5A06鋁合金基座熱擠壓精密成形工藝研究

郭曉琳 東 棟 蘇勝偉 周小京 王勝龍 王志敏 王猛團

5A06鋁合金基座熱擠壓精密成形工藝研究

郭曉琳 東 棟 蘇勝偉 周小京 王勝龍 王志敏 王猛團

（北京航星機器制造有限公司，北京 100013）

采用Deform-3D有限元軟件及熱擠壓精密成形實驗對5A06鋁合金基座的成形過程進行了模擬仿真與工藝試驗，并研究了擠壓件不同位置的組織及性能。結果表明，在420℃、擠壓速度1mm/s、保壓時間1min的工藝參數下，5A06鋁合金基座擠壓件成形的最大成形力為28000kN，擠壓件成形過程中金屬流動順利，成形質量良好。力學性能測試分析結果表明，在該條件下成形出的基座擠壓件各部分抗拉強度可達325MPa，延伸率最高可達25.4%，滿足設計要求。

5A06鋁合金；Deform-3D模擬；熱擠壓精密成形

1 引言

隨著航天產品向高性能、大型化、復雜化、精密化、多品種、多規格、多用途等方向發展，其復雜構件對于輕量化、高精度、低成本的要求也日益提高。熱擠壓精密成形技術是20世紀70年代開始發展的一種先進成形技術，在成形過程中比普通鍛造降低了變形應力，避免表面裂紋的產生[1～3]，又通過塑性變形提高了產品的強度，在較低壓力條件下實現精密成形[4]。不但可以縮短產品的生產周期[5]，降低生產成本，還可以獲得更好的微觀組織與力學性能。

近年來，熱擠壓精密成形技術在航天類復雜構件的成形中應用越來越普遍，在鋁合金熱擠壓精密成形領域已經開展了大量研究[6～14]。本文以5A06鋁合金基座為研究對象，采用有限元模擬仿真與工藝試驗相結合的方法，研究了基座熱擠壓精密成形的機理，通過對坯料形狀的改進，提出了控制該類擠壓件成形質量的有效方法，并對不同位置的組織及力學性能進行了對比研究，對同類產品生產工藝的控制具有重要的指導意義。

2 實驗過程

2.1 5A06基座零件擠壓件及模具設計

圖1為5A06鋁合金基座零件示意圖。該零件通常采用厚板機械加工制造，材料利用率低。此外，機械加工還破壞了零件的流線分布，對零件的疲勞性能和使用壽命產生不良影響。采用熱擠壓精密成形工藝，通過優化坯料和模具設計，在成形過程中控制金屬流動，避免出現折疊等缺陷，提高材料利用率和零件的力學性能，有利于實現金屬的近凈成形。

圖1 5A06基座零件示意圖

根據熱擠壓精密成形特點，將零件通孔填平，并根據尺寸偏差及加工余量標準對基座零件進行擠壓件設計，如圖2所示。根據擠壓件圖設計出擠壓模具圖，如圖3所示?？梢钥闯?，模具由加上模、導套、導柱、下模鑲塊、頂出桿及下模六部分組成。

圖2 5A06基座擠壓件示意圖

圖3 基座擠壓件模具結構圖

2.2 5A06基座熱擠壓精密成形模擬仿真分析

2.2.1 有限元模型

采用DEFORM-3D軟件對5A06鋁合金基座擠壓件熱擠壓精密成形過程進行模擬仿真分析，設置坯料為塑性體，模具為剛性體，成形溫度400℃。由于模擬過程為熱擠壓精密成形，材料與空氣換熱以及模具與材料換熱均忽略不計。采用剪切摩擦模型，摩擦系數取0.40；熱擠壓精密成形模擬過程中，上模運動速度設定為1mm/s。

2.2.2 初始方案模擬

圖4所示為初始坯料形狀，由于考慮到坯料與模具熱膨脹系數的不同，所以坯料尺寸應略小于模膛尺寸，經過計算確定坯料長為416mm，寬為305mm，厚為40mm，在平板中間設計了直徑170mm的通孔以減小成形力。在板坯邊角部位設置適當圓角，以避免坯料與模具接觸產生應力集中。

圖4 初始坯料形狀

圖5為初始毛坯熱擠壓成形變形模擬結果。從圖5a中可以看出，在成形過程的初期階段，中間部分的側壁和筋會先成形出來，可以明顯地看出坯料中間有鼓起來的情況。從圖5b中可以看出，隨著成形過程的進一步進行，坯料四個角出現了向上翹起的現象。這是因為在凸模下壓過程中腹板處的金屬向兩側流動，所以中間的筋部最先成形，而四個角處的金屬幾乎不變形，導致筋部的金屬高度高于四個角部的高度。金屬在向靠近角部筋內充填的時候會帶動四個角部的金屬向上平移流動，從而導致四角角部向上翹起，在后續的成形過程中，凸模將四角翹起部分金屬壓下時底部還會出現折疊缺陷。

圖5 平板板坯料熱擠壓成形有限元模擬

圖6為初始板坯料熱擠壓精密過程成形力示意圖。在材料成形初期階段，也就是凹槽形成的階段，成形力僅有784t；隨著凸模下壓，坯料與上模接觸面積不斷增大，成形力隨之緩慢上升；最后階段，坯料四個角部分與上模接觸，成形力迅速上升，最終達到4200t。這是由于在最后階段，模膛內基本已經被充滿，金屬流動空間較小，且凸模與擠壓件接觸面積增大，導致成形力迅速上升。

圖6 初始坯料熱擠壓成形力

2.2.3 坯料方案優化模擬

根據上述模擬結果可知，擠壓件底部會產生折疊缺陷，且最終成形力偏大。針對以上兩個問題，對坯料形狀進行了改進。圖7為改進后的坯料形狀，在坯料底部四個角部分增加料，使四個角的金屬在成形初期向中心部分流動，從而消除成形過程中因四角翹起產生折疊缺陷的現象。

圖7 改進后的坯料形狀

圖8為改進后坯料熱擠壓精密成形有限元模擬仿真結果。從圖8a可知，在成形初期階段，在坯料底部加料后四個角的翹起現象被消除，中間部分金屬由于上模下壓呈現向下凹的現象，而且在坯料底部出現了凹陷。隨著成形的進一步進行，中間部分金屬逐漸接觸下模，坯料底部的凹陷被壓平，中間部分的結構繼續成形，最終成形完畢，成形結果如圖8b所示。由于凸臺高度減小，且斜面角度減小所以在持續下壓過程中擠壓件底部凹陷較小，所以最終成形后未產生折疊現象。

圖8 改進后坯料的熱擠壓成形有限元模擬

圖9為改進后坯料的成形力，成形力趨勢與初始坯料相同，最終成形力為3840t，相較于初始坯料減小了15%左右。

圖9 改進后坯料成形力

3 實驗結果及討論

3.1 5A06鋁合金基座擠壓件成形工藝試驗

圖10 基座擠壓件示意圖

基于有限元模擬結果，采用優化的坯料形狀進行熱擠壓精密成形試驗。成形時坯料溫度(420±5)℃，模具溫度(410±5)℃，上下模具及坯料均采用石墨潤滑，加載速度為1mm/s，保壓1min。采用優化坯料獲得的最終擠壓件如圖10所示，可以看出擠壓件成形質量良好，正面與反面均無折疊現象。

3.2 5A06鋁合金基座擠壓件組織和性能

分別對基座擠壓件的腹板、筋及側壁處取樣進行顯微組織觀察，取樣位置如圖11所示，并進行室溫拉伸試驗，測試擠壓件的力學性能。

圖11 基座擠壓件取樣位置

圖12 基座擠壓件各部位組織

圖12分別為基座擠壓件側壁、腹板和筋部的顯微組織。從圖12a可以看出，由于反擠壓變形的變形特點，基座側壁處受兩向壓應力作用，所以側壁處組織存在被拉長的晶粒。此外，由于變形溫度較高，局部產生了一定程度的再結晶現象。從圖12b可以看出，基座腹板處受三向壓應力作用，所以腹板處組織存在被拉長的晶粒。由于變形溫度較高，產生了一定程度的再結晶現象，且相較于側壁處組織，腹板處再結晶程度更高。從圖12c可知，筋部由于變形溫度較高，變形量較大，也產生了一定程度的再結晶。

圖13 拉伸實驗取樣位置

分別對基座擠壓件的筋、腹板以及四個角部分取樣進行拉伸實驗，取樣位置如圖13所示。拉伸試驗結果如表1所示，可以看出，基座筋部分抗拉強度為324MPa左右，腹板部分抗拉強度為320MPa左右，四角部分抗拉強度為322MPa左右。

表1 基座擠壓件力學性能

4 結束語

a. 針對基座構件存在中心大尺寸圓孔、周圍存在高筋的結構特點，采用孔分流模具結構降低載荷，并利用反擠成形周邊筋條，使得基座構件的熱擠壓成形力顯著降低，并保證筋部的良好充填。

b. 基座擠壓件在成形過程中會出現四個角翹起及折迭缺陷，并且由于投影面積過大造成成形力過大。將坯料四個角底部加料并加過渡面，四個角翹起現象消除，成形結果良好并大幅減小成形力。

c. 采用熱擠壓精密成形工藝制備出質量良好的基座擠壓件，擠壓件尺寸精度滿足設計要求，組織性能滿足基座設計的力學性能要求。

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Hot Extrusion Precision Forming Research on 5A06 Aluminum Alloy Pedestal

Guo Xiaolin Dong Dong Su Shengwei Zhou Xiaojing Wang Shenglong Wang Zhimin Wang Mengtuan

(Beijing Hngaxing Machinery Manufacturing Co. Ltd., Beijing 100013)

The forming process of 5A06 aluminum alloy pedestal was simulated and tested by Deform-3D finite element software and technological experiments. The microstructure and properties of hot extrusion at different positions were studied. The result showed that the maximum forming force is 28000kN on the condition of 420°C, 1mm/s speed and 1min holding time. The metal flow is smooth during hot extrusion forming. The forming quality is well. The mechanical property results showed the tensile strength is above 325MPa, the maximum elongation is 25.4%, which meet the design requirements.

5A06 aluminum alloy；Deform-3D simulation；hot extrusion forming

2018-11-06

郭曉琳（1980），博士，材料加工專業；研究方向：熱成形及技術創新。