机械制造工艺学模拟实验(哈尔滨工业大学姜巨福教授：AlSi7Mg半固态触变模锻数值模拟及试验验证)

20世纪90年代，MERTONCF发明了半固态加工技术，其包含了触变成形和流变成形,该工艺具有成本低、能耗低和模具寿命长等特点。半固态成形的工件不仅缺陷少，而且成分、组织以及性能均匀，能够实现近净成形。目前，该技术已在交通运输、航空航天和其他工业领域得到应用。数值模拟在半固态成形中能够对工艺参数优化提供参考。

哈尔滨工业大学姜巨福教授研究团队对坯料温度、模具温度以及模具速度对AlSi7Mg合金半固态触变成形工艺的影响进行数值模拟，得到最佳的成形工艺参数，并将固态模锻与半固态触变模锻进行比较，最后采用优化的工艺参数进行半固态触变模锻工艺验证，旨在为数值模拟应用于实际生产提供参考。

作者简介

[姜巨福]

姜巨福，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，工学博士。英国莱斯特大学(UniversityofLeicester)国家公派访问学者1年，合作老师是英国皇家工程院副院长、皇家工程院院士、莱斯特大学工程系主任H.V.Atkinson教授。现为国际合金及其复合材料半固态加工科学委员会执委、中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会塑性加工分会半固态加工论坛学术委员会主任、“特种铸造及有色合金”杂志编委、Materials期刊编委、有色金属科学与工程和中国有色金属学报（中英文版）首届青年编委。在ActaMaterialia、ScriptaMaterilia等期刊发表学术论文156篇，其中SCI收录88篇，EI收录101篇；论文被NatureCommunications等期刊国内外他引2900余次；申请国家发明专利37项（其中已授权28项，成功转化2项）。撰写专著1部，科学出版社出版，67.3万字。作为组委会成员或科学委员会委员参与组织第十四届、第十五届、第十六届和十七届合金及复合材料半固态加工国际会议，参加国际、国内学术30余次，作大会报告6次，分组报告20余次；担任大会主持人3次，分会主持人7次。主持国家自然科学基金项目6项（重点、面上、青年）、国家重点研发计划课题2项、JKW基础加强重点项目子课题及其他省市及企业横向项目16项。获得国家技术发明二等奖1项，省部级奖励5项。研究成果为航天、兵器、汽车和5G通讯等领域内某新型导弹支架、某新型导弹继电器壳体、某新型坦克轮毂、大马力发动机飞轮壳、5G通讯滤波器壳体等复杂高性能轻合金构件的成形制造提供关键技术支撑，部分产品实现中试和批量生产。

【图文内容】

利用UG软件绘制出上模、下模和坯料，坯料尺寸为?60mm×37mm。图1为上模、下模和坯料的1/4模型，为了减少计算量，后续将使用1/2模型进行模拟。半固态坯料为刚、粘塑性体材料，上、下模为刚体材料。坯料温度分别设定为581、584、588、593和599℃,下模温度分别设定为250、300、350和450℃。

图1上、下模及坯料模型图

图2坯料示意图

1.翻边区2.坯料台阶3.坯料小平台4.坯料大平台5.坯料端面边部充填区

图3不同下模温度下坯料的温度场图

图4不同下模温度下的坯料温度变化

图5不同模具温度下坯料的等效应变分布图

图6坯料平均等效应变量随下模温度变化图

可以看出，平均等效应变量随下模温度上升而不断减小。在250～350℃下降较慢，而在350～450℃下降较快。下模温度对坯料温度的影响较大，而坯料温度直接影响其自身的固相率，进而对自身的应力-应变关系和变形机制产生影响。在其他条件不变时，随着下模温度上升，截面处的剪切带逐渐消失，表明由塑性变形主导的变形逐渐转变为半固态触变成形。因此450℃是合理的下模温度。

图7不同下模温度下坯料的等效应力分布图

图8不同下模温度下坯料的等效应力变化

图9不同坯料温度下的温度场图

图10不同坯料温度下温度场变化图

图11不同坯料温度下的等效应变分布图

图12平均等效应变随坯料温度变化图

图11和图12分别为不同坯料温度的等效应变分布图以及平均等效应变随坯料温度变化图。直方图中的等效应变均值未见明显规律。可以看出，581℃时的平均等效应变最低，只有0.555%,说明此时坯料最容易变形。但是由于其温度过低，难以保持在半固态区间进行加工。593℃时的平均应变高于581℃,为0.555%,但是低于其他几个温度的。由于本试验中成形件形状较为简单，变形能力并不是最优先考虑的，主要考虑不同参数对于等效应力大小的影响，因此需要比较各参数下应力值再确定最佳工艺参数。

图13不同坯料温度下的等效应力分布图

图14平均等效应力随坯料温度变化图

图15不同上模速度下温度场及温度变化图

图16不同上模速度时等效应变分布及平均等效应变变化图

图17不同上模速度的等效应力分布及平均等效应力变化图

图18高温固态模锻与半固态触变模锻的温度场图

两者的坯料端面边部均出现了较高的应力分布，说明两者的边角处变形抗力较大，边角的变形抗力大与此处的快速散热紧密相关。从图19d可以看出，随着坯料温度升高，从高温固态模锻转向半固态触变模锻后，等效应力明显下降。坯料的等效应力越低，变形所需的成形力越小，因此半固态模锻的所需的设备挤压力明显小于高温固态模锻的。

图19高温固态模锻与半固态触变模锻的等效应力分布图

图20高温固态模锻与半固态触变模锻的等效应变分布图

图21不同坯料温度时的载荷-位移图

图22593℃的实物图、边部金相组织和应力-应变曲线

【研究结论】

(1)不同模具温度、坯料温度和模具速度对温度场的分布规律没有影响，由心部向表面温度逐渐降低，另外翻边区温度较高。坯料温度的上升和模具速度的上升能够降低工件的成形力，而以上因素对于应变并没有明显的影响。

(2)通过对半固态触变模锻的数值拟，得到了模具温度、坯料温度以及模具速度对模锻的影响。综合考虑温度场的分布、变形过程中应力的大小、应变的均匀性和成形过程中坯料的固相率因素等，发现当模具温度为450℃,坯料温度为593℃,上模速度为15mm/s时能够得到成形良好的工件。

(3)半固态触变模锻相比于高温固态模锻需要的成形力更小，并且半固态触变模锻的温度分布加均匀，能够提供更大的应变量。

(4)在最佳工艺参数下，工件成形良好。成形件的显微组织具有明显的半固态组织特征。其屈服强度为98.9MPa,抗拉强度为175.9MPa,伸长率为6.52%。

【文献引用】

董健,姜巨福,王迎,等.AlSi7Mg半固态触变模锻数值模拟及试验验证[J].特种铸造及有色合金,2023,43(6):768-777.

DONGJ,JIANGJF,WANGY,etal.NumericalsimulationandexperimentalverificationofAlSi7Mgsemi-solidthixotropicdieforging[J].SpecialCasting&NonferrousAlloys,2023,43(6):768-777.

如需本文原文，可联系编辑部！