高强铝合金模压成形工艺研究

文／郑天晴，刘梅，黄彪·合肥工业大学

工艺介绍与分析实验采用铸态7系高强铝合金为实验材料，众所周知，7xxx高强铝合金为可热处理强化的铝合金，具有高的比强度和硬度、良好的热加工性、优良的焊接性能、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点，适宜做承受力较大的结构材料，广泛应用于航空航天、汽车等领域。模压变形法（CGP）是新近开发的一种大塑性变形方法，可在保持试样外形尺寸不变的情况下制备超细晶板材。模压成形的基本原理如图1所示，将试样放入齿形周期变化的模具中，在压力的作用下，对试样进行反复的变形，累积等效应变，最终使材料受到剧烈的塑性变形，从而细化材料的组织晶粒，提高其强度。模压变形作为一种新型的大塑性变形工艺，可以用于超细晶板材的生产。图2所示为模压成形的板材，通过对板材不同区域的分步剪切变形，使板材具有均匀的微观组织和优良的力学性能，是一种有效制备组织均匀的超细晶板材的工艺途径和技术手段。

图1 模压成形原理示意图

数值模拟及结果

有限元模型的建立

在有限元模拟软件中建立模型如图3所示。其中坯料尺寸为90mm×10mm×4mm，网格数量为8000。坯料材料为ALUMINUM 7075铝合金，模具采用刚性体，坯料和模具之间的摩擦采用库伦摩擦，摩擦系数为0.25，上模下行速度为2mm/s。

图2 铝合金模压成形板材

图3 有限元模型

图4 速度场分布

图5 坯料损伤值及等效应变

坯料在模压成形时的运动方向和状态

如图4(a)所示，在压弯时接触平齿的坯料有着均匀向下的速度，接触斜齿的部分在向下速度的基础上更多是受剪切向两侧运动并产生较大的变形。如图4(b)所示，在压平的过程中整体受到上模的压力而有一个向下的速度，并且原先被压弯的部分由于接触下模受到向上的力就有了向上的速度，夹在这两个区域之间的部分就是在压平过程中受到剪切力的部分，又发生了一个变形的过程。通过分析不同状态下的坯料的速度场可以进一步了解模压成形法的具体原理。

坯料的变形情况

图6 不同道次试样的等效应变、损伤值变化图

图5所示为坯料在变形流动过程中的损伤值及等效应变。由图可以看出，坯料接触上模凸起齿部损伤最为严重，而与损伤不同的是，等效应变最大的位置则是在与斜齿接触的部分。这是因为与凸齿接触的部分承受最大的压应力，在上模凸齿转折处可能会有应力集中；而与斜齿接触的部分则发生纯剪切变形，有着最大的等效应变，这一部分也是该工艺真正产生晶粒细化的部分。

挤压温度的影响

对试样进行室温（20℃）、高温（350℃），2道次模压成形，其模具所受最大载荷如表1所示。可以看出，室温时模具所受压力较大。这是由于，随着挤压温度的升高，坯料的塑性流动变好，变形抗力减小，从而对模具的磨损减小，因此最大载荷降低。

挤压道次的影响

图6所示为室温条件下，不同道次试样的等效应变、损伤值变化图。挤压道次主要影响材料的等效应变，由图可以看出随着挤压道次的增加，材料的损伤值增加，所以道次不能无限制的增加，增加过多会使损伤值持续增加，对设备以及试验的准确性影响较大。等效应变随着挤压道次的增加而增加，累积的等效应变对提高材料的强度产生有利影响。

表1 不同温度模具最大载荷

试验分析

本试验在2000kN旋转压扭液压机上进行模压实验，变形后试样如图7所示，试样整体变形效果较好，无宏观微裂纹。图8(a)所示为高强铝合金初始态微观组织，图8(b)～(c)为350℃变形温度下经模压变形1、2道次后试样的微观组织。由图可以发现初始态合金晶粒粗大，局部区域存在少量细小的等轴晶。经1道次模压变形后，如图7(b)所示，合金晶粒明显细化，出现细小等轴晶的区域明显增加。随着挤压道次的进一步增加，如图7(c)所示，晶粒尺寸进一步细化，微观组织几乎全部由等轴晶组成，组织均匀性明显提高。

图7 变形后试样

图8 不同挤压道次下模压成形后显微组织图

结束语

分别在室温以及350℃条件下对7系铝合金进行1、2道次的模压成形，分别讨论了不同条件下金属的流动、损伤值以及等效应变的变化情况，得出结论：相同变形温度条件下，随着挤压道次的增加，等效应变值增加；相同挤压道次条件下，随着温度的升高，金属变形抗力减小，损伤值减小，所需载荷减小。该合金经模压变形后晶粒明显细化，随着挤压道次的增加，变形过程中累积了较大变形量，微观组织中出现等轴晶的区域明显增多。