陶嬋偲，李劉合

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191）

20世紀70年代初，麻省理工學院的Spencer等學者發(fā)明了半固態(tài)加工（semi－solid manufacturing，簡稱SSM）方法［1－2］，該方法是固液混合物的加工成型，因此與鑄造工藝相比，SSM的加工溫度低，減少了氣體卷入和凝固收縮，成型效率更高；同時，與傳統(tǒng)鍛造相比，SSM具有變形抗力小、材料利用率高和加工周期短等優(yōu)點［3－6］。基于這些優(yōu)點，半固態(tài)技術越來越多地被應用在汽車零部件（如剎車制動缸和輪轂等）的生產中［7－9］。汽車活塞作為汽車的關鍵部件，出于減重的需求，大多采用鋁合金材質。法國ENSAM工程師學校工業(yè)工程與機械制造實驗室的E.Becker提出，如果能夠利用半固態(tài)方法成型薄壁結構的鋼質活塞，有可能在減小質量的前提下得到比鋁材更好的強度，并對此進行了一系列的研究［10］。有關研究結果表明，用鋼材半固態(tài)鍛造工藝可以成型汽車活塞并且具有更高的強度，但是關于活塞成型后的壓應力以及活塞圓角大小和裙部厚度對活塞成型的影響等方面的研究尚不夠詳細；所以，本文提出采用有限元模擬方法，開展成型后壓應力的分析以及活塞大小、裙部厚度對成型影響的研究，主要目的是通過模擬仿真的方法，比較半固態(tài)成型與傳統(tǒng)鍛造成型對于汽車活塞成型后壓應力的影響，并著重研究了活塞圓角大小對成型的影響以及不同裙部厚度的活塞成型工藝。

1 模擬條件

本文選用有限元分析軟件Forge，對半固態(tài)鍛造和傳統(tǒng)鍛造方法進行了成型后壓應力的差異比較，Forge軟件是法國TRANSVALOR公司開發(fā)的一款適用于鍛造、軋制和半固態(tài)等多種成型過程數值模擬的有限元仿真軟件。坯料均選用C35號鋼，坯料尺寸為φ80mm×50mm；壓力機選用液壓式壓力機，最大壓力為200t，最大行程設置為50mm，選用水＋石墨的潤滑方式；鍛造溫度取1 200℃，半固態(tài)成型溫度取1 400℃?？紤]到活塞的圓柱形對稱結構特點，建立二維柱坐標模型進行成型模擬，以壓縮運算工作量，減少運算時間?；钊尚偷亩S柱坐標模型如圖1所示。

圖1 活塞成型的二維柱坐標模型圖

2 結果和討論

2.1 鍛造與半固態(tài)結果對

在相同的試驗條件下，分別用鍛造和半固態(tài)的方法進行活塞成型模擬。成型結束瞬間的坯料壓應力分布如圖2所示，其中圖2a所示為傳統(tǒng)鍛造胚料成型后壓應力的分布結果，圖2b所示為半固態(tài)鍛造的壓應力分布結果。從圖2可以看出，結束瞬間半固態(tài)成型的坯料壓應力分布相對較為均勻，最大應力約為440MPa；而傳統(tǒng)鍛造產生的壓應力分布較不均勻，最大應力約為623MPa。成型過程中的上模壓力變化如圖3所示，鍛造成型和半固態(tài)成型的上模壓力均隨著上模行程的加大而增大，但半固態(tài)成型過程的上模壓力相對較小。成型結束瞬間半固態(tài)的上模最大壓力約為95t，而傳統(tǒng)鍛造的上模最大壓力約為128t。2種方法在坯料壓應力和上模壓力方面的差異主要是由于半固態(tài)成型的工作溫度相對較高（1 400℃），接近坯料的熔化溫度，坯料中增加的液態(tài)含量使坯料的流動性增強；因此，在同樣的試驗條件下，半固態(tài)成型所需的上模壓力較小，成型后的壓應力也相對較小，同時壓應力分布較均勻，這會減少冷卻后的活塞的殘余內應力，改善殘余內應力的分布，使半固態(tài)成型的活塞具備更高的強度。

圖2 坯料成型后壓應力對比圖

圖3 鍛造與半固態(tài)上模壓力變化對比圖

2.2 活塞圓角對半固態(tài)成型工藝的影響

為了研究不同加工尺寸，即活塞圓角和活塞裙部厚度等對半固態(tài)成型工藝的影響，本文通過改變模型的幾何參數進行了多組模擬對比。通過模擬發(fā)現，在半固態(tài)成型中，在活塞是否有圓角或不同大小圓角的條件下，活塞的成型結果有較為明顯的差異；因此，本文進行了圓角對活塞半固態(tài)成型影響的工藝研究。不同圓角條件下活塞半固態(tài)成型結束瞬間的坯料壓應力仿真結果如圖4所示，分別為活塞圓角為0、1、2、3和4 mm時的應力分布結果。從圖4可以看出，無圓角時壓應力分布最不均勻，最大應力接近500MPa，隨著圓角依次增大，應力分布趨于均勻，最大應力也逐漸減小，當圓角為4mm時，最大壓應力約為400MPa。不同圓角條件上模具的最大壓力見表1，無圓角時壓力最大，約為100.2t，最大壓力隨圓角的增加相應減?。划攬A角為4mm時，最大壓力約為83.8t，其趨勢與其坯料成型壓應力變化趨勢相對應。由于半固態(tài)成型過程中坯料處于半熔化狀態(tài)，坯料由上模具底部向側壁轉移過程中，模具邊緣對其形成了一定的阻擋效應，其圓角越大，阻擋效應越小，越利于坯料的流動。此時活塞的成型后壓應力相對較小，應力分布較均勻，最終產品的殘余內應力也會相應降低。

圖4 不同圓角下坯料壓應力分布圖

表1 不同圓角條件下半固態(tài)成型上模壓力

2.3 活塞裙部厚度對半固態(tài)成型工藝的影響

作為活塞設計的重要參數，裙部厚度對活塞的成型工藝會產生一定的影響。無圓角條件下，不同裙部厚度對應的活塞成型圖如圖5所示，裙部厚度為1mm時，成型結束后裙部高度過低，表明成型失?。蝗共亢穸葹?～6mm時，裙部高度足夠高，成型結果良好；裙部厚度為7～9mm時，裙部高度足夠高，但是活塞出現明顯的成型缺陷。

圖5 不同裙部厚度下活塞成型圖

當裙部厚度過小時，由于坯料的流動路徑過窄，無法正常通過上、下模之間的間隙，從而成型困難；當裙部厚度過大時，造成活塞的成型缺陷可能有各種原因，有可能是因為上模無圓角，導致材料無法流動填充完整。為了確認這一因素的實際作用效果，進一步研究了不同圓角下裙部厚度對成型結果的影響，圓角分別為0、1、2、3和4mm時不同裙部厚度的成型結果見表2。結果顯示，不同圓角情況下，當裙部厚度＞6mm時，活塞均會出現成型缺陷，因此可以排除圓角對于成型缺陷的影響。

表2 不同圓角條件下裙部厚度對裙部高度成型的影響 （mm）

對裙部厚度增大時的成型結果進行進一步分析可知，當裙部厚度較大時，由于裙部所占的坯料體積較多，在坯料總體積一定的前提下，裙部高度相對較低；較低的裙部高度使得坯料與上模和下模產生的摩擦力較小，在摩擦力無法與上模壓力平衡的情況下，上模繼續(xù)下壓，使得活塞底部厚度變??；當較薄的底部坯料向裙部擴散時，受到下模側壁的限制，坯料轉向上部的無約束空間發(fā)展，但由于坯料的流動性有限，此時活塞會出現明顯的成型缺陷。

3 結語

與傳統(tǒng)鍛造方法相比，汽車活塞的半固態(tài)成型所需壓力更低且殘余應力更小，力學性能較好。研究表明，增大活塞圓角尺寸可改善活塞的半固態(tài)成型工藝；裙部厚度過薄時活塞無法成型，過厚時會產生明顯的成型缺陷，并且這種缺陷無法通過調整圓角尺寸來消除。

［1］Spencer D B，Flemings M C.Rheocasting［J］.Mater.Sci.Eng，1976（25）：103－107.

［2］Flemings M C.Behavior of alloys in the semisolid state［J］.Metallurgical Transactions B，1990（22）：269－293.

［3］毛為民.半固態(tài)金屬成型技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［4］唐靖林，曾大本.半固態(tài)加工技術的發(fā)展和應用現狀［J］.兵器材料與科學，1998，21（23）：56－60.

［5］蔣鵬.半固態(tài)金屬成型技術的研究概況［J］.塑性工程學報，1998（5）：1－7.

［6］甄子勝，毛為民，趙愛民，等.半固態(tài)鎂合金的研究進展［J］.特種鑄造及有色合金，2002（壓鑄?？?82－291.

［7］黃曉鋒，梁艷，王韜，等.金屬半固態(tài)成型技術的研究進展［J］.中國鑄造裝備與技術，2009（2）：6－9.

［8］路洪洲，馬鳴圖，李志剛，等.基于輕量化汽車車輪制造的半固態(tài)鋁合金性能比較研究［J］.汽車工藝與材料，2009（10）：15－17.

［9］羅守靖，姜巨福，杜之明.半固態(tài)金屬成型研究的新進展、工業(yè)應用及其思考［J］.機械工程學報，2003，39（11）：52－60.

［10］Bigot R，Becker E，Langlois L.Some approaches on industrialization of steel thixoforging processes［J］.Solid State Phenomena，2013，192／193：521－526.