铝合金薄壁壳体件液态模锻塑性变形过程的数值模拟①

牛海侠，张 琼,吴建美

(安徽三联学院机械工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

由于铝合金制造工艺简单，加工和成型性能好，耐腐蚀性好，比强度、比刚度较高以及成本低廉[1]，铝合金是飞机制造业上主要的结构材料。目前，飞机减重、提高燃油效率成为航空工业研究的重要课题，其中构件的减重是实现飞机减重的行之有效的办法，飞机结构件的整体化、大型化可以免去传统的铆接工作，实现结构件减重和性能的整体提升。这对铝合金材料的规格、综合性能和材料的均匀性都提出了更高需求[2]。一代材料一代装备，铝合金以及铝合金制造业的发展为为航空航天、交通运输和高端装备的高性能制造提供支撑。大规格综合性能高的铝合金材料是材料科学与工程研究的热点[3]。

液态模锻是一种优质、高效、经济的先进工艺方法[4]，制得的零件的性能优异，液态模锻生产效率高，充填过程比较平稳，由于不采用浇注系统，金属材料利用率材料高达到100%，是一种近净成形方法，属于绿色制造，目前在铝合金的零件成形中应用最广。液态模锻的成形原理是将熔融的液态合金浇注入模具型腔，通过上模施加一定的压力，促进合金液体的充填，在一定的压力下合金凝固，产生塑性变形，得到组织结构致密的产品的过程[5]。由于液态合金在高压下凝固产生变形，因此，制得的零件的内部组织致密性好，力学性能高。

通过数值模拟方式研究了液态模锻工艺成形薄壁零件的过程，零件采用2A14铝合金，由于壁厚较薄(<3mm)，在成形中有一定的难度。但由于液态合金在高温下良好的流动性能，同时在上模压力作用下合金液体充填模具型腔，对于薄壁处，也能较好地填充，获得性能均匀的零件。采用DEFORM软件对液态模锻时零件的塑性变形阶段进行模拟，分析了在不同的加载方式下零件致密度的变化情况，为在实际生产获得性能合格的薄壁壳体件提供工艺参考。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型的创建

在金属材料的塑性变形有限元分析领域，DEFORM(Design Environment for Forming)是一款非常优秀的模拟软件，是由美国SFTC公司开发的，并得到广泛的应用。这款软件的模拟系统高度模块化和集成化，有前处理器、求解计算器和后处理器三个部位组成。前处理器可以定义模拟模型的三维数据，并进行网格划分与优化。还能够根据模型形状定义坯料与模具之间的边界条件，有限元模拟分析的步长与迭代方式。求解计算器是通过增量变形方法进行矩阵计算和求解。DEFORM软件的后处理器能够将各步增量内的计算结果输出为彩色图像文件，便于分析。

DEFORM模拟系统为工作平台，首先采用UG三维造型软件创建壳体件、模具等零件的三维实体模型，将文件以“stl”格式输入到模拟软件DEFORM的前处理器中，输入各项参数进行塑性变形阶段的模拟。模拟的薄壁壳体件如图1。图2为其三维模型。

图1 薄壁壳体示意图

图2 薄壁壳体件三维模型

在三维建模时，通过UG将冲头、凹模和壳体件等零件分别建模并装配，在DEFORM前处理器中，冲头模型为主动件，可以给零件施加一定的压力，零件定义为从动件，在冲头压力下产生一定的塑性变形量，凹模设定为静止件。其中，凹模与壳体件之间的位置关系如图3。

图3 薄壁壳体件与底部凹模的装配关系

2A14材料的流动应力模型如下所示：

(1)

2A14铝合金材料的摩擦模型采用塑性剪切模型，也称为Tresca模型，如下所示：

(2)

式中，m为剪切摩擦系数；k为材料的剪切屈服强度。

为了简化计算并得到一般规律，模拟中将壳体件抽象为筒形件，对简单筒形零件进行反向挤压，研究零件在不同的成形压力下致密度变化的一般规律，再通过规律对壳体件进行验证。

1.2 初始条件的设置

创建了材料的流动应力模型和剪切模型，在模拟软件的前处理器中，还要对液态模锻的温度、材料的参数以及边界条件等进行设定。主要设置如下：

(1)坯料的温度设定为500℃，模具温度400℃；

(2)材料为2A14铝合金，在DEFORM材料库选择ALUMINUM-2014；

(3)坯料初始尺寸定义为：外形尺寸φ58×60，内孔尺寸φ38×50；

(4)坯料类型为Porous(多孔型)，冲头、凹模定义为刚体；

(5)压力机的吨位为2000kN液压机，工作速度为5mm/s；

(6)经过查表，将冲头、坯料、凹模的摩擦系数设定为0.4；

(7)上模施压的总时间取100s，其中步长为1s，共100步。

采用Absolute法划分网格，每个网格的最小尺寸：1.2mm，尺寸比为3。

2 模拟结果与分析

2.1 筒形件的反向挤压模拟结果分析

在不同的成形压力下，模拟出零件致密度的变化，输出的图像文件如图4。冲头施加的成形压力分别为100MPa，120MPa，140MPa，160MPa，180MPa，200MPa。

图4 压力对筒形件致密度的影响

由图4可知，随着冲头施加的压力升高，零件的致密度越来越好，零件之间的密度差越来越小。并且随着压力的增加，筒侧壁上部的致密度不断增加，当压力达到200MPa时，筒侧壁上部致密度达到最大，整个筒形件致密性好，性能均匀。

为了便于对比，分别在筒形件的侧壁上部、侧壁中部、侧壁底部和筒底部取4个点进行致密度分析，取样示意图如图5所示。

图5 取样分析的4个部位

在筒底部P4和侧壁底部P3位置，由于该位置受到冲头的直接作用，零件的密度最大，在随后的施压过程中，这两个位置的基本保持最大值不变。由此得出：保压时间对该处的致密度影响不大。

在筒侧壁中上部P1和P2两个位置，致密度在较短的时间内也达到稳定，但其值低于P3和P4两个位置，压力越大，他们之间的差值越小。随后，随着压力的增加，致密度缓慢的提高。由于压力越大，筒壁中上位置的致密度越接近中下部和底部，整个零件的致密度趋于均匀稳定。由此得出：压力越大，筒侧壁中上部的致密度提高的速度越小。因此，在较小的成形压力下，适当增加保压时间有利于提高液态模锻成形零件侧壁的致密度。

从零件的整体来看，成形压力不同，筒形件致密度不均匀，其分布特征大体呈抛物线形状，筒底部值最大，顶部值最小，由筒底部向侧壁上部，致密度值逐渐降低。上模施加的压力对筒侧壁上部的影响最大，压力增加，其值也逐渐增加，压力对其他部位的影响则不明显。

在较小的成形压力下，筒底部的致密度始终高于侧壁位置，密度分布不均匀，造成零件总体性能的差异，有可能在成形时由于底部受力较大而产生开裂。造成此问题的原因在于：在冲头的作用下，筒底部由于受到直接的作用力，此部位的受力要远远大于筒侧壁，同时，受力时间也比侧壁部位长。因此，对于铝合金薄壁类零件的液态模锻成形，为获得性能均匀的零件，要改变冲头的施压方式，在底部和侧壁部位使用不同的冲头，采用分体式冲头，以满足其力学性能以及均匀性的要求。

2.2 零件性能均匀化改进措施

薄壁壳体件的典型结构特点是壁薄，冲头施压过程中，由于底部受力与筒壁部位不同，获得的零件性能存在差异，因此，需要改进常规的液态模锻加载方式，采用复合分步加载，改变冲头的形状，并在压力机上采用分步动作，如图6所示。对于筒形件的成形，如果采用整体加压的方式，底部首先在压力下凝固并产生塑性变形，一旦底部成形，冲头不能继续下行，后成形的筒壁部位受到的压力不足，致密度较低。改变了施压方式，采用复合加载的方法，当主冲头完成底部的成形工作后，局部施压冲头继续下行，对筒壁施压，提高了筒壁的致密度，使整个零件组织性能均匀。

图6 分体式冲头示意图

用复合分步加载方式进行塑性变形模拟，模拟计算的结果如图7所示。可以看到，在120MPa的成形力下，零件的致密度均已达到1，实现了零件性能均匀化的控制。

图7 复合加载模拟结果

3 结 论

(1) 采用有限元模拟软件DEFORM模拟了铝合金薄壁壳体件液态模锻工艺的塑性变形过程，冲头施加的压力不同，零件整体的致密度存在差异，在筒底部值最大，顶部值最小，由筒底下部向侧壁上部，致密度值逐渐降低。这种致密度差异造成零件的总体性能不均匀，在成形中致密度差异较大的地方零件容易产生裂纹。

(2)在薄壁类零件的液态模锻成形中，合金液体在模具型腔的凝固顺序不同，整体零件受力不均匀，采用整体加载方式容易造成零件各处性能不均匀。模拟改进加载方式，采用复合分步加载，通过模拟计算，在较小的成形压力下，零件的致密度都能达到1，各处组织性能均匀。