文秀海

(河南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的重要零件,長時(shí)間在高溫、高壓的環(huán)境下高速運(yùn)轉(zhuǎn),其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命[1-3]。目前活塞的生產(chǎn)工藝以壓力鑄造為主,該工藝成形容易、成本低,但生產(chǎn)的活塞力學(xué)性能一般,壽命短。另一種成形工藝是擠壓成形。擠壓成形是較為先進(jìn)的成形工藝,由于在擠壓成形過程中,坯料三向受壓,內(nèi)部缺陷被壓合,所以擠壓成形生產(chǎn)的活塞內(nèi)部纖維組織更加致密,耐高溫、耐高壓,耐磨性也更好,但該工藝的成形難度較大。

擠壓成形工藝研究的重點(diǎn)是成形載荷的大小對成形飽滿度、成形缺陷的影響程度。如文獻(xiàn)[4]采用仿真模擬的方法分析了摩托賽車活塞成形過程中的成形情況與載荷大小的關(guān)系,并對擠壓工藝進(jìn)行了優(yōu)化,消除了活塞頂部在成形時(shí)產(chǎn)生的折疊缺陷。

采用擠壓成形工藝時(shí),由于活塞各個(gè)部位的尺寸相對較小、精度較高,不僅坯料的變形量大,同時(shí)還會(huì)因?yàn)榻饘贌嶙冃芜^程中熱機(jī)耦合效應(yīng)的影響,使坯料的變形、應(yīng)力場分布、溫度場分布存在不均勻現(xiàn)象。變形不均勻和溫度場分布不均勻會(huì)導(dǎo)致坯料的組織、性能不均勻,應(yīng)力場分布不均勻會(huì)導(dǎo)致活塞形狀產(chǎn)生畸變。所以控制坯料的變形、應(yīng)力分布以及溫度場分布的均勻性,對提高活塞質(zhì)量有重要意義。坯料形狀直接影響到金屬的應(yīng)變場、應(yīng)力場和溫度場的分布,但是關(guān)于坯料形狀對上述場變量的影響分析還少見報(bào)道。本文采用仿真分析的方法揭示坯料形狀對應(yīng)力場、應(yīng)變場及溫度場的影響規(guī)律,再對成形效果理想的坯料進(jìn)行試驗(yàn)。

1 成形分析

圖1為活塞零件圖,從圖中可以看出,零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且有較多的深槽、窄邊。尤其是活塞的裙部、加強(qiáng)筋和銷孔部位構(gòu)成封閉的不規(guī)則環(huán)形,且該環(huán)形的壁部垂直于活塞頂部平面,直徑與高度相差較大,且壁厚較薄,屬于典型的高肋、高筋零件。因此采用熱擠壓成形時(shí),主要難點(diǎn)在于如何解決裙部、加強(qiáng)筋的成形。

圖1 活塞零件圖

1.1 材料本構(gòu)模型

建立4032鋁合金的本構(gòu)模型有助于研究其在外力的作用下應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。4032鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以通過圓柱等溫壓縮試驗(yàn)獲得,由文獻(xiàn)[5]可知,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 4032鋁合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 坯料形狀

本文選用3種坯料:圓柱坯料(Y)、 單錐角坯料(D)、 雙錐角坯料(S), 如圖3所示?；钊w積為150,796mm3,坯料的體積應(yīng)和活塞體積相同,所以本文三種坯料尺寸的選取分別為:圓柱坯料φD=80mm,H1=30mm;單錐坯料H2=31.476mm,C=15mm,β1=12.8°;雙錐坯料H3=32mm,E=15mm,β2=30°。

圖3 坯料形狀圖

1.3 有限元模型

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究,擠壓溫度P選在400—450℃、擠壓速度V選在1—4mm/s、剪切摩擦系數(shù)F選在0.2—0.5、模具預(yù)熱溫度M選在400—460℃時(shí),鋁合金應(yīng)變均勻,更易成形。采用DEFORM-3D軟件對不同形狀坯料的成形過程與結(jié)果進(jìn)行模擬,對坯料、模具均劃分網(wǎng)格22000,同時(shí)設(shè)置擠壓溫度P=430℃、速度V=2mm/s、剪切摩擦系數(shù)F=0.3等相關(guān)模擬參數(shù),并取模型的四分之一進(jìn)行模擬,所得有限元模型如圖4所示,圖中(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料三種坯料擠壓的有限元模型。

圖4 三種不同坯料的活塞擠壓有限元模型

2 模擬結(jié)果分析與試驗(yàn)

2.1 均勻性衡量標(biāo)準(zhǔn)

采用式(1)、式(2)兩個(gè)公式來描述組織的均勻性,其中xa為場變量x的平均值,xi是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的場變量值,N為變量值的個(gè)數(shù),SD的數(shù)值越小,表明變量的均勻度越好。

(1)

(2)

2.2 坯料形狀對擠壓力的影響

圖5是在上述試驗(yàn)條件下,通過模擬試驗(yàn)得到的三種不同坯料擠壓力與時(shí)間的關(guān)系圖,可以看出在相同的擠壓時(shí)間下,所需擠壓力由大到小的胚料排序?yàn)?圓柱坯料>單錐角坯料>雙錐角坯料。

圖5 坯料形狀對擠壓力的影響

2.3 坯料形狀對應(yīng)變場分布均勻性的影響

圖6(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料最終成形時(shí)的應(yīng)變場分布均勻性結(jié)果圖,圖(d)是三種坯料應(yīng)變場分布均勻性對比圖。可以看出,雙錐坯料變形均勻性最好,其次是單錐坯料,最后是圓柱坯料。

圖6 坯料形狀對變形均勻性的影響

2.4 坯料形狀對應(yīng)力場分布均勻性的影響

圖7(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料最終成形時(shí)的應(yīng)力場分布均勻性結(jié)果圖,圖(d)是三種坯料應(yīng)力場分布均勻性對比圖?？梢钥闯?雙錐坯料等效應(yīng)力均勻性最好,其次是單錐坯料,最后是圓柱坯料。

圖7 坯料形狀對應(yīng)力分布均勻性的影響

2.5 坯料形狀對溫度場分布均勻性的影響

圖8(a)、(b)、(c)分別是圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料最終成形時(shí)的溫度場分布均勻性結(jié)果圖,圖(d)是三種坯料溫度場分布均勻性對比圖?？梢钥闯?圓柱坯料和單錐坯料溫度場分布均勻性的差別不大,而雙錐坯料溫度場均勻性最好。

圖8 坯料形狀對溫度分布均勻性的影響

2.6 模擬驗(yàn)證

綜上模擬分析結(jié)果,在三種不同坯料的熱擠壓成形過程中,雙錐坯料對擠壓力影響最低,其應(yīng)變場、應(yīng)力場和溫度場分布也最均勻。這就說明使用雙錐坯料采用擠壓工藝生產(chǎn)活塞,不僅對擠壓設(shè)備的規(guī)格要求不高,更能在較小的擠壓力下,獲得更均勻的應(yīng)變,更容易獲得質(zhì)量較高的活塞。為驗(yàn)證該模擬結(jié)果,采用雙錐坯料進(jìn)行試生產(chǎn)試驗(yàn),結(jié)果如圖9所示,可以看出活塞成形完整、輪廓清晰、內(nèi)外壁光滑飽滿,經(jīng)檢驗(yàn)其質(zhì)量完全滿足要求。

圖9 活塞熱擠壓試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

本文基于DEFORM-3D有限元分析軟件,采用數(shù)值模擬的方法分別分析了圓柱坯料、單錐坯料、雙錐坯料對擠壓力、應(yīng)變均勻性、應(yīng)力場分布均勻性和溫度場分布均勻性的影響。結(jié)果表明,坯料形狀對擠壓力的影響順序依次為:圓柱坯料>單錐坯料>雙錐坯料,雙錐形坯料應(yīng)變場、應(yīng)力場和溫度場分布最均勻,其次為單錐坯料和圓柱坯料,并對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合。