6061铝合金山形杯反挤压工艺优化设计

文/郭俊敏，孙跃，庄晓伟·江苏龙城精锻有限公司

6061铝合金山形杯反挤压工艺优化设计

文/郭俊敏，孙跃，庄晓伟·江苏龙城精锻有限公司

山形杯采用反挤压工艺成形时，由于杯壁和中心凸台端面在反挤压成形过程不受约束，其高度的一致性是挤压时控制的难点。本文以一种铝合金山形杯为例，分析了摩擦系数、原材料状态、凸模工作带形式等方面对其高度的影响规律。采用虚拟材料法，进一步分析了原材料的应力—应变曲线对杯壁和中心凸台和高度差的影响。

铝合金山形杯的初始生产工艺

山形杯是一种中心带凸台的杯形件，所用的材质为6061，成形工艺流程为：下料→退火→表面润滑处理→反挤压→T6热处理→车端面。山形杯反挤压模具分为上模和下模，下模固定在压力机台面上，上模随压力机滑块向下运动挤压材料成形，如图1所示。按照此工艺方案进行反挤压成形时，发现山形杯中心凸台高度明显低于杯壁高度，如图2所示。可见反挤压成形时中间凸台处坯料和杯壁处坯料流动速度不一致。

图1 模具示意图

图2 工件图

试验设计与工艺优化

影响山形杯材料在成形过程中流动速度的因素有：设备的工作速度、材料和模具的摩擦系数、原材料状态、模具工作带高度等。由于设备的工作速度恒定，本文仅以摩擦系数、原材料状态、模具工作带高度这三个要素作为因子，山形杯杯壁和中心凸台高度差作为响应，通过Minitab来分析响应和各因子之间的关系。

试验前的关键在于水平的选择，本文按照因子的两种典型状态来设定水平。首先选择摩擦系数，一种为有润滑剂的情况，摩擦系数值为0.15，一种为无润滑剂的干摩擦状态，摩擦系数值为0.4。其次，选择冲头工作带形式，一种情况为内外工作带高度相等都为5mm，标记为0，另一种情况为内工作带高度h为5mm，外工作带高度H为10mm，记为5。第三，选择材料状态，一种为退火状态的6061铝材记为T0，另一种为固溶时效状态的6061铝材记为T6。

在Minitab中选择二水平全因子试验，可以得到8个试验方案，见表1。在Deform中按照表1的参数进行8次模拟试验，由于零件为回转体形状，取1/4进行模拟，结果如图3所示。测量杯壁和中心凸台端面坐标值可以得到高度差的数据，其中中心凸台高于杯壁记为正，中心凸台低于杯壁记为负，将数据输入到Minitab中可得到高度差的主效应图（图4）。从图4中可以看出，摩擦系数对高度差的影响最大，工作带的形式对高度差的影响最小。但是从实际角度出发，增加摩擦系数会使成形零件的表面粗糙度变差甚至出现裂纹。因此选择材料的状态，并合理调节工作带形式是解决高度差问题的最佳方法。

表1 试验方案与结果

图3 模拟试验结果（中心凸台在左，筒壁在右）

图4 工艺参数对工件成形影响的主效应图

按照此思想，进行一次物理试验，具体的方案为：毛坯表面滚涂硬脂酸锌，冲头内工作带高度h为5mm，外工作带高度H为10mm，材料为6061-T6。试验结果如图5所示，中心凸台与杯壁高度基本一致。由于物理试验中不断有新的表面生成，摩擦系数是一个变量，物理试验结果和模拟结果有一定差异，但对定性的分析没有影响。

图5 工件实物图

虚拟材料法

从模拟试验和物理试验的结果来看，材料状态对中心凸台与杯壁高度差的影响较大。进一步分析其原因，发现6061-T0和6061-T6这两种材料状态的应力—应变曲线不同，应力—应变曲线低的6061-T0获得的工件中心凸台较低，应力—应变曲线高的6061-T6获得的工件中心凸台较高，因此推测原材料的应力—应变曲线是影响高度差的主要原因。为了验证此结论，本文引入两种虚拟材料，一种在6061-T0的基础上降低流动应力，材料标记为low，另一种在6061-T6的基础上提高流动应力，材料标记为high，如图6所示。然后进行两组对照模拟试验，结果如表2和图7所示。可见，高度差与原材料的应力应变曲线高度成正相关，与预测一致。

图6 应力应变曲线图

表2 对照试验

图7 模拟试验结果（中心凸台在左，筒壁在右）

结束语

本文针对山形杯中心凸台在反挤压过程中高度不足的缺陷，通过试验设计与有限元模拟分析，以及物理试验，表明摩擦系数是影响中心凸台成形高度的主要原因，材料状态的影响次之，工作带高度的影响最小。由于成形中增大摩擦系数会带来很多负面影响，故本文通过改变原材料状态来解决这一问题，应用虚拟材料法和物理试验，进一步验证了改变原材料应力—应变曲线的高度能显著影响山形杯中心凸台与杯壁的高度差。