一種先進(jìn)的 鎂合金薄壁管材反擠壓成形的有限元
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作者：李超群
就鎂合金管材的制造而言，特別是薄壁和高精度的鎂合金管材，擠壓相對于軋制、鍛造等塑性成形方法，能更有效地改善鎂合金的塑性，細(xì)化晶粒組織，提高合金強(qiáng)度，且擠壓管件尺寸精度高，表面質(zhì)量好[5-8] 。但前對擠壓方法的研究尚不夠深入，應(yīng)用規(guī)模還十分限。ZHENG X W等[9] 采用正向擠壓方法制備出外為110 mm，內(nèi)徑為90 mm的Mg-3. ONd-0. 22n-0.4鎂合金管材。但正向擠壓時坯料與擠壓筒摩擦較大，屬流動不均，使擠壓制品沿長度和斷面方向上的組織能不均勻。反向擠壓不存在上述缺點，且擠壓時能耗低，可獲得更大的變形程度或擠壓變形抗力更高的料[10]。
鎂合金擠壓變形是一個復(fù)雜的熱力耦合過程，隨著有限元方法(FEM)的發(fā)展，將計算機(jī)輔助設(shè)計(CAE)運(yùn)用到鎂A金的擠壓過程當(dāng)中，可以最大程度模擬實際擠壓情況，考察不同參數(shù)對擠壓過程的影響，確定最佳工藝，可取代傳統(tǒng)的試錯方法，達(dá)到節(jié)省費用、提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果。因此，成為研究鎂合金擠壓工藝較好的分析工具[11-13]。LAPOVOK R Y等[14]采用FEM確定了最大擠壓速度的極限值。王新等[15]通過數(shù)值模擬和有限元方法建立了 AZ31B管材的擠壓極限圖。
吳志林等[16]通過Deform-3D軟件對A280鎂合金的擠壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行了擠壓試驗，通過試 驗驗證了A280鎂合金靜液擠壓擴(kuò)展成形工藝方法的可行性與數(shù)值模擬的擠壓成管材為例，利用Deform-3D軟件對4種溫度下不同擠壓速度的情況進(jìn)行了模擬，并在自行設(shè)計制造的靜液擠壓機(jī)上進(jìn)行試驗，得到的管材外形完整，內(nèi)外表 面質(zhì)量良好，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性與工藝的可行性。孫穎迪等[18]基于Deform-3D與A231鎂合金材料模型對鎂合金電池筒的反擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)優(yōu)化工藝進(jìn)行反擠壓成形試驗驗證，發(fā)現(xiàn)成形的筒形件表面質(zhì)量較好，硬度、強(qiáng)度等指標(biāo)均合格。同時，從筒件側(cè)壁組織可以看出，A231鎂合金晶粒組織經(jīng)擠壓變形已明顯細(xì)化，說明Deform有限元分析能夠為鎂合金反擠壓成形提供依據(jù)。本課題通過制定不司坯料溫度、模具預(yù)熱溫度、擠壓速度、模角等工藝參數(shù)，應(yīng)用Deform-3D有限元模擬軟件，實現(xiàn)A231鎂合金管材反擠壓精密成形，模擬得到外徑為9.8 mm、壁厚為1.9 mm的鎂合金薄壁管材，確定了最佳擠壓工藝參數(shù)，為鎂合金管材擠壓工藝的制定提供了參考依據(jù)[19]。有限元模擬
1.1 剛塑性有限元幾何模型的建立
組合模具及坯料示意圖見圖1。各參數(shù)見表1。應(yīng)用Solidworks三維實體造型軟件分別建立了模具、擠壓筒和坯料的三維實體幾何模型，并分別保存為“STL”格式。
1.2模擬參數(shù)設(shè)置
為了研究擠壓溫度、擠壓速度和模角對反擠壓成形過程的影響，分別進(jìn)行了不同擠壓溫度、擠壓速度、模角的模擬。擠壓溫度分別為230、250、270、290、310℃；擠壓速度分別為1、3、5、7、9 mm/s;模角分別為300、400、450、500、60。為防止坯料與模具之間的溫差太大而使坯料溫度下降過快，需對模具進(jìn)行預(yù)熱，模具溫度略低于坯料溫度。A231鎂合金材料的屬性參數(shù)見表2。模擬的其他主要參數(shù)見表3。
2 結(jié)果分析
2.1溫度場、損傷及流動速率分析
擠壓中間過程中的溫度場、損傷因子及流動速率分布情況見圖2。從圖2a看出，原始坯料與�？诮佑|處和管材剛擠出處溫度較高。這是由于模具對坯料做的功，除了使坯料產(chǎn)生塑性變形外，還可轉(zhuǎn)化為坯料的內(nèi)能，當(dāng)熱量來不及散失時便使坯料溫度升高，管材剛從�？跀D出時由于產(chǎn)生的變形量很大，并且摩擦生熱導(dǎo)致溫度較高，這些地方恰恰容易產(chǎn)生表面質(zhì)量缺陷甚至開裂等加工缺陷。從圖2b看出，坯料與模具接觸處和管材擠出后的損傷因子較大，說明這地方開裂的概率大。因此在鎂合金反擠壓時擠壓速度不能太大，否則可能導(dǎo)致擠出的管材出現(xiàn)裂紋。從圖2c看出，反擠壓中主要是與模口接觸處的材料流動劇烈，管材主要由這部分材料流出�？谛纬�，而下半部分坯料流動速率不大。這與實際情況相吻合。
2.2擠壓溫度對擠壓工藝的影響
圖3是不同參數(shù)與擠壓溫度的關(guān)系。從圖3a可以看出，隨著擠壓溫度即坯料預(yù)熱溫度的升高，擠壓終了溫度的最小值逐漸升高，但終了溫度的最大值呈現(xiàn)微小波動情況，說明坯料預(yù)熱溫度對擠壓最大溫升的影響不明顯。從圖3b看出，隨著坯料預(yù)熱溫度的升高，最小等效應(yīng)力變化不大，最大等效應(yīng)力明顯減小，因此等效應(yīng)力的差值相應(yīng)減小，等效應(yīng)力的分布也趨于均勻化。而且隨著擠壓溫度的升高，合金變形抗力減小，從而使得總的變形力也相應(yīng)減小，圖3c可以看出，擠壓力的峰值降低也很明顯。
2.3擠壓速度對擠壓工藝的影響
圖4是不同參數(shù)與擠壓速度的關(guān)系。由圖4a得知，隨著擠壓速度的增大，擠壓件各部分的流動速率增長較快，金屬變形越不均勻。材料的流動速率不能太大，否則容易出現(xiàn)孔洞、擠壓縮尾等缺陷，且所需設(shè)備的功率也增大。分析圖4b可知，擠壓的終了溫度隨著擠壓速度的升高而明顯增大，主要是因為擠壓速度增大，單位時間內(nèi)對坯料做的功增加，塑性功轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能增多，而熱量還來不及散失，所以擠壓終了溫度升高較明顯。
2.4模角對擠壓工藝的影響
圖5為不同參數(shù)對模角的影響。從圖5看出，當(dāng)模角逐漸增大時，金屬的流動速率升高，即流動變得更不均勻了。這是由于模角較大時，擠壓死區(qū)的高度很大，死區(qū)與流動金屬的摩擦作用強(qiáng)，流動趨于不均勻。圖5b表明，隨著模角的增大，由于摩擦面積減小即摩擦力變小，從而使擠壓力減小。而模角對擠壓終了溫度的影響不大，見圖5c。
2.5參數(shù)優(yōu)化
選取不同擠壓溫度、擠壓速度、模角進(jìn)行正交試驗，具體參數(shù)見表4。
分析表4可知欲使最大擠壓力盡量小且最高溫升不超過鎂合金的過熱溫度450℃，選擇第7組較恰當(dāng)，即擠壓溫度為310℃、擠壓速度為1 mm／s、模角為600。
3 結(jié) 論
(1)反擠壓坯料的主要變形是模口附近的扇形區(qū)域．此處的坯料經(jīng)過大變形后擠出�？谛纬晒懿�，溫度急劇升高，容易產(chǎn)生開裂、表面質(zhì)量差等擠壓缺陷。
(2)管材內(nèi)殘余應(yīng)力和最高溫升均隨著擠壓溫度的增大而增大；擠壓速度增大時，金屬的流動速率和管材的最高溫升均增大；增大模角可降低擠壓力而減小模角，可使材料流動均勻。
(3)對不同擠壓溫度、擠壓速度和模角進(jìn)行試驗，分析后得出最佳的擠壓工藝參數(shù)：擠壓溫度為310℃、擠三速度為1mm／s、模角為600。
4 摘要
根據(jù)A231鎂合金流動應(yīng)力一應(yīng)變曲線建立了材料模型，應(yīng)用Deform-3D軟件A231鎂合金薄壁管材反擠壓過程進(jìn)行了有限元模擬，分析了擠壓過程中坯料和管材內(nèi)部溫度場、損傷因子及流動速率的分布情況，著重探討了不同擠壓溫度、擠壓速度和模角對最高溫升等效應(yīng)力、流動速率及擠壓力峰值的影響。結(jié)果表明，A231鎂合金薄壁管材反擠壓的最佳工藝參數(shù)：擠壓溫度為310℃、擠壓速度為1 mm/s、模角為600。
