牛海俠，張 瓊

筒形鋁合金件半固態(tài)觸變成形過程有限元分析

牛海俠，張 瓊

（安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

以圓筒形A357鋁合金件為研究對(duì)象，通過創(chuàng)建幾何模型、物理模型和有限元模型，運(yùn)用DEFORM有限元仿真分析軟件，對(duì)其半固態(tài)觸變成形過程進(jìn)行了有限元分析與模擬，獲得在不同變形條件下的密度，并從中發(fā)現(xiàn)了其變化規(guī)律，為鋁合金半固態(tài)觸變成形的研究提供技術(shù)支持。

半固態(tài)觸變成形；鋁合金；有限元分析；DEFORM

半固態(tài)金屬成形技術(shù)相比傳統(tǒng)熱加工和塑性變形具有很多優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)已在汽車零件制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類鋁合金半固態(tài)坯料的制備方法進(jìn)行了大量研究[2-4]，并在常用的重熔再結(jié)晶方法（RAP）和應(yīng)變誘導(dǎo)熔體激活（SIMA）法的基礎(chǔ)上提出了新型的坯料制備方法[2-7]。

半固態(tài)成形技術(shù)充分利用金屬材料在半固態(tài)溫度區(qū)間特殊的微觀組織和成形性能，能夠在較低的成形載荷下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的高效近凈成形，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于提高金屬材料的利用率、延長模具的壽命以及實(shí)現(xiàn)綠色加工和節(jié)能減排等方面具有重要的作用[8]。

研究鋁合金半固態(tài)坯料在感應(yīng)加熱過程中的組織演變規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件近凈成形，對(duì)圓筒形鋁合金件的半固態(tài)觸變成形過程進(jìn)行有限元分析與模擬，能夠更直觀和深入研究鋁合金半固態(tài)觸變成形的變形過程，幫助研究人員進(jìn)一步優(yōu)化模具設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，制定生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，更好地把握產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，以及更好地了解各參數(shù)間的相互影響規(guī)律。因此，半固態(tài)成形的有限元分析與模擬尤為重要。

實(shí)際的半固態(tài)加工變形包含非常復(fù)雜的變化過程，主要是熱力耦合的剛-粘塑性變形過程。在半固態(tài)的觸變成形過程中，和塑性變形量相比較，彈性變形量非常小，可以忽略不計(jì)。在本文中把鋁合金A357看成是剛-粘塑性有限元模型。DEFORM有限元仿真分析軟件提供了145種材料的流動(dòng)應(yīng)力模型。本文采用的流動(dòng)應(yīng)力模型的形式是：

這個(gè)應(yīng)力應(yīng)變模型需要以表格的形式輸入，并且，應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)需要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量，以獲得A357鋁合金材料在不同的溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系。

本文通過等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)得A357鋁合金在568、574、580℃的溫度下，在不同的應(yīng)變速率下的真應(yīng)力——真應(yīng)變關(guān)系曲線來創(chuàng)建A357的流動(dòng)應(yīng)力模型。將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入到軟件的前處理系統(tǒng)，并運(yùn)用log-log空間線性差值分析方法構(gòu)建材料的流動(dòng)應(yīng)力模型。

1 幾何模型的建立

運(yùn)用UG三維造型軟件，創(chuàng)建模具和坯料的實(shí)體模型。本設(shè)計(jì)是為了分析材料在模具中的變形和流動(dòng)情況，因此，只設(shè)計(jì)了凸模和凹模的實(shí)體模型。設(shè)計(jì)完成，將零件保存為stl格式。下一步，將三維模型導(dǎo)入DEFORM軟件，通過前置處理器輸入接口得到三維實(shí)體模型，將坯料模型劃分網(wǎng)格，在筒壁和底部連接處增加網(wǎng)格數(shù)量，以便在受力分析過程中能夠得到更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。在整個(gè)有限元觸變模擬中，由于凸模、凹模的受力變形比較小，不考慮凸模和凹模的受力和變形變化。因此，把凸模、凹模定義為剛體，把坯料定義為多孔材料的偽塑性體。這樣，在DEFORM軟件中，就把坯料、凸模、凹模的幾何模型創(chuàng)建成功。

接下來，要定義坯料、凸模、凹模之間的空間位置關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)設(shè)計(jì)，將凸模定義為主動(dòng)件，在機(jī)床滑塊的帶動(dòng)下能夠上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料的擠壓成形。由于凹模裝配在機(jī)床的工作臺(tái)上，因此，將其定義為靜止不動(dòng)。坯料作為從動(dòng)件，在凸模和凹模的共同作用下實(shí)現(xiàn)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。本模擬中，定義的坯料、凸模和凹模都是軸對(duì)稱零件。

通過DEFORM軟件主要模擬了坯料觸變成形過程中相對(duì)密度的變化情況，然后分析研判，得到筒形件觸變成形中的密度變化規(guī)律，并為筒形件密度不均勻的問題提供解決方案。

2 物理模型的建立

模擬中所需要的物理模型主要包括坯料的材料性能、觸變成形溫度、凸模與凹模和坯料之間的摩擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。半固態(tài)A357鋁合金的材料的性能問題是定義其本構(gòu)方程。半固態(tài)成形的模擬結(jié)果是否精準(zhǔn)，主要取決于材料的本構(gòu)方程能否正確地描述材料在半固態(tài)下的變形行為。其方程如下：

薄守生、董照輝（2007）在考察了生態(tài)語言學(xué)的一些研究之后,從語言多樣化、瀕危語言、國家發(fā)展模式、普通話推廣、不可知論等五個(gè)方面進(jìn)行了論述。金志茹等（2009）綜合國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)語言的發(fā)展現(xiàn)狀，分析國外關(guān)于網(wǎng)絡(luò)語言的政策和措施,提出對(duì)待網(wǎng)絡(luò)語言的規(guī)范化問題。沈藝虹（2004）、孫輝（2010）從網(wǎng)絡(luò)語言規(guī)范化角度對(duì)相關(guān)語言政策進(jìn)行了論述。

（1）微分平衡方程或運(yùn)動(dòng)方程

（2）速度和應(yīng)變速率關(guān)系(協(xié)調(diào)方程)

（3）應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系

（4）屈服準(zhǔn)則

（5）體積不可壓縮條件

（6）邊界條件

在力面S上：

在速度面S上：

要準(zhǔn)確地模擬A357鋁合金的半固態(tài)觸變行為，還需要?jiǎng)?chuàng)建合理的摩擦模型。金屬在半固態(tài)下變形，應(yīng)變量比較大，變形溫度也高，相對(duì)來說，材料的摩擦力比較大，屈服力相對(duì)較小。凸模、凹模和坯料之間的摩擦關(guān)系采用剪切摩擦，其模型如下：

式中：為剪切應(yīng)力；為剪切屈服強(qiáng)度。

在DEFORM的前處理器中建立幾何模型和物理模型后，通過設(shè)定各項(xiàng)控制參數(shù)后就可以利用求解器進(jìn)行計(jì)算求解。求解過程中，DEFORM可以自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格重劃，以優(yōu)化參數(shù)，得到更加精確的解。求解結(jié)束后，用后處理器導(dǎo)出結(jié)果，進(jìn)行分析和判斷。

3 有限元網(wǎng)格劃分

考慮半固態(tài)鋁合金A357的材料性能和模擬分析要求，將材料的初始密度定義為0.960；模具與坯料之間的摩擦系數(shù)定義為0.4；應(yīng)用Absolute法劃分網(wǎng)格，單元體的最小尺寸為1.3 mm；尺寸比為3，單元體的個(gè)數(shù)為18 692，步數(shù)為450步，步長為0.1 mm。

有限元模擬的觸變成形過程中，網(wǎng)格的變化情況如圖1所示。由圖可以看出，在模擬的過程中，出現(xiàn)了網(wǎng)格細(xì)化的情況，這是因?yàn)樵贒EFORM的前處理器中，設(shè)置了局部網(wǎng)格細(xì)化，系統(tǒng)將自動(dòng)重畫網(wǎng)格，在變形復(fù)雜的地方網(wǎng)格比較密，這樣就提高了模擬結(jié)果的精確度。

圖1 觸變過程中的網(wǎng)格變化

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 觸變成形過程中的相對(duì)密度變化

流體力學(xué)中所謂的不可壓縮通常指流體的密度是恒定的。然而在半固態(tài)凝固過程中，液固相密度還是有微小的差異的。半固態(tài)時(shí)，密度隨著溫度的變化而變化，亦會(huì)隨著凝固過程中的壓力的大小而產(chǎn)生差異，如圖2所示。因此，在有溫度梯度下的流動(dòng)不完全是恒密度流動(dòng)。導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等都是當(dāng)?shù)販囟鹊暮瘮?shù)，這是因?yàn)槟虆^(qū)內(nèi)的介質(zhì)既非單純的液相介質(zhì)，又非單純的固相介質(zhì)，可以認(rèn)為凝固區(qū)內(nèi)的密度隨溫度是線性變化的[9]：

圖2 密度隨溫度的變化趨勢(shì)

根據(jù)上述原理，研究了半固態(tài)觸變成形過程中相對(duì)密度的變化情況：

（1）壓力恒定為100 MPa時(shí)，坯料的高度分別為35、40、45、50、60 mm，得到的相對(duì)密度的變化如圖3所示。

由圖3可以看出：壓力增大，坯料各處的相對(duì)密度都增加，且在觸變成形初期增加的最快；隨著壓力的不斷增加，1、3點(diǎn)區(qū)域的相對(duì)密度增加比較快，在很短的時(shí)間就達(dá)到幾乎穩(wěn)定的狀態(tài)；而2點(diǎn)增加的比較緩慢。但是隨著壓力的增加，此點(diǎn)的相對(duì)密度最后超過1點(diǎn)，幾乎和3點(diǎn)相同；隨著坯料高度的增加，2點(diǎn)的相對(duì)密度增加的越來越緩慢?？梢?，增加坯料的高度，對(duì)2點(diǎn)的影響比較大，使其相對(duì)密度越來越小，成形件的致密性越來越差。

（2）坯料的高度35 mm時(shí)，壓力分別為60、80、100、120、140 MPa，得到的相對(duì)密度的變化如圖4所示。

由上組圖看出：施加的壓力增加，筒各處的相對(duì)密度都有所增加。并且在很短的時(shí)間內(nèi)，2、3、4點(diǎn)處的相對(duì)密度達(dá)到了最大值。在隨后的觸變成形過程中，變化不再明顯；1的相對(duì)密度也是隨著壓力的增加逐漸增大，但是整體的變化過程比較緩慢，還有一定的保持階段，在觸變成形結(jié)束后，此處的相對(duì)密度仍低于其它點(diǎn)的值；2、3、4點(diǎn)區(qū)域的最大相對(duì)密度在很小的壓力下(120 MPa)就達(dá)到0.999，而對(duì)1點(diǎn)來說，即使壓力增大（140 MPa），最大相對(duì)密度值也僅從0.987增大到0.998；在半固態(tài)觸變成形筒形件時(shí)，需要適當(dāng)增大壓力以使側(cè)壁與底部的相對(duì)密度一致；模具施加壓力的大小對(duì)筒形件側(cè)壁的相對(duì)密度影響較大。因此，對(duì)觸變成形件的性能也有較大的影響。為使筒形件的筒壁與底部有相同的性能，需要采用局部加載的方式以獲得較好的成形效果。

4.2 筒形件筒壁與底部密度差的減小

通過以上的模擬結(jié)果可以看出，筒形件的筒壁與底部之間存在相對(duì)密度的差異，為了減小這些差異，使零件相對(duì)密度一致，筒壁的相對(duì)密度值增大，采用局部加載的方式將會(huì)很好地解決這一問題。其示意圖如圖5所示。

圖5 觸變模鍛局部加載示意圖

圖6是數(shù)值模擬的結(jié)果，可以看出采用局部加載后筒壁的相對(duì)密度值幾乎達(dá)到1.000，整個(gè)成形件的密度比較均勻一致。因此，數(shù)值模擬證實(shí)：采用局部加載這一措施可以減小密度差異。本方法正確、可行。

圖6 局部加載后數(shù)值模擬的相對(duì)密度值

5 結(jié)論

通過有限元模擬半固態(tài)A357鋁合金筒形件的觸變成形過程，得出其相對(duì)密度的變化規(guī)律：筒形件的筒壁與底部之間存在相對(duì)密度的差異。為了減少密度差異，增大筒壁的相對(duì)密度值使零件相對(duì)密度一致，采用局部加載的方式解決了這一問題。

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Finite Element Analysis of Semi-solid Thixoforming Process of Cylindrical Aluminium Alloy

NIU Hai-xia, ZHANG Qiong

（School of Mechanical Engineering, Anhui Sanlian University, Hefei 230601, China）

Taking the cylindrical A357 aluminum alloy as the research object, through the creation of geometric model, physical model and finite element model, DEFORM finite element simulation analysis software used, the semi-solid thixoforming process of A357 aluminum alloy is analyzed and simulated by finite element method, and the density under different deformation conditions is obtained, and the change rule is found out, which provides technology for the research of semi-solid thixoforming of aluminum alloy.

semi-solid thixoforming; aluminum alloy; finite element analysis; DEFORM

TG146.3

A

1674-3261(2020)04-0240-06

10.15916/j.issn1674-3261.2020.04.007

2019-07-08

安徽省教育廳高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2019A0892）；安徽三聯(lián)學(xué)院科研基金重點(diǎn)課題（KJZD2018007）

牛海俠(1979-)，女，山東菏澤人，副教授，碩士。

責(zé)任編校：劉亞兵