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铝合金端架数值模拟及成形研究
机载雷达端架不仅对服役性能要求十分严苛,并且其对成形条件十分敏感、成形质量控制极为困难。以雷达端架为代表的复杂构件形性双控成形,是制造领域极具挑战性的前沿问题,因此亟需发展高质量构件高性能精密成形方法。

零件结构分析

图1为雷达端架的三维模型。该端架材料为7系铝合金,形状类似簸箕形,中间凹陷深度约50mm,三边及底部厚度约18mm,整体轮廓尺寸约280mm×160mm×100mm。其中成形难点在于需要保证端架的强度,且各边尺寸需达到要求,尽量减少锻造后的加工工序。同时从图中可以看出,端架为左右不对称结构,可以采用反挤工艺成形,将模腔设计成一定的倾斜角度,平衡工件不对称带来的侧向力,避免成形时产生的侧向力对模具造成损坏。

有限元模型建立

利用DEFORM-3D有限元软件模拟研究端架塑性变形过程中金属流动的特点和变形的规律。建立如图2所示的反挤模型,模具默认为刚体,端架的材料选用材料库中的7075铝合金。坯料设计成如下两种方案,第一种是长方体坯料,坯料形状较常规,如图2(a)所示。第二种坯料形状是类似端架的五面体,如图2(b)所示。坯料贴合凹模内壁放置。

模拟中定义模具与坯料之间采用剪切摩擦模型,摩擦因子为0.2,下压速度2mm/s,下压量为50mm,坯料与模具温度为200℃。通过反挤来实现端架的塑性成形,保证工件的形状和尺寸。

模拟结果及分析

图3为不同坯料形状成形模拟结果图。其中图3(a)为长方体坯料成形模拟图。由模拟结果可以看出,长方体坯料成形后边缘处充填效果不好,存在充填不满区域,位置已在图中标出。图3(b)是五面体坯料成形模拟图。从图中可以看出,端架成形不存在上述缺陷问题,充填效果良好。两者相比,可采用五面体坯料进行后续的模拟和试验。

图4为五面体坯料成形过程中的载荷-行程曲线。主要分为四个阶段:第一阶段,坯料和上冲头刚接触,载荷迅速增加至150吨左右;第二阶段,坯料与冲头接触面积逐渐增大,载荷平稳上升;第三阶段,坯料向难充填区域流动,载荷迅速上升至700多吨;第四阶段,坯料向外流动,载荷基本保持平稳。

图5为各个阶段坯料的流动速度图。根据载荷-行程曲线将其分为四个过程。由图可以看出,第一阶段,坯料开始与冲头接触阶段,接触区域周围坯料向上流动,而前端坯料向前流动;第二阶段,坯料流动情况与前面相似,但因前端没有约束,流动速度较快;第三阶段,坯料基本成形完成,整体流动速度加快;第四阶段,多余金属向外流动,整体流动速度较均匀。

图6为成形过程中的等效应变图。第一阶段,坯料和上冲头刚接触,坯料与冲头圆角接触部分等效应变增加较快,其他部分基本保持为零;第二阶段,冲头与坯料接触面积逐渐增大,圆角部分等效应变依旧最大,其余少部分区域等效应变缓慢上升;第三阶段,坯料基本成形完成,冲头圆角区域等效应变最大,其他区域等效应变缓慢上升;第四阶段,多余金属向外流动,等效应变基本无明显变化。整个成形过程中等效应变的平均值为1,最大值4.37。虽然应变最大值较大,但由于采用反挤工艺和倾斜放置坯料的方法,成形过程中没有出现裂纹等缺陷。

图7为各个阶段坯料的等效应力分布图。由图可以看出,第一阶段,坯料开始与冲头接触阶段,接触部分等效应力上升,其余部分应力较小;第二阶段,随着接触面积的增大,等效应力变化区域增大,但数值基本不变;第三阶段,坯料基本成形完成,等效应力分布均匀;第四阶段,多余金属向外流动,流动区域等效应力较小,其他区域应力分布均匀。在成形过程中,应力平均值为71.3 MPa,成形效果较好,对模具寿命影响较小。

试验验证

使用1000t多向模锻液压机进行端架构件试验。试验前将坯料和凸模等表面涂上石墨润滑剂并烘干,将凸模和凹模合模后在加热圈中加热至200℃并保温30min,坯料采用高温炉加热至200℃并保温30min。在调试好模具后进后进行试验,试验结果如图8所示。锻件尺寸符合要求,模具结构合理。

结论

⑴利用有限元仿真对机载雷达端架成形性进行分析,通过不同的方案模拟最终选择五面体坯料,为试验提供指导。
⑵通过有限元模拟端架成形过程,分析应力应变等规律,可确定该锻造过程合理,无裂纹等缺陷,对模具影响较小。通过此次试验也可为同类型构件提供一定的参考。

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