镁合金宽展挤压数值模拟文献综述.docx
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镁合金宽展挤压数值模拟文献综述
引言.......................................................................................................1
1.镁合金挤压技术概述.....................................................................................1
1.1镁合金挤压的基本原理和特点..................................................1
1.2镁合金挤压工艺..........................................................5
1.3镁合金挤压模具..................................................5
2.镁合金型材挤压成形过程数值模拟研究现状.....................................................6
2.1国外镁合金型材数值模拟技术研究现状..................................................6
2.2国内镁合金型材数值模拟研究现状..........................................................7
3.镁合金型材宽展挤压简介.................................................................................5
3.1镁合金型材宽展挤压原理和流动规律........................................................5
3.2镁合金型材宽展挤压特点...........................................................................6
3.3镁合金型材宽展挤压国内外研究状况........................................................6
4..本文研究意义及内容...............................................................................14
引言
镁合金是结构材料中最轻的金属,具有密度小、生物兼容性好、比强度和比刚度高、减震以及磁屏蔽良好等优异特性,广泛应用于交通运输、航空航天、建筑建材、体育器械与通讯设备等领域[1-3]。
目前,镁合金的应用大多数是以模铸、压铸以及半固态成形等工艺来生产产品。
这些工艺生产的产品,存在着组织局部太致密、成分偏析,最小厚度偏大、力学性能偏低等缺点,不能充分发挥镁合金的性能优势。
研究表明[4],镁合金在热变形(挤压、轧制、锻造等)后,组织得到显著细化,铸造组织缺陷被消除,从而产品的综合力学性能大大提高。
通过塑性加工可以生产出尺寸、规格多样的棒、管、型材、线材、板材及锻件产品,并且可以通过调整塑性变形和热处理工艺来控制材料的组织和性能,获得比镁合金铸件更高的力学性能,同时可以满足不同场合对镁合金结构件使用性能的要求。
因此,研究变形镁合金塑性成形具有非常重要的实际意义。
在镁合金的塑性成形工艺中,挤压成形以其高精度、高力学性能及高表面光洁度等优势被广泛接受。
但由于挤压模具设计者一般依靠自身经验进行模具设计,模具结构多存在一定的不合理性,导致型材在成型过程中经常出现扭拧、波浪等严重缺陷,影响镁型材的外观与性能[5],特别是作为模具结构设计关键环节工作带尺寸设计,对型材质量具有重要影响。
随着计算机辅助设计技术及数值模拟计算方法的迅速发展,以有限元为代表的数值模拟方法被广泛应用于型材挤压过程[6-8]。
因此,本课题采用功能强大的非线性有限元软件MARC.autoforge对AZ31镁合金型材的挤压成形过程进行数值模拟研究。
1.镁合金挤压技术概述
1.1镁合金挤压的基本原理和特点
镁合金挤压加工技术主要有正挤压、反挤压、复合挤压,其中常用的是正挤压。
其基本原理处于挤压筒内的金属坯料在挤压机提供的强大挤压力作用下,发生剧烈的塑性变形并从特定的模孔中按一定的速度挤出,从而得到所需截面形状、尺寸及性能的镁合金制品的过程,如图1-1所示[9]。
与锻造工艺相比,通过挤压方法进行镁合金产品生产加工具有以下优点[10]:
①在挤压时,处于挤压筒中金属受到的是强烈的三向压应力状态,有效的减小了坯料在进行变形时开裂的倾向,可以更大限度的发挥材料有限的塑性成能力。
因此相比于其它塑性成形加工方法,特别是对于镁合金等六方晶体结构金属来说,挤压加工方法是首选的加工方法;
②挤压法得到的挤压制品外观平整,而且得到产品的尺寸精度很高;
③挤压设备一般都是通用的,在同一台挤压设备上,生产工序简单,往往只需通过更换相应的挤压模具,就可以进行棒材、管材、板材以及型材等的生产,灵活性好。
挤压产品品种多、规格全,适合现代市场要求的多品种、小批量、短交货期的生产方式。
但镁合金主要适用于温挤压和热挤压。
且采用挤压法生产镁合金制品时存在一些缺点:
①由于挤压筒内,挤压锭的内层与外层受力不一样,容易获得沿长度方向上组织与性能不均匀的挤压制品;
②由于挤压终了时无法将坯料完全挤出,会产生一定的废料;
③由于挤压时,工模具一直处于挤压材料的高压应力作用下,模具内壁与坯
料摩擦严重,因此对模具的损伤较大。
尽管如此,对于镁合金这种塑性变形能力较差的金属,挤压法仍不失为一种较好的塑性加工方法。
目前已用挤压法生产出各种不同型号的镁合金板、棒、管、型材。
1.2镁合金挤压工艺
镁合金挤压生产与铝合金相似,最常用的方法是无润滑平模正向挤压。
镁
及镁合金可以通过温挤压或热挤压成棒、管和其他多种截面形状的型材。
挤压
成形提供了许多其他成形方法难以经济实现的产品,与铝和铜一样,镁合金挤
压成形工艺优于轧制,挤压具有细化晶粒作用,同时能提高材料的强度和延展
性。
AM60、AZ91、AZ31、ZK60和ZK61等镁合金热挤压件的性能明显优于铸锭,且延伸率高达100%以上[11-14]。
镁合金挤压成形主要影响因素有:
(1)锭坯状态
镁合金挤压成形前坯料状况对其随后挤压工艺有着重要的影响。
这是因为
在工业生产条件下,由于镁合金铸造时冷却速度快,铸锭不可能得到完全平衡
的组织。
铸态合金偏离平衡状态一般表现为以下两个方面:
第一,基体固溶体
成分不均匀,产生晶内偏析,其组织为树枝状;第二,由于合金元素来不及从
固溶体析出得到过饱和固溶体,因此成分和组织的非平衡状态将给合金的性能
带来一定影响。
例如,由于非平衡易熔组成物的出现,在加热和变形过程中容
易过早发生过烧现象。
晶内偏析和脆性相的存在往往使材料的塑性降低,挤压
力升高;粗大的枝晶和枝晶偏析可在随后的挤压加工过程中形成带状组织[15]。
所以在挤压变形前应对铸锭进行均匀化处理。
(2)挤压温度
挤压温度是挤压变形时最重要的参数,不但影响挤压过程的进行,还影响
成品率、产品的质量以及组织和力学性能等。
当温度升高时,合金的屈服强度
降低,故在一定的变形力下,可达到的变形程度便可增大。
但是,随着挤压温
度的升高,晶粒逐渐长大。
对于温度升高发生相变的某些合金系,在高于相变
温度下挤压,晶粒会变得很粗大。
此外,由于镁合金的塑性变形能力较差,当
挤压温度过低时,难以挤压成形。
因此在镁合金挤压时,一定要合理选择挤压
温度。
镁合金挤压时,锭坯的加热温度主要取决于合金的种类和挤压件的形状,一般在300~450℃之间。
挤压件形状比较复杂时,锭坯可选用较高的加热温度[16]。
金属在塑性变形时其变形能的90~95%将转变为热量,而挤压过程中摩擦力较大时会产生大量的摩擦热,这些热量可使金属温度升高,因此在挤压过程中,还应考虑变形热和摩擦热。
张广俊等[17]在不同温度下对AZ61镁合金进行挤压研究,结果表明,360℃的热挤压温度不能成形试样,在370、385、400℃下进行热挤压可以得到外形完整、表面光洁的试样,随着挤压温度提高,AZ61挤压试样发生再结晶的晶粒数量显著增加,达到400℃时形成均匀细小的等轴晶组织。
370、385、400℃下的挤压试样断口均表现为明显的塑性断裂特征,400℃时挤压试样的抗拉强度达到297.43MPa,屈服强度达到221.42MPa,伸长率为22.39%,具有较好的力学性能。
(3)挤压速度
挤压速度的选择原则是:
在保证制品不产生表面裂纹毛刺和扭拧、弯曲、波浪、间隙、扩(并)口以及尺寸等质量问题的前提下,当挤压机能力允许时,速度越快越好。
但挤压速度的确定同挤压温度一样,也十分复杂。
挤压速度的大小受合金、状态、毛坯、尺寸、挤压方法、挤压力、工具、制品复杂程度、挤压温度、模孔数量、润滑条件等影响[18]。
Lapovok等[19]对AZ31镁合金的研究表明,当挤压速度较低时(4mm/s),挤压板材表面质量良好。
随着挤压速度的增加,表面质量降低。
当挤压速度过高时(15mm/s),表面出现裂纹。
所以工业上较适宜的挤压速度为4.5~12m/min。
为了获得较好的挤压制品,需对上述工艺参数加以综合考虑并进行合理选择。
如下表1-2给出了几种典型镁合金的挤压工艺[10]。
表1-1
合金
锭坯温度/℃(K)
挤压筒温度/℃(K)
挤压速度/(m/min)
M1
420~440(693~713)
380~390(653~663)
6~30
AZ31
370~400(643~673)
230~320(503~593)
4.5~12
AZ61
370~400(643~673)
230~290(503~563)
2~6
AZ80
360~400(633~673)
230~290(503~563)
1.2~2
1.3镁合金挤压模具
在镁合金挤压过程中要保证型材能良好成形并满足产品质量要求,首先必须进行合理的模具设计。
模具设计时,一般是将挤压型材截面的质心做为挤压模具的中心。
为克服因金属流动不均匀而产生的缺陷,必须研究如何使型材断面上各部分的金属流动速度一致,这是模具设计和制造人员遵循的基本原则。
设计模具时主要侧重考虑调整金属分配比例,通过改变接触摩擦条件及模孔工作带长度等方法来改变金属的流动特性,使金属均匀地流出模孔,生产出合格的型材制品。
如果型材断面上各部分的金属流动速度不一致则制品会出现如图1-2所示的缺陷。
为避免产生缺陷,设计时可以把型材挤压模具轮廓设计成曲线,调整工作带入口角度,改变工作带长度等等,把模具轮廓设计成曲线成本高、难度大,在生产实践中法应用的少。
生产实际中往往通过调整工作带长度的方法来控制金属流动和金属与模具之间的摩擦力以达到金属流动均匀的目的[20-22]。
黄东男等[23]通过热模拟试验研究AZ91镁合金应力-应变关系,确定了最佳变形温度。
在此基础上,采用三维有限元法模拟分析了不同挤压速度、模具结构对挤压过程温度场、速度场及应力场的影响。
结果表明,采用锥模和流线模时,当定径带长度为15~20mm时,可在挤压速度达到5mm/s的条件下成形出表面光滑无裂纹的镁合金棒材,而采用平模挤压时,当定径带长度为10~20mm时,获得良好表面质量的挤压速度达到2.5mm/s,并在6.5MN的卧式挤压机上,通过挤压实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。
2.镁合金型材挤压成形过程数值模拟研究现状
有限元与塑性成形理论的交叉融合及计算机硬件的发展及普及CAD/CAM/CAE软件的相继面市,使有限元数值模拟技术在金属塑性成形得到了广泛的应用,因此国内外的学者们对有限元技术在挤压模具中的应用做了大量的研究。
1.3.1国外镁合金型材数值模拟研究现状
国外有学者对AZ31镁合金按照不同挤压比挤压后研究表明[24],在挤压铸态镁合金棒材时,挤压比很大时,所获得产品的表面晶粒度要比中心晶粒度还细小,同时也可获得较小的心部晶粒尺寸。
当挤压比较小时,铸态棒材心部的晶粒尺寸变化较小,晶粒尺寸与铸态晶粒差别不大,心部晶粒部分沿着挤压方向拉长,只是表层晶粒得到细化;当挤压比达10时,心部晶粒发生了动态再结晶,表层晶粒进一步被细化;当挤压比进一步增大,达到100时,心部晶粒由于第二相质点的存在阻碍了心部再结晶晶粒的长大,使得心部晶粒细化,同时表层的晶粒进一步细化。
随着挤压比的变大,表层和心部晶粒细化,从而获得较高力学性能的镁合金棒材。
Y.Uematsu,K.Tokaji等学者[25]研究了AZ80镁合金在高挤压比的条件下经过挤压,挤压后镁合金能获得较细晶粒,并且推迟疲劳裂纹的产生。
国外学者研究了ECAE对AZ32镁合金组织的影响,在200℃以下经过2道次的ECAE挤压后,晶粒细化不明显,但是250℃和300℃下经过多道次的挤压后可获得细小等轴的晶粒。
此外,荷兰Delft科技大学[26]对AZ31、AZ61、AZ80以及含Ca和Sr元素的高温镁合金MRI153等的均匀化处理、等温挤压工艺及表面处理技术进行了全面系统的研究,并开发出了一系列适合航空用的镁合金型材。
英国开发出的MgAIB合金挤压材被用于Magnox核反应堆燃料罐。
1.3.2国内镁合金型材数值模拟研究现状
王斌等[27]运用DEFORM-3D平台对ZK60变形镁合金型材挤压过程进行了数值模拟。
分析了变形温度(T=300℃/350℃)、变形速度(V=2.5mm/s)对合金等效应变、等效应力、温度场以及变形载荷的影响规律。
结果表明:
温度对等效应力影响显著,变形温度从300℃升高到350℃,合金最大等效应力从75MPa降低到55MPa;变形速度对温升影响显著,挤压速度由2mm/s升高到5mm/s,合金最大温升由81℃升高到118℃。
确定了ZK60合金在挤压比为25时,适宜的挤压温度为350℃,挤压速度应在5mm/s以下。
杨忠旺等[28]采用自行设计的平面分流挤压模,研究了铸锭固溶处理、挤压温度和挤压速度等工艺参数对AZ91镁合金型材成形性能的影响规律。
研究结果表明,铸锭固溶处理可消除铸造组织中的枝晶偏析,减少析出相的数量并使其由片状连续网状分布变为点状随机分布,合适的固溶温度为460℃,固溶时间10~15h。
挤压温度和挤压速度是影响镁合金型材挤压成形的关键工艺参数,AZ91镁合金型材的合适挤压温度为380℃左右,挤压速度为5mm/s,此时型材表面光滑且焊合良好。
傅丽云[29]对含Y的Mg-Al-Zn系镁合金宽幅型材进行了不同温度的挤压,并进行了显微组织、XRD、力学性能和耐腐蚀性能的测试与对比分析。
结果表明,当挤压温度从300℃升高至450℃,该宽幅型材的晶粒尺寸减小,晶面织构强度先基本不变后明显下降,抗拉强度和冲击韧度下降,伸长率和耐腐蚀性能先提高后下降。
与300℃的挤压型材相比,350℃挤压的型材能使平均晶粒尺寸增大6μm,晶面织构强度基本不变,抗拉强度减小3MPa,冲击韧度下降3.43%,伸长率增加2.2%,腐蚀电位正移104mV。
李光振等[30]用Gleeble-3500热-力模拟机对AZ31镁合金型材进行了热压缩实验,得到材料应力—应变曲线,根据Arrhenius模型计算其本构方程。
以HyperXtrude有限元分析软件为研究平台,数值模拟了实心镁型材挤压成形过程;以型材出口处截面金属流动速度为目标建立了目标函数,优化镁型材挤压模具工作带长度,最终获得了较高质量型材。
孙文君等[31]采用基于AZ31镁合金的本构方程与ALE算法的HyperXtrude软件,针对某一AZ31镁合金薄壁空心型材的挤压过程进行数值模拟,根据初始模具设计的不足,提出优化模具工作带长度和增设阻流坎两种优化设计方案。
结果表明,优化方案有效地解决了初始模具设计中速度分布不均的问题;采用优化方案生产的型材截面上的温度分布和应力分布更加均匀;对于复杂薄壁空心型材,增设阻流坎比优化工作带长度更加适用。
总结现有的国内外的研究成果,发现还存在以下问题有待深入研究:
(1)目前有关镁合金挤压技术的研究大多集中在工艺参数对其成形过程的影响方面,而模具结构对成形过程的影响研究较少。
(2)在模具结构优化方面主要基于分流孔分布与工作带长度的调整,而在实际挤压过程中,需要综合考虑多级焊合室及阻流坎等各种因素,探讨挤压模具结构的整体优化。
(3)在模具结构参数优化方面,普遍以形状和结构较为简单的导流模具为研究对象,采用型材出口截面流动速度的均方差为优化目标,研究模具参数与挤出型材质量之间的关系,而对于模具在挤压过程中的受力情况与结构参数之间的关系还需要进一步的研究。
3.镁合金型材宽展挤压简介
3.1镁合金型材宽展挤压原理和流动规律
宽展挤压是一种新型的挤压方法,其实质是在圆挤压筒工作端加设一个宽展
模,使圆锭产生预变形,厚度变薄,宽度逐渐增加到大于圆挤压筒直径,起到扁
挤压作用的一种方法。
因此用此法可部分代替扁挤压筒生产薄壁镁合金实心壁板
或空心壁板。
用宽展模挤压法可生产比圆挤压筒直径宽10%~30%的薄壁型材,宽展率以15%~30%为宜,宽展角一般取30°左右[32]。
图4-1金属流动示意图
宽展挤压时金属的流动规律为:
铸锭在圆挤压筒中经镦粗后,进入宽展挤压
模,金属在宽展模中被减薄、展宽,如图1.1所示。
整个变形可分为三个阶段[33]。
第一阶段:
一次挤压阶段。
圆挤压筒中的材料流经挤压筒1与宽展模2的交界面,产生截面积减小的挤压变形,坯料由圆形截面(A-A截面)变形为矩形截面(B-B截面)。
因热挤压的摩擦特点,会产生一个明显的死区1,该死区对铸锭表面的流动起阻碍作用,但同时,死区的存在使铝锭表层的缺陷滞留在模内,对改善铝型材表面质量是有利的。
第二阶段:
镦粗阶段。
流入宽展模中的金属中心部分首先接触型材模孔,由
于型材模孔的尺寸与宽展模孔腔尺寸相比很小,挤出模孔的压力远远大于镦粗压
力,金属流动遵循阻力最小定律,此时在宽展模腔内产生充填型腔的镦粗变形,
完成材料的宽展。
第三阶段:
二次挤压阶段。
镦粗阶段后期,宽展模腔中建立起了静水压力,
模腔中各点的比压与圆形挤压筒中各点金属的比压相同,迫使金属流出模孔。
当金属开始流出模孔时,密封系统破坏,静水压力降低,比压下降。
二次挤压使坯料完成由宽展模截面(C-C截面)向型材模截面(D-D截面)的变形。
同样,此挤压过程在挤压变形出口处会产生死区2,它会消耗多余的剪切功。
3.2镁合金型材宽展挤压特点
宽展挤压是一种适合于挤压宽度大于挤压筒直径型材的新型挤压方法,部分
代替了结构复杂、成本高的扁挤压筒,是一种值得推广使用的型材挤压方法。
宽展挤压金属的流动特点:
一是使金属流动的几何相似性增大,金属流动均匀,宽展导流板具有使圆挤压孔过渡为扁挤压孔的功能,宽展率达15%~25%;二是导流板宽展孔周长增大和挤压死区增加,使挤压摩擦阻力增大了20-25%左右,会影响挤压金属流动的均匀性。
因此宽展挤压的主要优点是:
可以挤压比圆筒直径更宽的壁板或扁宽型材,模具容易加工,成本低,省掉了设计和制造都很复杂、价格又昂贵的扁挤压筒;宽展模可以与平面模,也可以与组合模配合使用,可在一般挤压机使用现有的工具正向挤压壁板或扁宽型材。
缺点是模子清理、修复比较困难,挤压力较一般挤压高20%左右,因而很难挤压变形系数大,宽厚比大的硬合金壁板。
3.3镁合金型材宽展挤压国内外研究状况
目前,国内宽展挤压技术的研究多集中在铝合金型材,而镁合金型材的宽展挤压工艺研究还未见报道。
国内只有北京广灵、山西银光和北京有色院生产挤压镁棒、镁带等小尺寸的型材;王锐[34]在某镁业有限公司的挤压车间进行了AZ31镁合金型材宽展挤压温度、挤压速度和变形程度等工艺参数的研究,在某铝业有限公司进行了AZ31镁合金型材宽展挤压。
通过对挤压温度、挤压速度和变形程度进行控制,有效地提高了出品速度和成品率,对于镁合金型材宽展挤压技术具有实践意义。
国外镁合金挤压型材的研究,仅限于日本三协铝业,他们依靠大吨位恒温等速等先进挤压设备来满足型材要求,对挤压工艺未作更深研究。
镁合金型材的宽展挤压还处于起步和摸索阶段,随着制造业对质轻、节能降耗和环保的要求提高,市场迫切要求研究开发镁合金型材宽展挤压技术。
4.课题的研究方法及内容
本课题利用有限元数值模拟技术对AZ31镁合金型材的宽展挤压过程进行模拟,研究的主要内容分为以下两部分:
1、建立镁合金AZ31宽展挤压成形过程的有限元模型,实现镁合金AZ31宽展挤压过程的数值分析。
2、研究宽展挤压模具参数对挤压成形过程的影响。
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