5A06铝合金复杂盒形件等温锻造工艺研究

罗刚

摘要：5A06铝合金是如今锻造工艺中比较常用的材料，具有强度高、耐腐蚀等优良特质。文章以5A06铝合金复杂盒型件为研究对象，使用Deform分析软件，对先预成形再终锻成形的等温锻造工艺进行探究。在等温锻造工艺的实际应用当中，模具温度控制在450℃左右，而5A06铝合金预制坯温度控制在约465℃。通过实际的实验探究发现，Deform作为一款有限元分析软件，可以对等温锻造成形工艺的实践研究提供重要支持，而先预成形再终锻成形的工艺，对提升锻造工艺质量有重要的作用。

关键词：5A06盒形件，等温锻造，数值模拟

近年来，我国社会经济持续发展，在很多的生产领域当中，铝合金材料的应用面越来越广。铝合金在强度、导热性、轻质性、耐腐蚀等方面都有突出的优势，所以像5A06铝合金这样的材料在我国航空、航天工程领域中得到了重用。在加工该材料时，传统的温锻工艺容易导致制作件存在缺陷。而等温锻造工艺则是基于对5A06铝合金材料特定温度及变形速率下的超塑性特点的研究，实现对模具温度的合理控制，提高锻造加工的质量。

一、试验件基本情况以及成形工艺方案

（一）试验件基本情况

本文使用的試验件的基本特征有：锻件是内部结构比较复杂的盒形件，非对称，有一端底部有凸出。锻件尺寸是320*185*76mm，底部厚度、筋高、筋宽分别为6mm、9.6mm和6mm，锻件周围的壁厚及壁高分别为6mm和76mm，除外侧拨模角为1°以外，其余的为2°。另外，经过计算，整个锻件的投影面积是49662m㎡。

（二）成形工艺方案

通常情况下，如果盒形件是常规性的形状和构造，一般可以使用反向挤压成形的方法。而本试验当中，锻造件是非对称且结构复杂的盒形件，尤其是还存在凸出的特殊构造。在该凸出部分，材料的分配、流动、反挤过程都需要针对性处理和控制，单单依靠一次性挤压成型的方式，很容易导致该部分成形质量不佳，无法达到工艺要求。所以，笔者认为可以使用两次挤压成形的方式，一方面保证该凸出位置的成形质量，另一方面保证锻造件所有外壁的高度一致且均匀[1]。

随着现代科技不断发展，计算机技术在生产工艺的研究分析中发挥着重要的作用。在锻造工艺的实践研究中，有限元分析法的应用十分重要。笔者使用Deform软件，基于前文提到的工艺研究思路，对锻造件成型过程进行有限元分析，使用等温锻造成形工艺对试验件进行加工。同时，如果使用两次等温锻造成形的工艺，需要使用逆向补偿的方法，优化预成形锻造件。通过对不同工艺方法下的锻造过程进行记录，生成450℃条件下异常等温成形盒形件的位移云图，再生成采用先预成形再终锻成形的工艺下盒形件的移云图。通过对移云图的全面分析研究，可以发现，采用一次性的等温成形盒形件，四周某方向的位移量，以及四周成形的壁高有较大的差别。当盒形件较长的一边壁高大于凹模平面，会导致较短的一面成形壁高无法到位。而采用预成形再终锻成形的方法所完成的盒形件中，四周某方向位移成形的壁高比较均匀，并且每个边壁的成形速度比较一致。另外，相对于直接一次等温成形的工艺，采用预成形再终锻成形的工艺方法，完成的锻造件质量更为出色。并且，通过对两种工艺方法下盒形件的成形压力变化曲线的研究比较，可以发现采用先预成形再终锻成形的锻造工艺中，盒形件成形所需要的最大压力比较小，这意味着该工艺下用到的设备吨位要求也比较低[2]。

二、工艺方案和锻造件性能分析

（一）模具设计

根据以上试验思路，笔者分别设计了终锻锻件凹凸模具、预锻锻件凹凸模具。在该过程中，还考虑到了通常情况下爱大型锻件在成形过程中可能面临的干扰因素，包括锻件脱模、胚料定位不准确等，做好有效的应对管控措施。另外，为了降低模具的成本消耗，还针对性设计了预锻、终锻共用模具架、顶出装置等设施[3]。考虑到铝合金等温锻造工艺下的温度要求在500℃左右，笔者使用H13热作模具钢作为模具材料，整套模具的重量为1750kg。

（二）工艺方案的验证

笔者使用20MN液压机作为试验平台，开展等温预成形试验。在该过程中，按照相关技术人员采用的优化工艺对锻造工艺参数进行设定。相关工艺参数为：模具加热温度为450℃左右，坯料的加热温度控制在460℃左右，并且所有温度变化幅度不超过10℃。同时，将预成形与终成形吨位分别设置为12MN和14MN，下压速度设定为3mm·s-1。另外，当坯料和模具接触之后，通过成形压力反馈力对模具的变形速率进行控制，而热处理工艺下低温退火参数是每4h降低220℃。

通过对直接成形工艺、预成形工艺的等温锻件的分析，可以发现，成型结果与有限元分析软件分析的结果比较类似。而直接终锻成形的锻件四周的壁高明显不平整、不均匀，先预成形再终锻成形的工艺下，盒形件的各方面参数及质量都能够达到工艺要求。

（三）锻造件的性能分析

笔者分别分析了5A06铝合金型材、锻件以及经过低温退火处理的锻件的性能，可以发现，其中5A06铝合金锻件的力学性能得到了提升，其中伸长率大幅度提升。而经过低温退火处理的锻件伸长率也有所提升，不过提升量不大。值得一提的是，5A06铝合金是一种不能通过热处理来强化的材料，而本试验中的低温退火环节，主要目的是去除锻造件内部的残余应力，并且可以稳定锻造件内部组织[4]。

另外，笔者分别从等温锻造盒形件的底部、侧壁取样，再取一份原始毛坯的样品，然后开展组织分析工作，并生成组织金相图。通过对比分析，可以发现等温锻件的侧壁组织发生了大面积细化的现象，这主要是组织再次结晶的功劳，并且内部依然保存了变形组织[5]。同时，相较于原始毛坯样品，等温锻件底部的组织有细化的现象，并且变形量相对较小。

三、结论

（一）通过本文的试验分析结果对比，可以发现实际实施的实验结果和有限元分析的结果是一致的。通过使用Deform软件的有限元分析，可以给等温锻造工艺方案的指定有重要指导意义，并且还能帮助技术人进行预锻造毛坯外形的优化工作。

（二）相较于板料机械加工盒形件的成形过程，使用5A06铝合金的力学性能更为出色，其伸长率也得到了提升。

（三）在试验中，等温锻造件的侧壁组织发生了再结晶的现象，有大面积细化的情况，并且还保留了一定的变形组织。等温锻件的地步组织比原始坯料的组织细化了很多，并且该部位的变形量也相对较小。

（四）采用先预成形再终锻成形的锻造工艺方法，所完成的锻造件无论是各方面尺寸的达标率，还是质地均匀性、强度，都有一定的优势。

结束语

综上所述，随着现代科技的不断进步，新材料及新工艺在相关领域中的应用价值越来越高。如今5A06铝合金作为一种热门的材料，受到锻造工艺的不同，成形件的质量也有所差异。本文通过试验对比分析，证明了先预成形再终锻成形的锻造工艺模式，对提高锻造件各方面质量有较为明显的作用，值得相关产业参考使用。

参考文献

[1]刘奇，李保永，郭晓琳， 等.5A06铝合金复杂盒形件等温锻造工艺研究[J].锻压技术，2017，42（6）：16-20.

[2]余永新，肖代红，周鹏飞， 等.等温复合锻造工艺对2A14铝合金轮毂组织与力学性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程，2019，24（1）：45-51.

[3]杜之明，靳钰，韩飞， 等.基于SIMA法的铝合金复杂构件触变锻造成形技术[J].精密成形工程，2020，12（3）：20-28.

[4]王波伟，唐军，曾卫东， 等.TC17合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟及工艺参数影响[J].锻压技术，2017，42（6）：7-11，50.

[5]黎运宇.基于DEFORM 3D的凸轮等温锻造工艺数值模拟[J].热加工工艺，2017，46（19）：136-138.