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作者：鄭曉敏

  本課題針對(duì)鋁合金雙筒帶隔筋工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該工件首先采取鐓粗方法制坯，再在模具內(nèi)進(jìn)行擠壓成形。利用有限元模擬軟件對(duì)該工件的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析成形過程中的各種規(guī)律，為以后成形這類工件提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。對(duì)于該類工件來說，擠壓方案的選擇和擠壓模具的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。如果采用棒坯一次反擠壓成形，則會(huì)整體填充不飽滿，形成塌角，且所需的變形力大，因此需采用預(yù)成形。按照等體積準(zhǔn)備毛料先預(yù)成形帶有拔模斜度的餅狀坯，再進(jìn)行最終的擠壓成形。按照正常的擠壓工藝難以成形，并且在擠壓成形中易出現(xiàn)局部擠壓應(yīng)力過大，中間型腔充不滿，筋和內(nèi)外圓連接處折疊等問題。針對(duì)以上問題，結(jié)合材料溫成形性能的研究結(jié)果和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，通過嚴(yán)格控制成形工藝參數(shù)，在優(yōu)化擠壓模具和擠壓條件的基礎(chǔ)上，對(duì)擠壓工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)，設(shè)計(jì)出合理的模具，以獲得充填完全、尺寸和質(zhì)量精度較高的工件。

1  提出實(shí)施方案

    分析零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步提出以下三種成形方案：

    方案一工藝路線：下料→預(yù)成型→擠壓成形→后續(xù)處理。該方案是先將棒形毛料預(yù)壓成梯形坯樣，將終成形模具設(shè)計(jì)成擠壓件連皮在上面，通過擠壓直接獲得終成形鍛件，參見圖1。

    方案二工藝路線：下料→預(yù)成型→擠壓成形→后續(xù)處理。該方案是先將棒形毛料預(yù)壓成梯形坯件，將終成形模具設(shè)計(jì)成擠壓件連皮在下面，通過擠壓直接獲得終成形工件，參見圖2。

    方案三工藝路線：下料→預(yù)成型→擠壓成形→后續(xù)處理。該方案是先將棒形毛料預(yù)壓成梯形坯件，將終成形模具設(shè)計(jì)成擠壓件連皮在中間面，內(nèi)立筋上端面呈水平，通過擠壓直接獲得終成形工件，參見圖3。

2  實(shí)施方案的模擬及分析

    圖4a、b、c分別示出方案一、二、三在擠壓過程中的折疊情況。由圖4可以看出，方案一在擠壓過程中底部發(fā)生折疊；方案二在整個(gè)擠壓過程中沒有發(fā)生折疊缺陷；方案三在擠壓過程中隔筋與外筒壁接觸處發(fā)生折疊缺陷。

    圖5a、b、c分別是方案一、二、三在擠壓過程中的成形載荷一時(shí)間示意圖。由圖5可以看出，各方案完成擠壓成形工件所需的載荷如下：方案一完成擠壓成形過程所需的載荷是33.3 MN，方案二所需的載荷是13.2 MN，方案三所需的載荷是24.6 MN。

    方案分析：方案一在成形過程中底部發(fā)生折疊，并且成形困難，所需的擠壓力較大，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備上不能完成。

    方案二在擠壓過程中金屬流動(dòng)良好，不發(fā)生折疊，成形所需的擠壓力小，成形容易，但是由于凸模較長(zhǎng)，在擠壓過程中凸模容易變形，并且擠壓后的擠壓件底部由于不變形，晶粒粗大，而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)底部強(qiáng)度要求較高，不能滿足工件的服役條件。

    方案三避免了方案一、二所出現(xiàn)的缺點(diǎn)，但是內(nèi)立筋與內(nèi)外筒壁連接處過渡圓角太小，在成形過程中會(huì)發(fā)生折疊，并且內(nèi)筒壁上端也容易發(fā)生折疊，不易成形。

3  試驗(yàn)方案的優(yōu)化結(jié)果

    在上述模擬基礎(chǔ)上提出方案四的工藝路線：下料→預(yù)成型→擠壓成形→后續(xù)處理。該方案是先將棒形毛料預(yù)壓成梯形坯件，將終成形模具設(shè)計(jì)成擠壓件連皮在下面，內(nèi)立筋與內(nèi)外筒壁有較大的過渡圓角，通過擠壓直接獲得終成形工件，參見圖6。

    由圖7可以看出，優(yōu)化方案四采用較大的過渡圓弧，避免了內(nèi)立筋與內(nèi)外筒壁連接處的折疊，通過儲(chǔ)料保證內(nèi)筒壁的成形。由圖8可以看出在到達(dá)18.5 s時(shí)，所需工件的形狀基本上完成，達(dá)到成形過程中所需的載荷28.7 MN，實(shí)驗(yàn)室有30 MN鍛壓機(jī)，可以滿足載荷的需要。數(shù)值模擬結(jié)果表明，此解決方案是有效可行的，克服了雙筒帶隔筋零件在擠壓過程中常見的折疊缺陷、載荷大、底部強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了該鋁合金雙筒帶隔筋件的擠壓成形。所需的擠壓力在現(xiàn)有的設(shè)備上能夠滿足。綜合以上的分析，優(yōu)化后的方案四可取，能滿足生產(chǎn)需要。

4  工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照最終選擇成形模具進(jìn)行最終擠壓成形，成形工藝：下料→熱處理→終成形→機(jī)械加工。在30 MN鍛壓機(jī)上進(jìn)行雙管帶隔筋件的擠壓成形試驗(yàn)，結(jié)合此工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其預(yù)成形模具及翻邊成形模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    圖9為終成形過程模具總裝配示意圖，為了保證擠壓后工件的上下筋對(duì)齊，在合模時(shí)刮板充當(dāng)了十字導(dǎo)向作用。整個(gè)生產(chǎn)過程為先將模具固定在鍛壓機(jī)上，凸模上升，將坯料放入凹模，凸模下降接觸坯料進(jìn)行擠壓，擠壓到位插入刮板，凸模再上升，將工件刮下，頂桿頂起，取出工件。

    經(jīng)過工藝試驗(yàn)，得到此工件的擠壓件，其實(shí)物圖如圖10所示。經(jīng)過測(cè)量，制得的實(shí)際工件尺寸略大于所需工件實(shí)際尺寸，工件填充效果好，符合生產(chǎn)要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)的模具使用方便合理，模具使用性能良好。經(jīng)過試驗(yàn)證明，通過優(yōu)化提出的該工件的擠壓成形工藝方案是可行的、有效的。

5  結(jié)  論

    1)本課題對(duì)鋁合金雙管帶隔筋工件成形工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，首先通過模擬驗(yàn)證優(yōu)化成形工藝，從而得到了該工件最合理的擠壓成形工藝方案。

    2)經(jīng)過優(yōu)化后的隔筋的形狀與水滴形相似，這種水滴形的隔筋的理念可以廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。

3)對(duì)所提出的成形工藝方案進(jìn)行模具設(shè)計(jì)．且進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了符合要求的雙管帶隔筋擠壓件。

6摘要：為了獲得綜合性能良好的鋁合金雙筒帶隔筋擠壓件，結(jié)合該工件形狀特點(diǎn)，首先提出三種整體擠壓成形工藝方案。對(duì)所提出的成形工藝方案進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果中存在折疊、擠壓力大、局部強(qiáng)度不夠等缺陷。結(jié)合產(chǎn)生的缺陷對(duì)成形工藝方案進(jìn)行改進(jìn)，最終確定優(yōu)化的擠壓方案為雙筒帶隔筋擠壓件連皮在中間，隔筋的上端面呈水滴狀的圓弧。