许小云，王云鹏，胡嘉玮，申小平，张振兴，刘道坤，蒋洪章，王晓勇，任建荣，颜银标

（1. 南京理工大学 材料科学与工程学院，南京 210094；2. 国营第一二一厂，黑龙江 牡丹江 157000；3. 沈阳工业集团有限公司，沈阳 110045）

铝合金具有易成形、比强度高、耐蚀性强、导 电导热性能好等优点，可通过挤压制成各种形状的材料用于各行各业[1—4]。翼座有着较高的力学性能要求，其结构复杂，外形有细长沟槽，且底部有众多翼片，整体壁厚不均匀。采用切削法加工零件势必会破坏金属流线的连续性，从而降低了零件的力学性能，并且传统的机械加工成本高，资源浪费严重，生产效率低[5]。若采用铸造法成形，零件的性能难以满足使用要求。

针对以上问题及2A12铝合金塑性好的特点，提出用近净挤压成形技术来替代传统的切削加工方法[6]。与传统的机械加工相比，通过挤压成形得到的零件，其金属流线与零件外形轮廓相一致，有较好的机械性能，而且节约材料，提高了材料的利用率[7]。文中通过Deform-3D软件对整个变形过程进行数值模拟，对单向挤压、双向挤压的成形结果、挤压过程的行程-载荷曲线进行了比较分析[8]，探讨近净挤压成形的可行性，避免了实际试验所造成的浪费。

1 模型的建立及模拟前处理

1.1 模型的建立

翼座零件示意图见图1。该零件结构形状复杂、壁厚较薄，最薄处的壁厚只有2 mm，故挤压时对金属流动的影响极大，因此成形所需挤压力和摩擦力会很大。翼座外壁有8个细长沟槽，尾端有16个翼片，这些结构使其在挤压时充模困难。由于此零件两端直径大于中间部分，为了方便挤压件的取模，将凹模设计成分瓣式。从图1可以看出，在翼座下部有一细长深孔，故模具上需要一个细长芯棒，但在挤压时很容易损坏，这对模具的要求非常高，因此决定先挤压成无空腔的挤压件，再通过机加工得到深孔。

图1 翼座零件Fig.1 Parts of wing seat

根据其形状设计了两种挤压方案。方案1为单向挤压，只有一个凸模，方案2为双向挤压，有上下两个凸模。通过Pro/E软件建立模具和坯料的模型保存成STL格式，并导入到Deform-3D软件中[9—10]。为减少划分网格的数量，选取工件的1/8进行模拟[11]。两种方案的挤压模具结构示意图见图2。

图2 模拟挤压模具结构Fig.2 Structure of simulation extrusion die

1.2 模拟前处理

将模型导入Deform前处理模块中，不考虑热量的传递，设定成形温度为450 ℃，摩擦因数为0.2，加载速度设为 5 mm/s，给坯料划分网格，划分网格数量为5000，步长设置为0.05 mm，对工件1/8进行模拟，此外应给坯料及模具设定对称性条件[12]。

2 模拟结果与分析

2.1 成形结果比较分析

单向挤压金属流动速度矢量见图3。当变形到410步即行程为20.5 mm时，坯料的下端开始接触到下模板，随着加载的继续进行，多余的坯料受压开始向底部的翼片模腔流动，产生径向挤压。变形到480步行程为24 mm时，出现了折叠这个严重的挤压缺陷。其形成原因如下：由于翼座外壁有细长沟槽，在变形过程中，用于形成沟槽的凹模模腔比底部翼片模腔先行充满，随着凸模的持续加载，变形继续进行，用于形成翼片的坯料外壁已经形成了沟槽。继续加载变形时，沟槽两侧坯料会挤向沟槽形成了折叠[13]。

图3 单向挤压金属流动速度矢量Fig.3 Velocity vector of one-way extrusion metal flow

折叠是潜在的微裂纹，是严重的挤压缺陷，有这种缺陷的产品在使用时会产生应力集中，使裂纹进一步扩张，从而严重影响产品的质量[14]。采用单向挤压方案时，由于零件结构复杂，由一端向另一端挤压成形时，会出现折叠缺陷。对于双向挤压方案，翼座底部翼片的成形是由上凸模挤压完成的，而上凸模挤压的这部分坯料是没有沟槽产生的，故双向挤压中不会出现因沟槽挤出而形成折叠的问题。

2.2 挤压力比较分析

单向挤压、双向挤压模拟时挤压载荷随行程的变化曲线见图4。可知前12 mm的行程两方案的曲线几乎一致。在行程5～12 mm间载荷增加平缓，这是由于坯料的再结晶软化和加工硬化速度相当，变形抗力趋向稳定。当行程达到12 mm后，坯料向模腔中部涌入，阻力较大，两方案载荷曲线又有了明显上升，且双向挤压明显比单向挤压增加得快。这是由于两方案进入中部模腔的方式不同，双向挤压的挤压方式为反挤压，而单向挤压为正挤压，相同情况下反挤压所需要的力大于正挤压。

图4 挤压载荷随变形位移的变化曲线Fig.4 Change curve of extrusion load with the displacement

单向挤压在行程为20.5 mm时，由于坯料开始与下模板相接触，载荷再一次增加，在行程为 24 mm时坯料进入底部翼片模腔部分，载荷又再一次增加。而双向挤压在第二部分翼片的成形所需的载荷非常小，由上凸模挤压完成，只需对少量坯料变形，摩擦力与变形抗力都比较小。单向挤压所需的最大载荷约为130 t，而双向挤压所需最大载荷为110 t，从所需载荷看，双向挤压也要优于单向挤压。

2.3 中心缩尾及解决方案

2.3.1 中心缩尾的形成

在最初使用双向挤压模拟计算时，在下凸模挤压完成后，在其正上方出现了中心缩尾缺陷，这将严重影响零件的性能。双向挤压方案挤压时速度大小分布见图5。由图5a—c可知，由径向变形而来的坯料随着加载的进行，逐渐变成沿竖直方向运动，从而影响到P1点附近坯料的运动。随着加载的继续进行，下凸模附近坯料的径向流动速度变得越来越大，影响到P1点附近的坯料，使其逐渐形成竖直向上的速度，产生如图5d所示的变形。模拟过程中P1点坯料的运动速度变化曲线见图6，可以看出，在520步之前，P1处坯料的速度为0，没有发生变化，而在 520步后，P1点速度明显增大，由此逐渐产生了中心缩尾。

图5 挤压过程中速度分布Fig.5 Speed profile during extrusion

图6 P1点坯料速度变化曲线Fig.6 P1 point blank speed curve

2.3.2 中心缩尾解决方案

在后续的模拟分析中发现，压余厚度直接影响中心缩尾的程度，选择在缩尾的上方增加一定量的压余厚度，变形结束后再通过机械的方法去除，为了避免浪费材料，选择合适的压余厚度尤为重要。压余厚度对中心缩尾的影响程度见图7，其中Δt为所增加的压余厚度，L为缩尾的深度。从图7可以看出，随着压余厚度的增加，缩尾深度也随之减少，当压余厚度为5 mm时中心缩尾消失。

图7 所增加压余厚度对中心缩尾的影响Fig.7 Effect of increased residual thickness on center shrinkage

3 成形试验

采用双向挤压方案对 2A12铝合金翼座进行试验试制，选择 4Cr5MoSiV1热作模具钢作为模具的材料[15]，由于双向挤压的最大载荷为110 t，故选用160 t的液压机进行试制。最终制得的挤压件见图8，可以看出，所制零件整体光洁，底部翼片及沟槽充型饱满，证明了双向挤压方案的可行性。

图8 试制的翼座零件Fig.8 Trial-experimental of wing seat

4 结论

1) 翼座零件的结构形状复杂，分析了传统工艺加工此零件的缺点，提出了挤压成形的方法替代传统加工工艺，并设计了单向挤压、双向挤压两种挤压方案。

2) 模拟结果表明，单向挤压方案在挤压后期出现了折叠缺陷，而双向挤压方案则避免了此缺陷的产生，且双向挤压所需最大载荷也要小于单向挤压；虽然双向挤压后期出现了中心缩尾缺陷，但通过增加压余厚度成功解决了此问题，因此，双向挤压方案要优于单向挤压方案。最终实际成形试验表明，采用双向挤压可获得健全的铝合金翼座零件。