楊正法
(天水鍛壓機床(集團)有限公司,甘肅 天水741020)
發(fā)動機的關(guān)鍵零件--活塞長時間受交變的高溫、高壓、沖擊載荷,其性能直接影響發(fā)動機的可靠性和經(jīng)濟性。高功率密度柴油機使用變形鋁合金活塞,其質(zhì)量輕,散熱好,單位體積功率大。鍛造鋁合金活塞因其組織致密、可靠性高而廣泛用于結(jié)構(gòu)緊密、體積小、比功率大的發(fā)動機中?;钊鎯?nèi)腔表面精度高,成形后不再切削加工[1],因此鍛造難度加大。本文研究該活塞的鍛造成形工藝,探索擠壓成形深型腔活塞的可行性。目前變形鋁合金活塞的生產(chǎn)有擠壓和鍛造兩種生產(chǎn)方式。擠壓活塞內(nèi)部組織致密,導熱和抗高溫、高壓能力明顯提高。由于擠壓活塞有較高的力學性能,使得活塞在較小的尺寸有較高的強度,從而減少了活塞的質(zhì)量,降低了活塞運轉(zhuǎn)時的慣性,節(jié)省了能源消耗[2]。
在活塞擠壓成形過程中,金屬不均勻流動會產(chǎn)生剪切變形。當擠壓速度、坯料加熱溫度、模具預熱溫度、潤滑劑選取不合理,活塞內(nèi)部或表面都會產(chǎn)生缺陷。如果缺陷產(chǎn)生在非機加工面,則會導致零件報廢[3]。運用有限元數(shù)值分析技術(shù),在塑性成形前,進行計算機仿真,改進工藝,消除缺陷[1]。
活塞三維模型圖如圖1 所示。活塞材料為A1Si12CuNiMg 鋁合金,其主要技術(shù)要求為:Rm≥315MPa,A4≥3%,硬度均勻分布。纖維方向按零件輪廓分布,不允許有穿流、渦流、流線紊亂等缺陷。組織結(jié)構(gòu)為Al-Si 共晶,不允許有粗晶組織。力學性能、硬度、流線分布及微觀組織要求高。
由于毛坯內(nèi)腔形狀復雜且內(nèi)表面不加工,因此表面不得有裂紋、皺紋、碰傷等缺陷?;钊牧蠟楦吖桎X合金,含Si 量高(11.5~l2.5wt%),流動性差,鍛造溫度僅100℃左右,且對成形速度敏感,模鍛成形時容易產(chǎn)生裂紋和粗晶。鋁活塞裙鍛件體積較大,外形呈圓周對稱,變形程度大[1]。
液壓機由于速度容易控制,變形應變速率低,對于大變形、低速擠壓零件尤其適宜。因此,決定采用液壓機擠壓成形。
圖1 擠壓活塞三維模型
數(shù)值模擬參數(shù)為:擠壓溫度475~370℃;坯料體積42548700mm3,成形設(shè)備45MN 液壓機,四面體網(wǎng)格單元大小0.36mm,網(wǎng)格數(shù)量約為432400個。
模擬時,上模運動而下模靜止,并假定模具為剛性體。每次壓下量取約為初始坯料高度的1.5%。坯料為圓錐臺形,考慮到鍛件的對稱性,取其1/4 進行模擬,并以中心為對稱截面。模擬材料參數(shù)采用Gleebe-1500D 實測數(shù)據(jù),圖2 為應變速率為1.0s-1時的流動應力曲線,圖3 為變形溫度450℃時的流動應力曲線。
圖2 應變速率為1.0 s-1 時的流動應力曲線
圖3 變形溫度為450℃時的流動應力曲線
將工藝坯料制成圓臺形狀,尺寸?260mm(上)×?200mm(下)×225mm(高)。產(chǎn)生粗晶的原因除了由于變形程度過?。淙肱R界變形區(qū))、變形程度過大和變形激烈而不均勻所引起之外,加熱和模鍛次數(shù)過多、加熱溫度過高、終鍛溫度太低也會產(chǎn)生粗晶。
另外,由于工藝坯料形狀不合適,所引起的變形不均勻也會引起晶粒粗大,粗晶組織除使力學性能降低外,對金屬的疲勞強度和抗震性能都有不良的影響。由于鍛后熱處理不能改善粗大晶粒組織,故應從工藝坯料的形狀和鍛造工藝方法上加以解決。
圖4 底徑200mm 的圓臺狀毛坯成形結(jié)果
(1)不同摩擦系數(shù)對成形的影響。分別采用摩擦系數(shù)為0.1 和0.3 對同樣的毛坯進行模擬。如圖4 所示為摩擦系數(shù)0.3 時的模擬結(jié)果,可以看出,鋁合金在變形時因摩擦的原因使成形困難重重,摩擦系數(shù)為0.3 時成形困難,活塞鍛造的廢品率很高,近乎無法成形。又由于鋁合金在變形時不斷產(chǎn)生新生面,使其摩擦增大,所以在鋁活塞成形時需多次潤滑,以使其變形容易,提高成品率。
(2)鍛件的溫度控制。成形過程中,涂潤滑劑和設(shè)備的上行和下降時間估計約30s(上、下各10s,設(shè)備速度100mm/s,涂潤滑劑10s),開始熱轉(zhuǎn)換和對空氣散熱時的毛坯溫度場如圖5 所示,最高溫度493℃。散熱后的溫度場如圖6 所示,最高溫度469℃。成形結(jié)束時的溫度場如圖7 所示,最高溫度498℃。
圖5 開始熱轉(zhuǎn)換和對空氣散熱時的毛坯溫度場
圖6 散熱后的鍛件溫度場
圖7 鍛壓結(jié)束時的鍛件溫度場
由于4032 鋁合金在鍛造過程中的溫度不能高于500℃,因此鍛造時不能一次成形,在壓制時一定要散熱,否則就會產(chǎn)生過燒,出現(xiàn)廢品。
(3)流動網(wǎng)格。為檢查毛坯變形是否均勻,局部會否發(fā)生激烈變形,模擬了金屬流動,模擬結(jié)果如圖8 所示。可以明顯看出,這個變形過程是先鐓粗,后反擠。從金屬流動網(wǎng)格可以看出,所使用的坯料金屬流動均勻,沒有發(fā)生金屬局部激烈變形情況。
(4)鍛件的等效應變和等效應力。鍛件的等效應變?nèi)鐖D9 所示,等效應力如圖10 所示。從圖9、10 可以看出,鍛件的擠壓變形是比較均勻的。
圖8 變形時的流動網(wǎng)格
圖9 鍛件的等效應變
圖10 鍛件的等效應力
(1)由于鍛件壁厚不均勻,在摩擦的作用下薄壁區(qū)域的金屬流動滯后,引起上端面凹凸不平。因此,要改善摩擦條件,以防止表面產(chǎn)生缺陷。
(2)鋁活塞液壓機擠壓成形工藝利用了A1Si12CuNiMg 鋁合金低應變速率動態(tài)再結(jié)晶較充分、材料變形抗力較小、塑性增強的特點,鍛件未發(fā)現(xiàn)粗晶缺陷。
[1]馬曉琴,張育國,張 蕾,等.變形鋁合金活塞鍛造成型工藝分析[J].熱加工工藝,2012,41(23):104-106.
[2]黨 利,楊永順,郭俊卿,等.摩托車活塞擠壓工藝分析與模具設(shè)計[J].模具工業(yè),2008,34(11):65-69.
[3]于智宏.基于FEM 的轎車活塞擠壓成形過程中損傷研究[J].熱加工工藝,2013,42(17):104-106.
[4]陳 軍,彭穎紅,阮雪榆.鍛造預成形工藝三維塑性有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),1997,32(6):91-94.