文/郭俊敏，孫躍，莊曉偉·江蘇龍城精鍛有限公司

6061鋁合金山形杯反擠壓工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/郭俊敏，孫躍，莊曉偉·江蘇龍城精鍛有限公司

山形杯采用反擠壓工藝成形時(shí)，由于杯壁和中心凸臺端面在反擠壓成形過程不受約束，其高度的一致性是擠壓時(shí)控制的難點(diǎn)。本文以一種鋁合金山形杯為例，分析了摩擦系數(shù)、原材料狀態(tài)、凸模工作帶形式等方面對其高度的影響規(guī)律。采用虛擬材料法，進(jìn)一步分析了原材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線對杯壁和中心凸臺和高度差的影響。

鋁合金山形杯的初始生產(chǎn)工藝

山形杯是一種中心帶凸臺的杯形件，所用的材質(zhì)為6061，成形工藝流程為：下料→退火→表面潤滑處理→反擠壓→T6熱處理→車端面。山形杯反擠壓模具分為上模和下模，下模固定在壓力機(jī)臺面上，上模隨壓力機(jī)滑塊向下運(yùn)動(dòng)擠壓材料成形，如圖1所示。按照此工藝方案進(jìn)行反擠壓成形時(shí)，發(fā)現(xiàn)山形杯中心凸臺高度明顯低于杯壁高度，如圖2所示?？梢姺磾D壓成形時(shí)中間凸臺處坯料和杯壁處坯料流動(dòng)速度不一致。

圖1 模具示意圖

圖2 工件圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

影響山形杯材料在成形過程中流動(dòng)速度的因素有：設(shè)備的工作速度、材料和模具的摩擦系數(shù)、原材料狀態(tài)、模具工作帶高度等。由于設(shè)備的工作速度恒定，本文僅以摩擦系數(shù)、原材料狀態(tài)、模具工作帶高度這三個(gè)要素作為因子，山形杯杯壁和中心凸臺高度差作為響應(yīng)，通過Minitab來分析響應(yīng)和各因子之間的關(guān)系。

試驗(yàn)前的關(guān)鍵在于水平的選擇，本文按照因子的兩種典型狀態(tài)來設(shè)定水平。首先選擇摩擦系數(shù)，一種為有潤滑劑的情況，摩擦系數(shù)值為0.15，一種為無潤滑劑的干摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)值為0.4。其次，選擇沖頭工作帶形式，一種情況為內(nèi)外工作帶高度相等都為5mm，標(biāo)記為0，另一種情況為內(nèi)工作帶高度h為5mm，外工作帶高度H為10mm，記為5。第三，選擇材料狀態(tài)，一種為退火狀態(tài)的6061鋁材記為T0，另一種為固溶時(shí)效狀態(tài)的6061鋁材記為T6。

在Minitab中選擇二水平全因子試驗(yàn)，可以得到8個(gè)試驗(yàn)方案，見表1。在Deform中按照表1的參數(shù)進(jìn)行8次模擬試驗(yàn)，由于零件為回轉(zhuǎn)體形狀，取1/4進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3所示。測量杯壁和中心凸臺端面坐標(biāo)值可以得到高度差的數(shù)據(jù)，其中中心凸臺高于杯壁記為正，中心凸臺低于杯壁記為負(fù)，將數(shù)據(jù)輸入到Minitab中可得到高度差的主效應(yīng)圖（圖4）。從圖4中可以看出，摩擦系數(shù)對高度差的影響最大，工作帶的形式對高度差的影響最小。但是從實(shí)際角度出發(fā)，增加摩擦系數(shù)會(huì)使成形零件的表面粗糙度變差甚至出現(xiàn)裂紋。因此選擇材料的狀態(tài)，并合理調(diào)節(jié)工作帶形式是解決高度差問題的最佳方法。

表1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

圖3 模擬試驗(yàn)結(jié)果（中心凸臺在左，筒壁在右）

圖4 工藝參數(shù)對工件成形影響的主效應(yīng)圖

按照此思想，進(jìn)行一次物理試驗(yàn)，具體的方案為：毛坯表面滾涂硬脂酸鋅，沖頭內(nèi)工作帶高度h為5mm，外工作帶高度H為10mm，材料為6061-T6。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，中心凸臺與杯壁高度基本一致。由于物理試驗(yàn)中不斷有新的表面生成，摩擦系數(shù)是一個(gè)變量，物理試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果有一定差異，但對定性的分析沒有影響。

圖5 工件實(shí)物圖

虛擬材料法

從模擬試驗(yàn)和物理試驗(yàn)的結(jié)果來看，材料狀態(tài)對中心凸臺與杯壁高度差的影響較大。進(jìn)一步分析其原因，發(fā)現(xiàn)6061-T0和6061-T6這兩種材料狀態(tài)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線不同，應(yīng)力—應(yīng)變曲線低的6061-T0獲得的工件中心凸臺較低，應(yīng)力—應(yīng)變曲線高的6061-T6獲得的工件中心凸臺較高，因此推測原材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線是影響高度差的主要原因。為了驗(yàn)證此結(jié)論，本文引入兩種虛擬材料，一種在6061-T0的基礎(chǔ)上降低流動(dòng)應(yīng)力，材料標(biāo)記為low，另一種在6061-T6的基礎(chǔ)上提高流動(dòng)應(yīng)力，材料標(biāo)記為high，如圖6所示。然后進(jìn)行兩組對照模擬試驗(yàn)，結(jié)果如表2和圖7所示。可見，高度差與原材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線高度成正相關(guān)，與預(yù)測一致。

圖6 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

表2 對照試驗(yàn)

圖7 模擬試驗(yàn)結(jié)果（中心凸臺在左，筒壁在右）

結(jié)束語

本文針對山形杯中心凸臺在反擠壓過程中高度不足的缺陷，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元模擬分析，以及物理試驗(yàn)，表明摩擦系數(shù)是影響中心凸臺成形高度的主要原因，材料狀態(tài)的影響次之，工作帶高度的影響最小。由于成形中增大摩擦系數(shù)會(huì)帶來很多負(fù)面影響，故本文通過改變原材料狀態(tài)來解決這一問題，應(yīng)用虛擬材料法和物理試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了改變原材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線的高度能顯著影響山形杯中心凸臺與杯壁的高度差。