件，之后分别导入MSC/superform模拟软件中进行有限元模拟。模拟的设置条件与初始方案相同，当挤压完成时，其模拟结果如图9所示。

图9 优化方案的模拟结果
Fig.9 Simulation results of the optimized solution

从图9的模拟结果中看，侧筋部位已经没有折叠缺陷，但是底筋部位还是存在着折叠问题。

由于优化方案在模拟过程中当凸模下压量S=10 mm时出现折叠缺陷，针对出现的问题，提出将对应折叠处的凸模缩短10 mm，如图10所示。

图10 对应折叠处的凸模缩短10 mm
Fig.10 10 mm shorter of the die portion corresponding to the folding region

将修改后的凸模导入MSC/superform模拟软件中进行有限元模拟。模拟的设置条件与前述的方案相同，当挤压完成时，其模拟结果如图11所示。

图11 修改凸模后的模拟结果
Fig.11 Simulation results after die modification

通过对坯料和模具进行不断的优化，最终克服了挤压件产生的所有缺陷，且从最终优化后的挤压件的等效应变图可以看出其底筋及侧筋的等效应变分布较为均匀，说明其变形也很均匀，故其性能也将很好。

3 工艺实验

3.1 实验设备

进行工艺实验用到的主要实验设备包括：全自动带锯床,铣床,成形模具一套,热循环加热炉,THP61-30000kN油压机等。

3.2 加热条件

该实验采用等温挤压成形方法，坯料和模具均加热至规定温度并保温。实验中坯料加热温度为460℃，考虑到铝合金热传导性好、但坯料相对较厚，因此保温时间设置为2 h。同时，由于模具出炉以后与油压机之间连接需要一定的时间，这段时间内模具会与周围环境进行热交换，散失掉一部分的热量，导致温度降低。因此，根据实际的经验适当调高成形模具的温度。故将模具的加热温度设定为470℃，将成形模具装配好后放入地炉中加热，在470℃的条件下保温8 h。

3.3 实验用的润滑剂

在挤压过程中摩擦因数越小越好，但是考虑到实际工况的限制，本实验采用的润滑剂为水基石墨润滑剂。该润滑剂不仅具有良好的润滑效果，而且在使用过程中不会产生烟雾等有害粉尘，对工作环境污染相对较小[9]。

3.4 实验过程

按上述条件对坯料及模具进行加热处理，然后把加热好的模具安装到THP61-30000KN油压机上，并向模具型腔中喷涂水基石墨润滑剂，用夹钳把坯料放入凹模中，定位好后进行等温挤压成形。在挤压过程中，设置油压机以1 mm/s的挤压速度完成挤压过程，油压机上装配好的挤压模具如图12所示。

3.5 成形实验结果

图13为通过等温挤压成形而获得的预成形与最终成形的带筋盒体挤压件实物图。

实验过程中挤压件的高度还不是很平齐，但与有限元模拟结果基本相同。由图13b可以看出，挤压件无折叠也无材料充填不满的缺陷产生，难成形部位均成形饱满，经测量其各部位尺寸合格。由此证明优化得到的成形工艺方案是合理可行的，进而证明了数值模拟技术的可靠性及有效性，因此通过应用有限元模拟技术可以大大提高材料的利用率并缩短了生产周期。

图12 装配好的挤压模具
Fig.12 Assembled extrusion die

图13 成形工件实物图
Fig.13 Formed workpieces

4 结 论

1)该5A06铝合金带筋盒体挤压件通过一次整体挤压成形模拟，模拟结果中出现盒底中间局部区域填充不饱满，折叠，部分筋条强调不够等缺陷。

2)优化后的挤压方案为：其一采用体积补偿的方法优化预成形毛坯，同时预成形时先挤出侧筋，以保证底筋充填饱满及侧壁高度达到产品要求且不产生折叠；其二优化模具结构，适当增大凸模筋部圆角半径，同时将盒体底筋对应折叠处的凸模部分缩短10 mm。

3)对优化改进后的成形工艺方案进行模具设计且开展了实验研究，通过工艺实验，得到了符合生产要求的带筋盒体挤压件，证明制定的成形工艺方案是有效的、可行的。

文章引用：骆无思, 张宝红, 李国俊等. 5A06铝合金带筋盒体件挤压缺陷的模拟分析及优化[J]. 轻合金加工技术, 2017.

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