左壯壯，曹薛雷，玄東坡，徐海洲，周小瑜，王晶晶

(1.昆山科森科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215300；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083；3.國網(wǎng)節(jié)能服務有限公司，北京 100621)

隨著生活水平的不斷提高，人們對3C產(chǎn)品也有了更高的要求，以其外觀為例，現(xiàn)在手機、筆記本電腦等外殼基本以高質(zhì)感和美觀性的金屬材料取代傳統(tǒng)的注塑材料[1]。其中由于鋁合金材料具有質(zhì)量輕、塑性好以及良好的加工性等特點深受業(yè)界的青睞。6063鋁合金材料其價格相對較低，且具有良好的力學性能，被廣泛應用在3C行業(yè)[2-4]。

某款電子產(chǎn)品如圖1所示，材料為6063鋁合金，現(xiàn)階段的加工方法是將6063鋁合金型材進行全CNC機加工，其外表面為一圓弧，且其正面中部有一條不規(guī)則壓筋曲面，如圖1a所示，曲面較為復雜，運用機加工精銑整個曲面，加工時長超過1 h，加工工時過長導致成本過高，生產(chǎn)效率低下，不適合批量生產(chǎn)。

為了降低加工工時和生產(chǎn)成本，本實驗采用多工步冷鍛的方法進行優(yōu)化，運用Deform-3D進行有限元分析鍛壓過程的材料流動特性，并結(jié)合實驗驗證來確定工藝的合理性[5-7]。

圖1 某款電子產(chǎn)品零件的三維圖Fig.1 Three-dimensional drawing of an electronic product

1 工藝方案及參數(shù)

1.1 鍛坯及原材料設定

首先根據(jù)產(chǎn)品的特征，在零件圖的基礎上確定終鍛件圖，圖2所示為終鍛件尺寸，也是其模具型槽尺寸。根據(jù)終鍛件尺寸及形狀，以金屬塑性變形前后的體積不變定律為依據(jù)，變形后產(chǎn)品體積可以根據(jù)三維建模軟件UG直接分析出結(jié)果。變形前厚度要近似產(chǎn)品的厚度，確定以厚度為6.0 mm的板材為基材，再根據(jù)產(chǎn)品形狀確定原材料片尺寸，如圖3所示。

圖2 產(chǎn)品終鍛件圖(mm)Fig.2 Drawing of final forging of the product(mm)

圖3 原材料尺寸圖(mm) Fig.3 Dimension drawing of raw materials(mm)

1.2 工序方案設定

鍛坯及原材料尺寸確定后，結(jié)合冷鍛工藝設計確定一系列必要的工序，使毛坯逐步接近終鍛件形狀，以最少的工序，最短的流程，經(jīng)濟合理地鍛出符合質(zhì)量要求的鍛件。產(chǎn)品正面曲面上有一條突出的斜筋，曲面較復雜，且反面有內(nèi)凹的定位部分，從該鍛坯零部件來看，不難看出從原材料到產(chǎn)品的變形程度較大，不能通過一次鍛造成形，所以設定多工步冷鍛工序是必不可少的條件。

根據(jù)終鍛件圓弧曲面的特點，初步設定4道工序，其主要變形為曲面變形。如圖4所示為4道工序的鍛坯橫截面。第一工序初鍛出兩個圓弧凸包，厚度擠壓到7.8 mm；第二工序圓弧頂部要預留出多余材料，為下一鍛工序有充足的材料填充壓筋曲面，所以鍛壓到8.6 mm，且底部還有反推0.5 mm的內(nèi)凹特征；第三工序切除飛邊，需要將多余的飛邊切除后繼續(xù)鍛打，因為多余飛邊料會阻礙內(nèi)部材料流動，導致鍛壓力過大、曲面頂部材料填充不飽滿的情況發(fā)生，所以在多工序冷鍛過程中切飛邊是必不可少的工序；第四工序的目的是將頂部預留的材料回擠能夠完全充滿壓筋曲面，且保證其他位置完全貼模，最終鍛壓出整個鍛坯工件。

鍛壓工藝參數(shù)

1)鍛壓速度：因考慮到生產(chǎn)效率的可行性，以及鍛壓機的硬性條件，一般的生產(chǎn)中鍛壓速度設定為20 mm/s～40 mm/s，本實驗取鍛壓速度為30 mm/s來確保成品尺寸和表面質(zhì)量等要求。

圖4 鍛壓工序簡圖(mm)Fig.4 Forging procedure diagrams(mm)

2)退火處理：因原材料為擠壓型材板料，其硬度及塑性相對較差，下料完成后要通過退火進行組織重構，以及消除內(nèi)部大量的殘余應力，降低原材硬度和變形抗力。退火完成后要進行磷化處理，其磷化處理的主要目的是清除表面因高溫退火而產(chǎn)生的氧化層，從而改善表面質(zhì)量。本實驗在磷化過程中使用的是鋅系磷化液，其組成：氧化鋅23 g/L～26 g/L，磷酸40 g/L，密度為1.53 g/cm3；硝酸22 g/L～24 g/L，密度為1.60 g/cm3，水1 L。鋅系磷化槽液主體成分Zn2+、H2PO3-、NO3-、H3PO4等[8]。

3)潤滑處理：在冷鍛過程中，材料與模具接觸面會受到很大的壓力，在較高的壓力下，若其潤滑條件不夠充分，會影響材料的流動，不能達到預期的效果；另外潤滑條件不好，壓力過大時，模具表面也很可能因材料流動而被拉傷和粘模。在磷化處理過程中形成了冷鍛壓坯料的潤滑支撐層，當磷化層破壞后需要潤滑層起到潤滑作用。因此，在每一段工序鍛壓前要將模具型腔、鍛前坯料進行潤滑處理。用100%植物油作為油基潤滑劑。

2 有限元分析模擬

2.1 參數(shù)設定

通過Deform-3D模擬軟件對該曲面鍛件鍛壓成形的整個過程進行有限元仿真分析，其中分析內(nèi)容有鍛壓載荷、等效應變場以及外形尺寸確認等，通過多次模擬進行優(yōu)化工藝方案，為實際成形提供可靠的理論依據(jù)。在該分析中對原材進行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格數(shù)量為126 399個，節(jié)點數(shù)量為290 376個，溫度設定為恒溫20 ℃，上模運動速度設置為30 mm/s，上下模模具與坯料的摩擦條件為剪應力摩擦，摩擦因數(shù)為0.12。分析完成兩工序后，通過Deform-3D軟件前處理中的布爾運算功能將其毛邊層切除，再進行第四工序的分析。

2.2 載荷分析

圖5描述了3道工序鍛壓時鍛壓件的載荷-行程曲線圖。從圖5a可以看出，第一工序成形過程中，加載曲線為正規(guī)的拋物線，這是因為原材逐漸流入模具型腔，直到上下模具閉模，壓力到達頂峰，此處壓力為1.62 MN。圖5b所示第二工序變形初期壓力升高相對平緩，這是主要由于前工序材料在繼續(xù)填充型腔，當材料填充基本完成時，飛邊層與上下模接觸，此時壓力升高速度相對較快，如曲線后半程所示，斜率較大。圖5c為第四工序成形過程，因第三工序?qū)⑵滹w邊層切除，模具下壓過程中是將第二工序預留擠壓過高的材料回鐓到模具型腔，初始階段模具未與坯料頂部完全接觸且金屬變形量較小，所以前半段壓力很小，當材料填充完成，飛邊開始繼續(xù)外延，此時材料變形主要是將飛邊繼續(xù)壓薄，因此載荷近似直線式增加，直到模具閉模。

圖5 不同工序的加載載荷曲線Fig.5 Load curves of different forging processes

2.3 等效應變

3道次鍛壓工序過程等效應變分布相對較均勻。第一工序為平板料擠壓到曲面型腔，從圖6a截面可以看出，其材料與模具曲面接觸的地方應變量比較大，而心部應變相對較??；最頂部區(qū)域與模具型腔不接觸，填充不飽滿。第二工序中由于其曲面深度增大，因此曲面應變由內(nèi)到外逐級增大，如圖6b中的截面圖所示，且底部有凸包回擠的過程，使其底部應變也有明顯的變化。第三工序為切飛邊，其曲面應變基本無變化。第四工序?qū)⒏叱龅那婊冂?，曲面的應變進而繼續(xù)增大，只是此時變形量較小，只有頂部有明顯的變大，心部及底端基本無變化。

圖6 鍛壓件等效應變分布Fig.6 The equivalent strain distribution of forging part

3 實驗驗證

3.1 物理驗證

經(jīng)過多次優(yōu)化鍛坯工序的幾何結(jié)構，最終通過3次鍛壓工序和一次切邊工序，能夠保證最終的鍛坯與模具完全貼合的同時，適當減小了每一次鍛壓的變形程度，使各個階段的變形量更加均勻。該工藝使得產(chǎn)品不斷接近最終成品的曲面形狀，便于金屬每個階段的填充，避免了1次鍛壓工序過程因曲面塑性變形量過大而產(chǎn)生的橘皮狀紋路或者裂紋，同時也避免了變形量過大后，曲面做表面陽極處理時出現(xiàn)應力痕而導致外觀不良的風險。因此該工藝是流程最短且能保證產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化工藝。圖7為4工序鍛壓實物圖?？梢钥闯?，其模擬結(jié)果與相應的鍛壓流程實物吻合良好，成品的曲面尤其是曲面筋條填充完整，無明顯的缺陷存在。

圖7 不同工序的鍛壓實物圖Fig.7 Objects in different forging processes

3.2 顯微硬度

圖8為最終鍛件的縱向剖視圖。因為其外表圓弧曲面為其產(chǎn)品的外觀面，所以對表面硬度提出要求。因為產(chǎn)品的兩個曲面為對稱復制的特點，所以對圖中所示的單個曲面進行剖視并取點，如圖8所示的A、B、C、D、E五個位置截取試樣，采取夾角為136°的正四方角錐金剛石壓頭、加載載荷為2 N，加載時間為15 s，每個點測量3次硬度取平均值，結(jié)果如表1所示。

圖8 終鍛件剖視圖Fig.8 Sectional view of the final forging part

表1 終鍛件不同位置硬度Table 1 Hardness on different positions of the final forging part

由加工硬化原理可知，金屬的強度、硬度隨著變形量的增加而不斷地增加。實驗中可以發(fā)現(xiàn)A和E的位置硬度接近且相對較高，平均硬度91.5 HV，這是因為此處位置在整個變形過程都屬于三向壓應力的狀態(tài)，變形量最大(從圖6中也可以看出，變形區(qū)域為紅色狀態(tài))。B和D區(qū)域硬度相對降低，平均值為81.9 HV，這是隨著材料被擠入模具型腔，由于被模具內(nèi)壁的限制，其變形量由開口向最頂端逐漸降低。到達最頂端，材料變量最低，硬度降低到78.1 HV，這也與圖6有限元分析的等效應變完全吻合。

4 結(jié) 論

1)采用Deform-3D軟件對6063鋁合金冷鍛曲面成形過程進行有限元模擬，分析了整個成形過程中的三道次鍛壓工藝由厚板料逐步鍛壓成曲面的過程，在不斷地優(yōu)化工藝參數(shù)后，最終確定了原材料形狀尺寸和成形工藝，獲得最佳的產(chǎn)品，為后續(xù)生產(chǎn)開模節(jié)約大量的試模次數(shù)，進而大大縮短試模時間，降低生產(chǎn)成本。

2)實驗驗證結(jié)果與Deform-3D分析結(jié)果基本吻合。結(jié)合分析中的等效應變規(guī)律得出，在第二道次鍛壓工藝后加一道切飛邊工藝后再進行一次精鍛工藝，曲面成形工藝方案合理，每道次變形量較均勻，成形質(zhì)量較好。