锻造铝合金挤压成形工艺研究

2015-07-01 09:32:22杨正法

锻压装备与制造技术 2015年4期

杨正法

（天水锻压机床（集团）有限公司，甘肃天水741020）

0 引言

发动机的关键零件--活塞长时间受交变的高温、高压、冲击载荷，其性能直接影响发动机的可靠性和经济性。高功率密度柴油机使用变形铝合金活塞，其质量轻，散热好，单位体积功率大。锻造铝合金活塞因其组织致密、可靠性高而广泛用于结构紧密、体积小、比功率大的发动机中。活塞曲面内腔表面精度高，成形后不再切削加工[1]，因此锻造难度加大。本文研究该活塞的锻造成形工艺，探索挤压成形深型腔活塞的可行性。目前变形铝合金活塞的生产有挤压和锻造两种生产方式。挤压活塞内部组织致密，导热和抗高温、高压能力明显提高。由于挤压活塞有较高的力学性能，使得活塞在较小的尺寸有较高的强度，从而减少了活塞的质量，降低了活塞运转时的惯性，节省了能源消耗[2]。

在活塞挤压成形过程中，金属不均匀流动会产生剪切变形。当挤压速度、坯料加热温度、模具预热温度、润滑剂选取不合理，活塞内部或表面都会产生缺陷。如果缺陷产生在非机加工面，则会导致零件报废[3]。运用有限元数值分析技术，在塑性成形前，进行计算机仿真，改进工艺，消除缺陷[1]。

1 活塞工艺分析

活塞三维模型图如图1 所示。活塞材料为A1Si12CuNiMg 铝合金，其主要技术要求为：Rm≥315MPa，A4≥3%，硬度均匀分布。纤维方向按零件轮廓分布，不允许有穿流、涡流、流线紊乱等缺陷。组织结构为Al-Si 共晶，不允许有粗晶组织。力学性能、硬度、流线分布及微观组织要求高。

由于毛坯内腔形状复杂且内表面不加工，因此表面不得有裂纹、皱纹、碰伤等缺陷。活塞材料为高硅铝合金，含Si 量高（11.5～l2.5wt%），流动性差，锻造温度仅100℃左右，且对成形速度敏感，模锻成形时容易产生裂纹和粗晶。铝活塞裙锻件体积较大，外形呈圆周对称，变形程度大[1]。

液压机由于速度容易控制，变形应变速率低，对于大变形、低速挤压零件尤其适宜。因此，决定采用液压机挤压成形。

图1 挤压活塞三维模型

2 数值模拟理论基础及参数

数值模拟参数为：挤压温度475～370℃；坯料体积42548700mm3，成形设备45MN 液压机，四面体网格单元大小0.36mm，网格数量约为432400个。

模拟时，上模运动而下模静止，并假定模具为刚性体。每次压下量取约为初始坯料高度的1.5%。坯料为圆锥台形，考虑到锻件的对称性，取其1/4 进行模拟，并以中心为对称截面。模拟材料参数采用Gleebe-1500D 实测数据，图2 为应变速率为1.0s-1时的流动应力曲线，图3 为变形温度450℃时的流动应力曲线。

图2 应变速率为1.0 s-1 时的流动应力曲线

图3 变形温度为450℃时的流动应力曲线

3 模拟结果及分析

将工艺坯料制成圆台形状，尺寸∅260mm（上）×∅200mm（下）×225mm（高）。产生粗晶的原因除了由于变形程度过小（落入临界变形区）、变形程度过大和变形激烈而不均匀所引起之外，加热和模锻次数过多、加热温度过高、终锻温度太低也会产生粗晶。

另外，由于工艺坯料形状不合适，所引起的变形不均匀也会引起晶粒粗大，粗晶组织除使力学性能降低外，对金属的疲劳强度和抗震性能都有不良的影响。由于锻后热处理不能改善粗大晶粒组织，故应从工艺坯料的形状和锻造工艺方法上加以解决。

图4 底径200mm 的圆台状毛坯成形结果

（1）不同摩擦系数对成形的影响。分别采用摩擦系数为0.1 和0.3 对同样的毛坯进行模拟。如图4 所示为摩擦系数0.3 时的模拟结果，可以看出，铝合金在变形时因摩擦的原因使成形困难重重，摩擦系数为0.3 时成形困难，活塞锻造的废品率很高，近乎无法成形。又由于铝合金在变形时不断产生新生面，使其摩擦增大，所以在铝活塞成形时需多次润滑，以使其变形容易，提高成品率。

（2）锻件的温度控制。成形过程中，涂润滑剂和设备的上行和下降时间估计约30s（上、下各10s，设备速度100mm/s，涂润滑剂10s），开始热转换和对空气散热时的毛坯温度场如图5 所示，最高温度493℃。散热后的温度场如图6 所示，最高温度469℃。成形结束时的温度场如图7 所示，最高温度498℃。