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基于有限元法的AZ31镁合金等通道模具结构的优化

胡红军，张丁菲，潘复生

1中国，重庆400044，重庆大学，镁合金国家工程研究中心

2中国，重庆400045，重庆大学，材料科学与工程学院

3中国，重庆400050，重庆技术学院，材料科学与工程学院

摘要：

在下模中，拥有不同的弯管角度以及有或没有内圆角的三维几何模型的设计。

一些在三维变形软件中被当做计算条件的工艺参数，如AZ31镁合金在挤压测试中应力---应变数据，钢坯和模具的温度，摩擦系数。

讨论了在变形过程中，摩擦系数的影响。

结果表明，合理的润滑条件对塑性变形很重要。

描述了一个具有

内角而外部设有圆角的等通道转角挤压过程中，有效应力—应变的分布的变化特性曲线。

由模拟和实验的结果定义了不均匀性指数并对ECAE变形异质性进行了分析。

相对于没有圆角的模具而言，由外拐角处的圆角引起的变形均匀性有所增加。

随着在ECAE模中的外部拐角处的圆角和内拐角角度的增加，累积的最大应变随之减小。

分析结果表明，较好的ECAE模的结构包括合适的外拐角圆内挤圆角可以提高应变，在一定程度上保证塑性变形的均匀性。

在ECAE模外角处增加圆角可以降低所需的挤压力。

这表明预测结果与实验，理论计算以及文献中的研究结论相吻合。

关键词：

AZ31镁合金等通道转角挤压有限元法外角变形不均匀性

1引言

有限元法是了解发生在等通道转角挤压工艺过程中的变形的重要方法。

许多基于有限元的已经被用来展现在ECAP过程中材料的变形性能和用来估测变化的应变。

然而过去的研究假定二维近似平面应变情况，没有讨论应力应变的不均匀性。

二维分析得到的信息有限，而且二维近似本身就有误差。

但很少有研究人员采用三维仿真模拟技术来调查镁的变形特性，尤其是在模具结构对应变分布和挤压质量的影响这方面。

许多关于ECAEP的早期研究，仅限于软金属或固溶体合金。

最近，更复杂的合金的挤压以及拥有有限光滑系统的相对较硬的金属得到了重视。

对于这些难以加工的金属，ECAE采用三种不同的策略以得到成功的工艺过程。

目前的研究兴趣在于用ECAE在工艺过程中获得细粒状镁合金。

有了有限元方法的数字模拟仿真已被广泛地应用于更好的了解ECAE方法。

在当前的工作中，一个有关ECAE方法的有限元模拟的准方案已在进行，考虑到只有一个挤压通道，使用了交角

和

的模具。

这项研究用来数字分析镁合金在ECAE过程中的变形特性以及预测ECAE中的应变，应力和挤压力来成型微纳米结构

2仿真和实验

工具的示意图如图1所示，下模包含两个交叉的通道，在角度为A的内拐角处有相同的交叉截面。

在这项工作中使用了极限的原则，例如，上限法，对于估测柱塞所需要的压力和ECAE方法导致的累积的有效应变。

由AZ31镁工件的物理特性已列于表1中。

目前的分析采用以下假设：

1所有的模具和容器都是刚体2挤压钢坯是一种刚性的塑性材料3挤压钢坯，滑块，容器，模具之间的摩擦系数是常数。

表1AZ31镁合金的物理特性

泊松比线性膨胀系数密度弹性模量热辐射系数

0.352.68X101780450000.12

用于ECAE模具的四个不同的模型已经建立起来，浇道交叉口角度

和

在图2中已说明。

经过修正后的带内圆角的几何模型在图2（c和d）中已说明。

图2中的ECAE模具的几何参数已列于表2中。

ECAE模具的材料是H13热作模具钢。

仿真和试验参数包括钢坯和模具的尺寸规格已列于表3。

AZ31合金的应变应力流数据已通过在国家镁合金工程技术研究中心的国家重点实验室的Gleeble1500机上得到验证。

在这些测试中的流动应力曲线已得到纠正，一系列的应力应变流曲线已在图3中表示。

这些数据在温度

C内，应变速率为0.01—0.1S被输入到DEFORM—3D中。

挤压实验用来校对在实验室中用计算机模拟得到的结果。

为了验证有限元分析的结果，没有圆角，内角

的模具和外角有圆角的模具被设计并制造出来，以来展示实际的挤压过程。

在挤压之前钢坯已被制成直径为16mm的芯棒。

真正的挤压实验，施压98KN，并附有一个电阻热电容和一个加热器。

模具的材料，模具的尺寸规格，钢坯的尺寸规格和都完全一样，当这些用来进行如上描述的数字模拟仿真时，钢坯在外部炉加热到

C，然后转移到一个预置温度为275度的容器内以避免热量损耗，然后直接开始挤压。

在实验检测中滑块的速度是5mm/s。

通过一个压力传感器和滑块时间来测量挤压力。

在挤压循环后，在挤压过程中的挤压力的演变被描述出来。

刀具和工件界面之间的摩擦系数定为剪切型。

剪切系数（0﹤f﹤1）表达如下

，这里

是摩擦剪应力，

是钢坯的有效流动应力。

在当前的仿真中，在模具和挤压界面之间的摩擦系数也为0.25

图2具有不同内角角度和有无外圆角的模具的几何模型（a）

没有圆角

（b）

没有外圆角（c）

有圆角（d）

有圆角

表2ECAE模的几何参数

测位Φ/

ψ

R/mmr/mm

表2（a）

000

表2（b）

0182

表2（c）

00

表2（d）

182

3结果与讨论

3.1在变形过程中，摩擦系数的影响

在任何金属成型过程中，模具和工件表面之间从未表现的十分光滑。

当没有润滑的时候，俩粗糙表面直接接触。

工件的粗糙度提供了一个足够大的接触面积来支撑工艺过程所需的总的平均压力。

工件和模具的实际接触面积小于视在接触面积。

当提供润滑的时候，一些润滑剂由移动的工件拖入俩表面之间。

如果速度或液体的粘度增加时，两表面之间的间隙会充满更多的润滑剂，更多的工件上的压力就会通过润滑剂得到转移，轻负荷可以降低工件表面的粗糙度。

金属与金属之间的接触少了，所以摩擦下来了。

所以摩擦系数可以表示润滑情况。

在仿真模拟中摩擦系数分别为0.1，0.25，0.5.

表3模拟和实验的参数

钢坯长度钢坯直径ECAE模具的内部直径模具的外部直径

mmmmmmmm

50161650

钢坯内部温度内部冷却温度针对于流动应力测量的温度范围

CCC

300275250—450

冲头速度（mm/s）容器和钢坯表面之间的摩擦系数

100.25

钢坯和模具之间的摩擦系数钢坯的总的元素数目

0.2520000

冲头总的元素数目模具总的元素数目网格密度类型相对干涉深度

800020000相对0.7

图3

时在不同的应变率下AZ31镁合金的应变—应力曲线

图4a—d，展示了摩擦系数对变形工艺的影响包括挤压力，最大应变，最大速度，最大压力。

从图4a中可以看出，摩擦系数对挤压力的要求的影响非常明显。

随着摩擦系数的增加，所需要的挤压力也随之增加，挤压力达到峰值的时间被延后。

如果摩擦系数为0.5，

则挤压力的浮动范围比摩擦系数为0.1或0.25的要广。

从图4b中可以看出，摩擦系数对最大应变的影响也很明显。

随着摩擦系数的增加最大应变也增加，最大应变与摩擦系数的变化趋势是相似的。

从图4c中，摩擦系数对最大速度的影响也非常明显。

可以总结为，在挤压过程中，随着摩擦系数的增加，金属的最大流动速度也随之降低。

从图4d中可以看出，最大有效应力在前一段挤压过程中变化不大，但是后来的变化确实相反的，小的摩擦系数会引起较大的应力浮动。

3.2在ECAE过程中，有效应力和应变的分布

图5展示了有

内角而外部没有圆角的ECAE模具在40步和90步时等效应力应变的分布和发展情况。

在图5a和c中看不到金属的有效应力，在90步时，靠近下模拐角处的有效应力最大值为117Mpa。

最初的挤压变形是不均匀的，图5（b）中最大的有效应变出现在40步的外角处。

在外角处，应变的分布呈层状，并且有明显的变形梯度。

这表明，这个位置的变形是近简单剪切变形图5（d）中90步时的变形不均匀性要比图4（b0中40步的变形不均匀性要好。

3.3仿真，理论，实验不同条件下的应变的比较

3.3.1ECAE产品的变形均匀性分析

图4摩擦系数对变形过程的影响（a）挤压力vs积压时间（b）挤压最大挤压应力vs挤压间（c）最大挤压速度vs挤压时间（d）最大有效挤压力vs挤压时间

图5等效应力应变的分布：

（a）40步时有效应力断面（b）40步时有效应变断面

（c）90步时有效应力断面（d）90步时有效应变断面

图6等效应变分布：

（a）40步时等效应力断面（b）90步时等效应变断面

表4在

步时有效应力和变形不均匀性指标

ECAE模具结构

C

内角没外圆角4.0800.1070.040199.1

内角有外圆角3.7270.3900.055660

内角无外圆角1.8600.0960.04539.2

有外圆角1.620.0700.04038.8

图6展示了在挤压步骤40和90时

有外角和外圆角的ECAE模具所引起的等效应变的分布。

可以清楚地发现，相比于图5（b）。

（d）中的轮廓，图6（a）（b）中变形的均匀性增加了，同时有效应变减小了。

相比于图5（d）中，图6（b）中毛坯的损伤要小。

为了量化变形均匀性的程度，定义了一个如下的变形不均匀性公式

在这里，

分别代表等效塑性应变的最大值、最小值、平均值。

在不同条件下，90步的挤压的有效应变和变形不均匀性指标已列于表4中，发现随着内角角度和外角圆角的增加有效应变随之降低。

内角角度和有无圆角都会造成变形不均匀性指标的差异。

这表明有90度内角及外圆角的ECAE模具引起的均匀性最大。

我们得到这样一个结论：

增加内角角度和在外拐角处加工圆角可以提高成型的均匀性，同时又能降低累积的应变。

要同时细化和均匀化AZ31的微观组织，需要更高的应变分布和较小的不均匀性指数。

所以有90度内角和外角的ECAE模具有助于实现这个目标。

3.3.2ECAE过程中的最大应变

图7在不同条件下最大应变曲线

表5在ECAE过程中在不同条件下计算和模拟的累计最大应变

条件

从公式2计算仿真结果公式2计算仿真结果

无外圆角3.175.452.305.0

有外圆角2.935.200.924.1

图7描述了ECAE过程中在不同的仿真条件下（在图2中说明）的最大应力曲线。

累积的最大应变用公式

（2）计算，仿真结果列于表5.

从仿真和理论计算，我们发现拥有

圆角的ECAE模具所引起的累积最大应变比有

内角且外拐角有圆角，内拐角角度降低的ECAE模具的大。

最大应变的增加归因于挤压温度（

）和摩擦。

在同样的条件下，图2（c）和图2（d）中的模型也进行了仿真。

与具有相同的拐角角度的图2（a）2（b）中的模型相比，最大有效应变急剧下降，

这里

代表内拐角角度，

代表外拐角角度，

代表应变。

动态再结晶是应变，应变率，温度，和初始晶粒尺寸的一种作用，这些要素会即时变化。

Avrami用来描述动态再结晶分数x和有效应变之间的关系，

是50%再结晶时的应变。

公式3中，有效应变增加，x也随之增加。

可以得出结论，由拥有

角的ECAE模具所引起的动态再结晶分数比由拥有

角的ECAE模具所引起的动态再结晶分数多。

在文献【19--20】中，AZ31镁合金用于两种不同等通道转角挤压模具，他们的交叉角分别为

和

。

镁合金在

的模具中通过12道挤压通道后的机械特性与在

的模具中通过8个挤压通道后的机械特性很接近。

那就是说，

角模具中每一通道所引起的应变比

角模具所引起的大许多。

通过一个ECAE后，镁合金的微观组织通过再结晶得到了有效改善。

可以发现，在

角模具中，一个通道挤压可以在一些原来的粗大晶粒旁边带来更加细小的晶粒，在挤压过程中会比

角的模具产生更多的精细的晶粒。

同时

角的模具所引起的微观组织的变形不均匀性要比

模具大。

3.4负载和冲程曲线

图8描述了在挤压过程中，仿真和实验的挤压负载随着拐角角度的以及有无拐角而不同。

由模具所引起的压力冲程曲线由压力传感器和上述实验的冲程所得到。

可以发现仿真结果和实验结果相当吻合。

在最初的冲程中，挤压力更小，随着金属被挤进底部拐角，负载逐渐攀升到最大值。

再者，由于钢坯和下模壁之间的接触面积变化负载开始缓慢下降并开始波动。

没有圆角的上模最大负载为2259,3040N，相对应的拐角分别为

和

。

如果模具使用了圆角，则相对于相应的角度而没有圆角的情况来说，上模的负载会下降。

图8不同条件下负载—冲程曲线

表6不同条件下所需要的挤压力

条件

仿真实验

无外圆角225921973040

有外圆角184817451497

4结论

1）数字化的和实体模型有助于理解在ECAE过程中AZ31镁合金的变形特性。

内拐角角度和外拐角圆角的重要性已得到注意。

2）研究发现，通过比较3维有限元仿真模拟结果和理论计算，在整个过程中，等效应变增加了，因为考虑到了热量和摩擦条件，合理的润滑条件对塑性变形很重要。

3）从仿真和实验结果来看，外部拐角处的圆角所引起的变形均匀性要比没有外圆角的ECAE模型大，因为在浇道表面结合处，在这里两条只浇道会合，此处若有圆角可以又助于高百分比的对金属流进行软化。

4）通过仿真，理论以及文献的结果得出，较小的内拐角角度可以获得较大的积累应变，并获得更多的微小晶粒，同时降低均匀性。

5）由于下模制造了圆角所以上模的负载降低了。

6）拥有外拐角圆角和

内角的下模对改进塑性有帮助。

同时在一定程度上提高了棒料的均匀性。