De ontwerptekeningen van op maat gemaakte aluminiumlegering smeedstukken moeten nauw worden geïntegreerd met de kenmerken van het smeedproces om vormproblemen, matrijsverlies of prestatiegebreken veroorzaakt door een onredelijk structureel ontwerp te voorkomen. Het volgende is een analyse van de structurele elementen, maattoleranties, procesidentificatie en andere afmetingen in combinatie met de aluminiumlegering smeedstuk kenmerken:
I. Procesaanpasbaarheid van structureel ontwerp
1. Extreme structurele kenmerken vermijden
| Taboe structuur | Risicomanifestatie | Verbeterplan |
| Diep gat (gatdiepte / gatdiameter > 5:1) | Stempel buigt en breekt gemakkelijk, en de gatwand is niet volledig gevuld | Gebruik een getrapt gat voor segmentvorming om een toerekening voor later boren te reserveren |
| Hoge rib (ribhoogte / wanddikte > 3:1) | Metaalstroom is geblokkeerd en het ribgedeelte heeft een gebrek aan vulling | Getrapt ribontwerp om de overgangshelling te vergroten |
| Dunne wand (wanddikte < 2 mm) | Snel afkoelen tijdens het smeden, gemakkelijk te vouwen | Gedeeltelijke verdikking tot 3-4 mm, daaropvolgende bewerking dunner maken |
Voorbeeld: De ontwerptekening van een aluminium legering motorhuis heeft een Φ10 mm diep gat (gatdiepte 55 mm). De stempel was zwaar versleten tijdens het smeden, dus werd deze later veranderd in een Φ10 mm×30 mm blind gat +Φ8 mm×25 mm getrapt gat. De kwalificatiegraad voor vorming werd verhoogd van 40% naar 92%.
2. Gedifferentieerd ontwerp van afschuining
Overeenkomstige hoeken van legeringsseries:
6 series (6061/6082): buitenwand 5°-7°, binnenwand 7°-10° (goede plasticiteit, iets kleinere hoek);
7 series (7075/7A04): buitenwand 7°-10°, binnenwand 10°-15° (sterke afschrikneiging, hoek moet worden vergroot om vastlopen te voorkomen);
2 series (2024/2A12): buitenwand 6°-8°, binnenwand 8°-12° (vermijd ontvormingsscheuren veroorzaakt door een te kleine hoek).
Structurele optimalisatie: Voor diepe holtestructuren (zoals batterijbehuizingen) wordt een variabele hoekontwerp gebruikt: 10° voor het bovenste gedeelte, 8° voor het middelste gedeelte en 5° voor het onderste gedeelte, met een uitwerpmecanisme om het ontvormen te ondersteunen.
3. Mechanische matching van afrondingsradius
Berekening van de minimale afrondingsradius (Rmin):
Rmin = 0,2× wanddikte + 2 mm (van toepassing op 6 series);
Rmin = 0,3× wanddikte + 3 mm (van toepassing op 7 series / 2 series).
Voorbeeld: Voor 7075 smeedstukken met een wanddikte van 5 mm moet de hoek R ≥0,3×5+3=4,5 mm zijn om spanningsconcentratiescheuren te voorkomen wanneer R＜3 mm.
Behandeling van speciale onderdelen: Elliptische overgang wordt gebruikt bij de verbinding tussen ribben en webben (de lange as is langs de metaalstroomrichting), zoals het ontwerp van R8×R12 elliptische afronding bij de verbinding van de ribben van een bepaalde beugel om het risico op smeedvouwen te verminderen.
II. Maattolerantie en ontwerp van bewerkingsmarge
1. Smeedprocesaanpassing van tolerantieband
Lineaire maattolerantie (zie GB/T 15826.7-2012):
| Maatbereik (mm) | 6 Series Normale Nauwkeurigheid (mm) | 7 Aeries Precisiegraad (mm) |
| ≤50 | ±0,5 | ±0,3 |
| 50-120 | ±0,8 | ±0,5 |
| 120-260 | ±1,2 | ±0,8 |
Geometrische tolerantiecontrole: vlakheid ≤ 0,5 mm/100 mm, verticaliteit ≤ 0,8 mm/100 mm, dunwandige onderdelen (wanddikte < 5 mm) moeten worden aangescherpt tot 1/2 standaardwaarde.
2. Driedimensionale verdeling van bewerkingsmarge
Radiale marge: 3-5 mm (vrij smeden), 1,5-3 mm (matrijs smeden) voor buitencilindrische oppervlakken; 4-6 mm (vrij smeden), 2-4 mm (matrijs smeden) voor binnengatoppervlakken.
Axiale marge: 2-4 mm wordt aan elk uiteinde overgelaten. Voor asonderdelen met een aspectverhouding > 3 moet 1-2 mm anti-kromtrekmarge worden toegevoegd in het middengedeelte.
Margecompensatie: Voor 7 series smeedstukken, vanwege de grote afschrikvervorming, moet de marge voor de sleutelmaat met 20%-30% worden verhoogd, zoals de binnendiametermarge van een 7075 flens verhoogd van 3 mm naar 4 mm.
III. Procesidentificatie en speciale vereisten
1. Verplichte markering van vezelstroomrichting
Markeringsmethode: Gebruik pijlen om de vezelrichting in de dwarsdoorsnede weer te geven. De hoek tussen de vezelrichting en de hoofdspanningsrichting moet ≤15° zijn in de belangrijkste spanningsdragende delen (zoals het naafboutgatgebied).
Verboden ontwerp: Vermijd dat de spanningsrichting van het smeedstuk loodrecht op de vezelrichting staat (zoals wanneer de tandrichting van het tandwiel loodrecht op de vezel staat, de buigsterkte met 30% afneemt).
2. Ontwerp van scheidingsvlak en procesbaas
Principe voor het selecteren van scheidingsvlakken:
Gelegen op de maximale dwarsdoorsnede van het smeedstuk om uitlijning veroorzaakt door asymmetrische scheiding te voorkomen;
De ruwheid van het scheidingsvlak van de 7 series smeedstukken is Ra≤1,6μm om bramen veroorzaakt door het scheuren van de flits te voorkomen.
Procesbaasontwerp: Voor asymmetrische smeedstukken (zoals L-vormige beugels) moet een Φ10-15 mm procesbaas worden ontworpen voor positionering. De baas wordt vervolgens bewerkt en verwijderd, en de positie wordt geselecteerd in het niet-spanningsgebied.
3. Warmtebehandelingsstatus en foutdetectie-eisen
Statusidentificatie: De titelbalk van de tekening moet de status van T6/T74/T651, enz. aangeven. Als het 2024 smeedstuk bijvoorbeeld de T4-status vereist, moet dit worden gemarkeerd als "oplossingsbehandeling + natuurlijke veroudering".
Niet-destructieve testtermen:
Belangrijke onderdelen (zoals chassisdelen): 100% ultrasone foutdetectie (acceptatieniveau ≥ GB/T 6462-2017 II niveau);
Smeedstukken van lucht- en ruimtevaartkwaliteit: Voeg fluorescentiepenetrantietesten toe (gevoeligheidsniveau ≥ ASME V 2 niveau).
IV. Typische faalgevallen en verbeterplannen
1. Voorbeeld: 6061 auto-draagarm scheurt
Oorspronkelijk ontwerpprobleem: De wanddikte van het web in het midden van de armbody verandert plotseling (van 8 mm→3 mm), de overgangsradius is R2 mm en scheuren bij de plotselinge verandering na het smeden.
Verbeterd ontwerp: De wanddikte verandert geleidelijk (8 mm→5 mm→3 mm), en de overgangszone is ingesteld met een hoek van R8 mm+45°, en het scheurprobleem verdwijnt.
2. Voorbeeld: 7075 luchtvaartverbinding buiten tolerantie
Oorspronkelijke tolerantie-instelling: diameter Φ50 mm±0,3 mm (matrijs smeden), het percentage buiten tolerantie als gevolg van afschrikkrimp in de daadwerkelijke productie bereikte 50%.
Verbeterplan: markeer "4 mm bewerkingsmarge na warm smeden, fijn draaien tot Φ50±0,05 mm na afschrikken", en de gekwalificeerde snelheid wordt verhoogd tot 98%.
V. Ontwerptools en standaardreferenties
1. CAE-simulatie-ondersteund ontwerp
Gebruik Deform-3D om de metaalstroom te simuleren en de afschuining en afronding te optimaliseren: De simulatie van een complexe schaal toont bijvoorbeeld dat het verschil in metaalstroomsnelheid bij de R5 mm afronding van het oorspronkelijke ontwerp 20% is, en het verschil in stroomsnelheid wordt verminderd tot 5% na verandering naar R8 mm.
2. Industriestandaardreferenties
Nationaal: GB/T 15826-2012 "Bewerkingsmarge en tolerantie van stalen matrijs smeedstukken op hamer";
Internationaal: ISO 8492:2011 "Aluminium- en aluminiumlegering smeedtoleranties".
Kortom, het ontwerp van aluminiumlegering smeedtekeningen moet de materiaaleigenschappen (zoals afschrikgevoeligheid van de 7 series), smeedprocessen (zoals metaalstroomwetten van matrijs smeden) en structurele functies diepgaand koppelen en de produceerbaarheid en prestaties van smeedstukken garanderen door middel van redelijke afschuiningen, afrondingsradii, margeregeling en procesidentificatie. Het wordt aanbevolen om in de ontwerpfase samen te werken met smeedfabrikanten en procesrisico's vooraf te vermijden door middel van DFM (design for manufacturability) analyse.
E-mail: cast@ebcastings.com
De ontwerptekeningen van op maat gemaakte aluminiumlegering smeedstukken moeten nauw worden geïntegreerd met de kenmerken van het smeedproces om vormproblemen, matrijsverlies of prestatiegebreken veroorzaakt door een onredelijk structureel ontwerp te voorkomen. Het volgende is een analyse van de structurele elementen, maattoleranties, procesidentificatie en andere afmetingen in combinatie met de aluminiumlegering smeedstuk kenmerken:
I. Procesaanpasbaarheid van structureel ontwerp
1. Extreme structurele kenmerken vermijden
| Taboe structuur | Risicomanifestatie | Verbeterplan |
| Diep gat (gatdiepte / gatdiameter > 5:1) | Stempel buigt en breekt gemakkelijk, en de gatwand is niet volledig gevuld | Gebruik een getrapt gat voor segmentvorming om een toerekening voor later boren te reserveren |
| Hoge rib (ribhoogte / wanddikte > 3:1) | Metaalstroom is geblokkeerd en het ribgedeelte heeft een gebrek aan vulling | Getrapt ribontwerp om de overgangshelling te vergroten |
| Dunne wand (wanddikte < 2 mm) | Snel afkoelen tijdens het smeden, gemakkelijk te vouwen | Gedeeltelijke verdikking tot 3-4 mm, daaropvolgende bewerking dunner maken |
Voorbeeld: De ontwerptekening van een aluminium legering motorhuis heeft een Φ10 mm diep gat (gatdiepte 55 mm). De stempel was zwaar versleten tijdens het smeden, dus werd deze later veranderd in een Φ10 mm×30 mm blind gat +Φ8 mm×25 mm getrapt gat. De kwalificatiegraad voor vorming werd verhoogd van 40% naar 92%.
2. Gedifferentieerd ontwerp van afschuining
Overeenkomstige hoeken van legeringsseries:
6 series (6061/6082): buitenwand 5°-7°, binnenwand 7°-10° (goede plasticiteit, iets kleinere hoek);
7 series (7075/7A04): buitenwand 7°-10°, binnenwand 10°-15° (sterke afschrikneiging, hoek moet worden vergroot om vastlopen te voorkomen);
2 series (2024/2A12): buitenwand 6°-8°, binnenwand 8°-12° (vermijd ontvormingsscheuren veroorzaakt door een te kleine hoek).
Structurele optimalisatie: Voor diepe holtestructuren (zoals batterijbehuizingen) wordt een variabele hoekontwerp gebruikt: 10° voor het bovenste gedeelte, 8° voor het middelste gedeelte en 5° voor het onderste gedeelte, met een uitwerpmecanisme om het ontvormen te ondersteunen.
3. Mechanische matching van afrondingsradius
Berekening van de minimale afrondingsradius (Rmin):
Rmin = 0,2× wanddikte + 2 mm (van toepassing op 6 series);
Rmin = 0,3× wanddikte + 3 mm (van toepassing op 7 series / 2 series).
Voorbeeld: Voor 7075 smeedstukken met een wanddikte van 5 mm moet de hoek R ≥0,3×5+3=4,5 mm zijn om spanningsconcentratiescheuren te voorkomen wanneer R＜3 mm.
Behandeling van speciale onderdelen: Elliptische overgang wordt gebruikt bij de verbinding tussen ribben en webben (de lange as is langs de metaalstroomrichting), zoals het ontwerp van R8×R12 elliptische afronding bij de verbinding van de ribben van een bepaalde beugel om het risico op smeedvouwen te verminderen.
II. Maattolerantie en ontwerp van bewerkingsmarge
1. Smeedprocesaanpassing van tolerantieband
Lineaire maattolerantie (zie GB/T 15826.7-2012):
| Maatbereik (mm) | 6 Series Normale Nauwkeurigheid (mm) | 7 Aeries Precisiegraad (mm) |
| ≤50 | ±0,5 | ±0,3 |
| 50-120 | ±0,8 | ±0,5 |
| 120-260 | ±1,2 | ±0,8 |
Geometrische tolerantiecontrole: vlakheid ≤ 0,5 mm/100 mm, verticaliteit ≤ 0,8 mm/100 mm, dunwandige onderdelen (wanddikte < 5 mm) moeten worden aangescherpt tot 1/2 standaardwaarde.
2. Driedimensionale verdeling van bewerkingsmarge
Radiale marge: 3-5 mm (vrij smeden), 1,5-3 mm (matrijs smeden) voor buitencilindrische oppervlakken; 4-6 mm (vrij smeden), 2-4 mm (matrijs smeden) voor binnengatoppervlakken.
Axiale marge: 2-4 mm wordt aan elk uiteinde overgelaten. Voor asonderdelen met een aspectverhouding > 3 moet 1-2 mm anti-kromtrekmarge worden toegevoegd in het middengedeelte.
Margecompensatie: Voor 7 series smeedstukken, vanwege de grote afschrikvervorming, moet de marge voor de sleutelmaat met 20%-30% worden verhoogd, zoals de binnendiametermarge van een 7075 flens verhoogd van 3 mm naar 4 mm.
III. Procesidentificatie en speciale vereisten
1. Verplichte markering van vezelstroomrichting
Markeringsmethode: Gebruik pijlen om de vezelrichting in de dwarsdoorsnede weer te geven. De hoek tussen de vezelrichting en de hoofdspanningsrichting moet ≤15° zijn in de belangrijkste spanningsdragende delen (zoals het naafboutgatgebied).
Verboden ontwerp: Vermijd dat de spanningsrichting van het smeedstuk loodrecht op de vezelrichting staat (zoals wanneer de tandrichting van het tandwiel loodrecht op de vezel staat, de buigsterkte met 30% afneemt).
2. Ontwerp van scheidingsvlak en procesbaas
Principe voor het selecteren van scheidingsvlakken:
Gelegen op de maximale dwarsdoorsnede van het smeedstuk om uitlijning veroorzaakt door asymmetrische scheiding te voorkomen;
De ruwheid van het scheidingsvlak van de 7 series smeedstukken is Ra≤1,6μm om bramen veroorzaakt door het scheuren van de flits te voorkomen.
Procesbaasontwerp: Voor asymmetrische smeedstukken (zoals L-vormige beugels) moet een Φ10-15 mm procesbaas worden ontworpen voor positionering. De baas wordt vervolgens bewerkt en verwijderd, en de positie wordt geselecteerd in het niet-spanningsgebied.
3. Warmtebehandelingsstatus en foutdetectie-eisen
Statusidentificatie: De titelbalk van de tekening moet de status van T6/T74/T651, enz. aangeven. Als het 2024 smeedstuk bijvoorbeeld de T4-status vereist, moet dit worden gemarkeerd als "oplossingsbehandeling + natuurlijke veroudering".
Niet-destructieve testtermen:
Belangrijke onderdelen (zoals chassisdelen): 100% ultrasone foutdetectie (acceptatieniveau ≥ GB/T 6462-2017 II niveau);
Smeedstukken van lucht- en ruimtevaartkwaliteit: Voeg fluorescentiepenetrantietesten toe (gevoeligheidsniveau ≥ ASME V 2 niveau).
IV. Typische faalgevallen en verbeterplannen
1. Voorbeeld: 6061 auto-draagarm scheurt
Oorspronkelijk ontwerpprobleem: De wanddikte van het web in het midden van de armbody verandert plotseling (van 8 mm→3 mm), de overgangsradius is R2 mm en scheuren bij de plotselinge verandering na het smeden.
Verbeterd ontwerp: De wanddikte verandert geleidelijk (8 mm→5 mm→3 mm), en de overgangszone is ingesteld met een hoek van R8 mm+45°, en het scheurprobleem verdwijnt.
2. Voorbeeld: 7075 luchtvaartverbinding buiten tolerantie
Oorspronkelijke tolerantie-instelling: diameter Φ50 mm±0,3 mm (matrijs smeden), het percentage buiten tolerantie als gevolg van afschrikkrimp in de daadwerkelijke productie bereikte 50%.
Verbeterplan: markeer "4 mm bewerkingsmarge na warm smeden, fijn draaien tot Φ50±0,05 mm na afschrikken", en de gekwalificeerde snelheid wordt verhoogd tot 98%.
V. Ontwerptools en standaardreferenties
1. CAE-simulatie-ondersteund ontwerp
Gebruik Deform-3D om de metaalstroom te simuleren en de afschuining en afronding te optimaliseren: De simulatie van een complexe schaal toont bijvoorbeeld dat het verschil in metaalstroomsnelheid bij de R5 mm afronding van het oorspronkelijke ontwerp 20% is, en het verschil in stroomsnelheid wordt verminderd tot 5% na verandering naar R8 mm.
2. Industriestandaardreferenties
Nationaal: GB/T 15826-2012 "Bewerkingsmarge en tolerantie van stalen matrijs smeedstukken op hamer";
Internationaal: ISO 8492:2011 "Aluminium- en aluminiumlegering smeedtoleranties".
Kortom, het ontwerp van aluminiumlegering smeedtekeningen moet de materiaaleigenschappen (zoals afschrikgevoeligheid van de 7 series), smeedprocessen (zoals metaalstroomwetten van matrijs smeden) en structurele functies diepgaand koppelen en de produceerbaarheid en prestaties van smeedstukken garanderen door middel van redelijke afschuiningen, afrondingsradii, margeregeling en procesidentificatie. Het wordt aanbevolen om in de ontwerpfase samen te werken met smeedfabrikanten en procesrisico's vooraf te vermijden door middel van DFM (design for manufacturability) analyse.
E-mail: cast@ebcastings.com
