7075鋁合金直齒圓柱齒輪半固態(tài)擠壓成形數(shù)值模擬

7075鋁合金直齒圓柱齒輪半固態(tài)擠壓成形數(shù)值模擬

目前，采用傳統(tǒng)的切割加工方法，直接齒圓柱齒輪的主要生產(chǎn)方法為采用傳統(tǒng)的切割加工方法。該方法生產(chǎn)效率低、浪費(fèi)原材料,生產(chǎn)成本較高與經(jīng)濟(jì)效益低,并且在加工時(shí)齒形部分的纖維被切斷,使齒輪的強(qiáng)度不高,影響其承載能力,難以滿足汽車和機(jī)械工業(yè)發(fā)展的需要。半固態(tài)成形技術(shù)以其相對于傳統(tǒng)加工工藝的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)和近凈成形的特點(diǎn)在近30年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。半固態(tài)成形與普通鑄造成形工藝相比,變形溫度較低,可以明顯延長模具的使用壽命,同時(shí)可提高制件精度與生產(chǎn)效率,并且制件可獲得相對較高的綜合力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的固態(tài)金屬塑性加工工藝相比,半固態(tài)金屬屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?且流動(dòng)性極好,可在相對較小的成形壓力作用下充填模具型腔,從而達(dá)到制件的最終形狀,且其表面粗糙度較小,并可一次成形具有復(fù)雜形狀的制件。齒輪的半固態(tài)精密成形的研究在國內(nèi)還不多,其計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬成形過程至今未見報(bào)導(dǎo),因此,齒輪的半固態(tài)精密成形研究具有重要的理論及實(shí)用價(jià)值。正是由于半固態(tài)成形生產(chǎn)效率高、材料利用率高、力學(xué)性能較好等特點(diǎn),本文采用半固態(tài)成形技術(shù)對直齒圓柱齒輪的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,研究半固態(tài)鋁合金在擠壓成形過程中模具內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,以期為齒輪半固態(tài)擠壓成形的工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的優(yōu)化打下基礎(chǔ),也為探討其他零件半固態(tài)成形過程的數(shù)值模提供參考。1元模型的構(gòu)建1.1t6熱處理法本文以航空機(jī)械中一種重要齒輪材料7075(LC9)鋁合金為研究實(shí)例。該合金在T6熱處理工藝條件下,其屈服強(qiáng)度可達(dá)505MPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)570MPa,伸長率11%,接近于鋼鐵材料。該合金材料的主要性能參數(shù)及其液相比與溫度之間的關(guān)系分別如表1和圖1所示。1.2維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換幾何模型是在Pro/E軟件中分別建立坯料、模具和壓頭的三維實(shí)體模型,得到‘·prt’格式的模型文件,然后轉(zhuǎn)換輸出成‘·stl’格式的文件。再通過DEFORM-3D前處理器中的模型輸入接口得到有限元軟件中的三維實(shí)體模型,如圖2所示。1.3半固體材料模型物理模型的建立涉及包括坯料的材料特性、成形溫度、模具和材料之間的摩擦關(guān)系等方面。半固態(tài)金屬成型過程是一個(gè)非常復(fù)雜的熱力耦合剛粘塑性變形過程。坯料的材料特性主要就是定義其本構(gòu)關(guān)系,即半固態(tài)7075合金的材料本構(gòu)方程。已有研究表明,半固態(tài)金屬材料在塑性變形過程中具有應(yīng)變速率敏感性,因此其流變應(yīng)力可以表達(dá)為:式中:ε為變形速率;σ為流變應(yīng)力;Q為變形激活;T為變形溫度;R為氣體常數(shù);n為應(yīng)力指標(biāo);A為常數(shù)。本文采用田文彤的半固態(tài)材料模型,該模型考慮了固相與液相之間的相互作用,用連續(xù)多孔體本構(gòu)方程描述固體骨架的變形行為,用達(dá)西定律描述液體的流動(dòng),并將二者耦合,以Martin等人的充滿液體的粘塑性本構(gòu)方程為基本框架,推導(dǎo)出半固態(tài)下LC4鋁合金粘塑性本構(gòu)方程為:其中:Q為變形激活能;α、β為材料常數(shù);n為應(yīng)變速率敏感性指數(shù);A(fs)為固相體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。相關(guān)物理參數(shù)選取如下:n=4.2;Q=249kJ/mol;α=0.043MPa-1;lnβ=29.1;A(fs)=3/(fs)11.8。毛坯材料為7075鋁合金,Deform-3D材料庫中有其對應(yīng)材料的流動(dòng)應(yīng)力模型供選用。模具和坯料之間的摩擦關(guān)系采用剪切摩擦模型,為式中:f為摩擦力;mf為摩擦因子;k為材料的剪切屈服應(yīng)力。坯料與沖頭和模具的之間的摩擦系數(shù)選取0.25。由圖1所示可知,7075鋁合金兩相區(qū)溫度為520~635℃;在兩相區(qū)溫度內(nèi),半固態(tài)溫度越高,合金的液相率越高,金屬的流動(dòng)性越好。因此坯料模擬成形溫度選取600℃,此時(shí)坯料液相比為30%~50%。對于半固態(tài)材料,目前比較典型的說法是把其看做是多孔性的金屬材料,固相顆粒部分相互接觸且液相充滿晶間空間。因此將毛坯設(shè)置為多孔性金屬材料,沖頭和模具設(shè)置為剛性體。2網(wǎng)格重畫優(yōu)化在Deform-3D的前處理器中建立好幾何模型和物理模型(包括材料的材料特性、成形溫度、模具和坯料之間的摩擦關(guān)系等)以后,設(shè)定各種控制參數(shù),如非線性方程迭代解法、增量步長、網(wǎng)格重畫控制參數(shù)等等,同時(shí)保存好數(shù)據(jù)庫文件,然后就可用求解器進(jìn)行計(jì)算求解了。求解過程中Deform-3D可自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格重畫。求解結(jié)束后可用后處理器分析計(jì)算結(jié)果。2.1階段金屬流動(dòng)速度的模擬結(jié)果半固態(tài)7075鋁合金在所設(shè)計(jì)的模具中觸變成形可分為兩個(gè)階段:第一階段是金屬坯料從擠壓筒進(jìn)入尺寸略小的圓柱孔,直至完全充滿;第二階段為金屬在所設(shè)計(jì)的型腔內(nèi)擠壓成型。圖3所示為7075鋁合金觸變成形第一階段金屬流動(dòng)速度場的數(shù)值模擬結(jié)果。為了分析該階段金屬在型腔中的流動(dòng)速度情況,對變形體進(jìn)行了垂直剖分。金屬在此階段的成型其實(shí)是軸對稱擠壓成形。從圖3可以看到,流動(dòng)金屬在擠壓筒內(nèi)靠近模具出口端的地方存在一個(gè)近似扇形的劇烈變形區(qū)和一個(gè)金屬基本不流動(dòng)的“死區(qū)”。這個(gè)“死區(qū)”可以使坯料表面的氧化皮殘留在擠壓筒內(nèi),以防止氧化皮進(jìn)入制品內(nèi)部,因而是有利的。圖4所示為7075鋁合金觸變成形第二階段金屬流動(dòng)速度場的數(shù)值模擬結(jié)果,仍對變形體進(jìn)行垂直剖分。從圖4(a)可以看到,金屬坯料的中心流動(dòng)速度最快,處于齒腔內(nèi)的金屬流動(dòng)速度次之,與模齒接觸的部分金屬流動(dòng)速度最小。隨著擠壓的不斷進(jìn)行,金屬坯料的各個(gè)部分的流動(dòng)速度趨于一致,如圖4(b)所示。當(dāng)流動(dòng)金屬的前端接觸模具型腔的下底面時(shí),金屬被下底面限制只能向四周流動(dòng),因而在下底面中心部位形成一個(gè)近似圓錐形突起的“新死區(qū)”,如圖4(c)所示。2.2擠壓力波動(dòng)影響成形過程中隨著金屬變形程度的增加,擠壓載荷也隨著逐漸增加,在最終成形時(shí)達(dá)到最大。由壓力-行程曲線圖5的分布可以看出,擠壓剛開始,擠壓力急劇增加,此時(shí)坯料正通過圓柱孔;當(dāng)金屬填充滿圓柱孔時(shí),即擠壓進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),擠壓力趨于平穩(wěn);隨后金屬進(jìn)入模具型腔開始成形過程,變形受阻,擠壓力增大,然后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),擠壓力波動(dòng)比較小;當(dāng)流動(dòng)金屬的前端接觸模具型腔的下底面時(shí),需要更大的壓力使金屬向四周流動(dòng),因此擠壓力持續(xù)增大,直至成形完成。2.3充分反映模擬結(jié)果圖6為齒輪半固態(tài)充形的模擬結(jié)果。可見,齒輪齒形填充飽滿、棱角分明,模擬成形效果良好。3模擬分析結(jié)果(1)利用Deform3D有限元模擬軟件進(jìn)行直齒圓柱齒輪半固態(tài)擠壓成形過程的數(shù)值模擬,獲得了變形過程中的流動(dòng)速度場和壓力-行程曲線,分析了金屬流動(dòng)的規(guī)律。模擬分析結(jié)果表明