某高細筋復雜鋁合金鍛件成形研究

文/高超，李鵬偉，熊威·江西景航航空鍛鑄有限公司

2A50 鋁合金是一種高強度鍛鋁，屬于Al-Cu-Mg-Si 系，是在鋁合金中加入Cu、Mg、Si 等元素從而達到改善其工藝加工性能的目的而研制的合金材料。2A50 鋁合金具有良好的加工性，尤其是在鍛造工藝方面，在合適的溫度狀態下具有良好的可塑性(最佳鍛造溫度范圍為380 ～470℃)，適合生產形狀復雜且高負載的承力和連接結構件等模鍛件，在航空、航天工業、船舶等領域被廣泛運用。

鍛件缺陷現狀

本文研究的2A50 材質的某高細筋復雜鋁合金鍛件，在實際生產鍛造過程中發現鍛件細筋位置出現了穿流和夾傷等缺陷(圖1)，不能夠滿足圖紙設計要求從而導致鍛件報廢且多個批次連續報廢。

圖1 鍛件缺陷

鍛件形狀結構

某高細筋復雜鋁合金鍛件二維簡圖如圖2 所示，鍛件重量1.34kg，包絡體重量8.94kg，復雜系數為S4=0.15(復雜≤0.16)。鍛件投影面積為449cm2，中間腹板縱橫高向最大尺寸為285mm×146mm×5mm，筋條的高度及寬度尺寸分別為15mm和3mm，筋條高寬比1.66，鍛件最高點凸臺距腹板24.7mm。

圖2 某高細筋復雜鋁合金鍛件二維簡圖

鍛件形狀結構為由寬大薄的腹板和細小帶“H”字形的細筋條及高點凸臺構成封閉式的“回”字形。該類型的鍛件鍛造時容易出現筋條穿流和夾傷及腹板厚度尺寸難鍛造至圖紙公差范圍等問題。

鍛造成形缺陷原因分析

對鍛件形狀結構進行分析，初步判斷影響鍛造成形缺陷形成的可能因素有三個：生產設備、鍛造成形工藝、預鍛模具設計。

生產設備

一般而言，形狀結構越復雜的模鍛件，其鍛造成形難度也越大，尤其是形狀結構帶有高筋的“H”“U”等字形截面的模鍛件。該類型結構的鍛件成形受材質和變形速率影響較大，鍛件材質為2A50高強度鍛鋁，材質本身金屬塑性流動性差，用于生產該類型的鍛件，在筋條根部容易出現穿流、渦流及射穿等缺陷，故在鍛造設備的選擇上不推薦使用變形速率過快類型的設備，推薦使用鍛造能量可控和變形速率較慢的生產設備(如伺服油壓機，次之選用機械壓力機)鍛造成形。

初始鍛造工藝選擇的設備為2500t 電動螺旋壓力機，電動螺旋壓力機屬于機械壓力機，設備能量可控可調節且設備鍛造變形速率較慢，適合高細筋復雜鋁合金鍛件的生產使用。

故生產設備不是影響鍛造成形過程出現缺陷的主要因素。

鍛造成形工藝

對鍛件進行工藝性分析，鍛件成形的難點主要是在鍛造成形過程中，由于存在多處帶“H”字形截面的細筋構成的封閉式結構及寬大腹板，當鍛件腹板厚度尺寸還未鍛造至圖紙公差要求范圍，而四周的細小筋條已經充滿，若繼續鍛造將迫使腹板上的富裕金屬從腹板穿過筋條根部流向倉部，形成穿流缺陷。

根據工藝性分析結果，初始鍛造工藝方案設計為自由鍛制坯加預鍛、終鍛成形。鍛造成形工藝流程如圖3 所示。

圖3 成形工藝流程圖

故鍛造成形工藝不是影響鍛造成形過程出現缺陷的主要因素。

預鍛模具設計

根據現在的預鍛模具圖和終鍛模具圖繪制鍛件細筋截面結構與尺寸比對簡圖(圖4)，并進行分析。

圖4 預鍛和終鍛筋條處比對簡圖

⑴預鍛件的筋條和腹板過渡是以70°的斜面進行的，根據最小阻力定律，金屬先向阻力小的區域流動，該處阻力較其他區域阻力大，金屬向外流動難且不順暢，易出現兩股或多股金屬流動匯合，從而形成夾傷缺陷。

⑵終鍛成形，預鍛件存在的斜面和終鍛模具型腔對應處為線接觸，錯動較大，預鍛件和終鍛型腔不匹配，易出現兩股或多股金屬流動匯合形成夾傷。

⑶預鍛件和終鍛件的腹板厚度尺寸設計一致，在筋條區域處，預鍛斜面儲存的金屬料F2與終鍛件筋條所需要的金屬料F1的截面積比例值高達64:1。終鍛成形時，在鍛件筋條已經充滿的情況下，繼續進行模鍛，將迫使預鍛斜面F2富裕金屬料穿過筋條根部流向毛邊倉部，形成穿流缺陷。

故預鍛模具設計是影響鍛造成形過程出現缺陷的主要因素。

優化設計

從鍛造成形缺陷原因分析得出的結論，出現缺陷的主要因素是預鍛模具的設計不合理，故優化方案主要是對現在預鍛模具的設計進行優化。

因此，參考鍛造工藝學與模具設計及鍛壓手冊，對現在預鍛模具結構調整細筋條區域的截面結構和尺寸及預鍛和終鍛相對應的筋條截面積比例。降低預鍛細筋高度(單邊降低1.5mm)，及預鍛筋條和腹板以R25mm 的大凹圓角進行銜接過渡，使得金屬在預鍛型腔內塑性流動充填順暢，也避免了預鍛件細筋處穿流和夾傷缺陷的產生；為避免終鍛成形過程鍛件細筋根部產生穿流缺陷，需控制預鍛與終鍛細筋相對應位置截面金屬的比值，截面金屬的比值設計既能滿足終鍛筋條充填成形，也要改善終鍛時筋條根部穿流的缺陷。經過多次研究，初步將預鍛和終鍛相對應筋條位置截面金屬的比值設計為1.16:1。

優化后的預、終鍛相對應筋條位置的截面結構與尺寸對比簡圖如圖5 所示。

圖5 優化后的預鍛和終鍛筋條處比對簡圖

仿真模擬分析

利用金屬塑性成形仿真Deform 軟件，對優化設計的預鍛模具成形過程進行仿真模擬。模擬初始參數設置如下：金屬坯料材質為2A50，初始金屬坯料溫度設定為470℃，設備為2500t 電動螺旋壓力機。對象屬性：金屬坯料為塑性體，模具為剛性體，模具與坯料之間的摩擦類型選為剪應力摩擦，取f=0.3，坯料劃分為四面體網格，數目為80000 個，時間步長定為5s。

鍛造成形各階段進行的仿真模擬結果顯示：預鍛仿真模擬成形過程，預鍛件充填飽滿且無夾傷和穿流缺陷趨勢形成，終鍛仿真模擬成形過程，終鍛件充填飽滿，細筋根部凹圓角無穿流缺陷趨勢形成(圖6)。

圖6 仿真模擬成形及流線分布效果

改善效果

根據優化設計的預鍛模具進行生產，數量218件，最終交付合格率97.2%。鍛造結束后，100%檢查酸洗后的鍛件表面質量，沒有發現明顯缺陷，鍛件成形效果良好。后續對鍛件進行低倍與高倍檢測，低倍檢測金屬流線基本沿鍛件外形分布，無粗晶組織且晶粒度不大于4 級，高倍檢測組織無過燒等缺陷(圖7)。

圖7 鍛件金相圖

結論

⑴針對某高細筋復雜鋁合金鍛件成形過程易出現穿流和夾傷等缺陷，優化預鍛細筋條區域的截面結構與尺寸，可有效改善以上缺陷，提高產品交付合格率。

⑵本文設計的預鍛與終鍛筋條截面積比值1.16:1 是合理的，既可滿足鍛件成形使用，也可以避免鍛件穿流風險。

⑶對于形狀結構復雜的鍛件，模鍛成形過程應緩慢塑性流動成形，成形工藝需進行預鍛設計且預鍛設計合理，可以快速生產出質量合格的鍛件。

⑷采用數值仿真模擬軟件可以有效輔助工藝優化改進，提高優化效率，提高產品改進的成功率。

⑸合理的模具設計能夠保證鍛件金屬流線符合鍛件外形，提高鍛件性能。優化后的預鍛模具進行的實際生產驗證結果表明，鍛件成形質量良好，無明顯缺陷。