文/董力源，薛世博，史碩晴·合肥工業(yè)大學(xué)

往復(fù)擠壓工藝的裝置設(shè)計及數(shù)值模擬

文/董力源，薛世博，史碩晴·合肥工業(yè)大學(xué)

往復(fù)擠壓工藝是大塑性變形（SPD）技術(shù)的一種，該技術(shù)可使合金材料得到超細(xì)晶（UFG）組織。針對現(xiàn)有往復(fù)擠壓裝置均需在雙向液壓機(jī)上方可實現(xiàn)，且國內(nèi)液壓機(jī)多為單向液壓機(jī)等問題，本文設(shè)計了一種用于在單向液壓機(jī)上實現(xiàn)往復(fù)擠壓工藝的裝置，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬驗證了該裝置的可行性。

針對傳統(tǒng)材料存在的缺點，從材料內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和材料性能的關(guān)系入手，研究傳統(tǒng)材料的改造和創(chuàng)新材料的開發(fā)應(yīng)用已愈來愈重要。提高材料的性能大多集中在晶粒的細(xì)化，合金材料在獲得超細(xì)組織后，其物理、力學(xué)性能往往得到顯著提高。大塑性變形技術(shù)簡稱SPD，具有顯著的細(xì)化晶粒作用，可以將材料的晶粒組織細(xì)化到亞微米甚至納米級，被國際材料學(xué)界公認(rèn)是制備塊體納米和超細(xì)晶材料的最有前途的方法。往復(fù)擠壓技術(shù)簡稱CEC，是大塑性變形技術(shù)SPD其中的一種。往復(fù)擠壓的模具由兩個同軸的相同尺寸的模腔和一個緊縮區(qū)組成，每個型腔配備一個沖頭。在擠壓過程中，試樣在沖頭的作用下，到達(dá)緊縮區(qū)，此時試樣將受到正擠壓變形，擠壓后的試樣在另一個模腔的沖頭作用下發(fā)生鐓粗變形。然后，另一邊沖頭將試樣按上述過程反向壓回完成一個擠壓循環(huán)。重復(fù)以上過程直至獲得所要的應(yīng)變?yōu)橹梗缓笠迫ヒ粋?cè)沖頭就可以將試樣擠出成形。它具有以下特點：⑴應(yīng)變量大，晶粒細(xì)化能力強(qiáng)；⑵擠壓與壓縮同時進(jìn)行，可以使金屬和合金獲得任意大的應(yīng)變而沒有破裂的危險；⑶連續(xù)變形，無需改變試樣的原始形狀；⑷材料在變形過程中基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于消除材料初始組織的各種缺陷；⑸加工溫度范圍廣。

現(xiàn)有技術(shù)中的往復(fù)擠壓工藝，上下凸模各對應(yīng)一個液壓推力系統(tǒng)，一般需要在雙向液壓機(jī)上才能實現(xiàn)，對設(shè)備要求較高。除此，也有人提出過單向液壓機(jī)上實現(xiàn)往復(fù)擠壓工藝的裝置，但是由于坯料接觸下頂頭時是“硬著陸”，即下凸模位置固定不動，不隨著坯料向下移動，坯料接觸下凸模后，下擠壓筒內(nèi)坯料的軸向長度不再發(fā)生變化，易導(dǎo)致坯料在擠壓筒失穩(wěn)發(fā)生宏觀折疊，造成往復(fù)擠壓工藝無法進(jìn)行下去。

裝置設(shè)計

圖1為可在單向液壓機(jī)上實現(xiàn)往復(fù)擠壓工藝的裝置示意圖。本裝置具有以下特點：

⑴相比已有技術(shù)中往復(fù)擠壓工藝需要在雙向液壓機(jī)上才能實現(xiàn)，本裝置直接利用單向液壓機(jī)完成雙向擠壓工藝，大大降低了對設(shè)備的要求，由于我國普遍使用單向液壓機(jī)，該裝置極大地有利于往復(fù)擠壓工藝的推廣。

⑵在單向液壓機(jī)上實現(xiàn)了往復(fù)擠壓工藝的“軟著陸”，即通過設(shè)置氮氣彈簧提供背壓力，并作為下頂頭的承載面，使得坯料接觸下頂頭后，下頂頭可以向下運行，因此下擠壓筒內(nèi)坯料的軸向長度仍在增加，避免坯料在擠壓筒失穩(wěn)發(fā)生宏觀折疊，保障往復(fù)擠壓工藝的正常進(jìn)行，以往也有人提出過在單向液壓機(jī)上實現(xiàn)往復(fù)擠壓工藝的裝置，但是由于坯料接觸下頂頭時是“硬著陸”，易導(dǎo)致坯料在擠壓筒失穩(wěn)發(fā)生宏觀折疊，造成往復(fù)擠壓工藝無法進(jìn)行下去。

⑶擠壓筒由兩瓣半環(huán)形擠壓筒拼合組成，并且縮頸是由兩瓣模芯鑲塊嵌入內(nèi)筒壁凹槽而來，目的是方便卸料，提高生產(chǎn)效率，以往實現(xiàn)往復(fù)擠壓的裝置卸料都比較困難，甚至取不出加工好的坯料。

⑷將上、下凸模分別分解為上沖頭、上墊板與下墊板、下頂頭，可以設(shè)置上沖頭的直徑比上墊塊略小，下頂頭的直徑比下墊塊略小，這樣可以使得每次回程時，上沖頭能夠輕易拔出，下頂頭能夠輕易被氮氣彈簧頂起，以往的裝置往往上、下沖頭會被飛邊卡住，很難取出來，嚴(yán)重影響工作效率。

⑸縮頸直徑可以變動，是為了滿足不同擠壓比的需求。變形區(qū)設(shè)計為模芯鑲塊，是為了方便替換易損區(qū)。模芯鑲塊的上、下端面設(shè)計為一定錐度，是為了模芯鑲塊嵌入方便，同時增加模芯鑲塊的抗剪斷能力和半環(huán)形擠壓筒內(nèi)筒壁凹槽的抗壓塌能力，有利于提高模具使用壽命，以往的裝置通常縮頸跟擠壓筒是一體的，而縮頸又是最容易損壞的，縮頸損壞意味著要更換新模具，造成很大的浪費。

⑹下頂頭尺寸與凹模固定板圓形空腔相互配合，環(huán)形擠壓筒其頂端圓柱體與凹模壓板底面上的圓形凹槽相互配合，整個凹模又是跟凹模固定板相互配合，以及上、下凸模采用分體設(shè)計，這一系列結(jié)構(gòu)設(shè)置可以輕易實現(xiàn)凸模與凹模的對中，操作簡單，以往的裝置上、下（或左、右）凸模往往無此結(jié)構(gòu)，對中困難。

⑺環(huán)形擠壓筒、凹模壓板、預(yù)緊圈和模芯鑲塊組成的凹模作為一個整體，在工作時可以倒轉(zhuǎn)。往復(fù)擠壓成形第一道次時，將凹模正放，第一道次結(jié)束將凹模倒放進(jìn)行第二道次，如此循環(huán)可進(jìn)行后續(xù)道次。

數(shù)值模擬

有限元建模

圖1 往復(fù)擠壓裝置示意圖

為了驗證本裝置的可行性，進(jìn)一步探討往復(fù)擠壓工藝的特點，采用Deform-3d有限元軟件對往復(fù)擠壓工藝過程進(jìn)行有限元模擬。通過UG軟件三維建模，然后導(dǎo)入Deform-3d軟件，得到如圖2所示的往復(fù)擠壓工藝結(jié)構(gòu)示意圖。有限元模擬過程中所采用的工藝參數(shù)見表1，根據(jù)上、下型腔直徑為φ30mm，縮頸直徑為φ20mm，可得擠壓比為2.25。模擬時的關(guān)鍵技術(shù)是給下頂頭設(shè)置一個類似氮氣彈簧所提供的逐漸上升的背壓力。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

表1 工藝參數(shù)

圖3所示為往復(fù)擠壓工藝成形過程，由于對下頂頭設(shè)置了一個類似氮氣彈簧所提供的逐漸上升的背壓力，整個成形過程中坯料平穩(wěn)通過縮頸口，且均未失穩(wěn)發(fā)生宏觀折疊，真正實現(xiàn)了坯料的“軟著陸”，因此，該裝置設(shè)置氮氣彈簧是合理的。

圖3 往復(fù)擠壓成形過程

圖4為第二道次結(jié)束時，坯料對稱面上等效應(yīng)變分布圖，由圖4可知，經(jīng)過兩道次的往復(fù)擠壓變形，坯料的大部分區(qū)域等效應(yīng)變量已達(dá)到4。在大塑性變形工藝中,作用于材料上的應(yīng)變超過4.0，材料可獲得晶粒尺寸小于1μm的超細(xì)晶組織，因此，材料經(jīng)過往復(fù)擠壓變形可以較容易得到UFG組織。

圖4 等效應(yīng)變分布圖

圖5為第二道次結(jié)束時，坯料對稱面上溫度分布圖，由圖5可知，經(jīng)過兩道次的往復(fù)擠壓變形，坯料溫度由250℃升至260～290℃，并且溫度分布較為均勻，縮頸變形區(qū)溫度較高，已變形區(qū)溫度較低。7075鋁合金較優(yōu)的成形溫度一般在450℃以下，而往復(fù)擠壓變形過程中溫度均在此范圍，不會出現(xiàn)過燒和組織粗大，并且由此可知，在加熱設(shè)備允許的范圍，成形溫度在合理范圍內(nèi)可以進(jìn)一步提高，以便降低載荷。

圖5 溫度分布圖

圖6為往復(fù)擠壓過程中，上沖頭與下頂頭的載荷-時間曲線，由圖6可知，上沖頭與下頂頭的載荷間存在近似的平行關(guān)系，兩者之差約為70t，這70t的差值是由坯料與腔壁間的摩擦及縮頸區(qū)的劇烈變形引起的，其中劇烈變形力占主導(dǎo)。上沖頭的最大載荷約為140t，針對本實驗現(xiàn)有的200t液壓機(jī)設(shè)備，該載荷在合理范圍，并且可以進(jìn)行更大擠壓比的往復(fù)擠壓成形。

圖6 載荷-時間曲線

結(jié)束語

本文論述了一種用于在單向液壓機(jī)上實現(xiàn)往復(fù)擠壓工藝的裝置，通過來回倒置凹模，可以對圓柱坯料進(jìn)行多道次往復(fù)擠壓變形；通過替換不同內(nèi)徑的模芯鑲塊，可以實現(xiàn)不同擠壓比的往復(fù)擠壓工藝；本裝置進(jìn)行往復(fù)擠壓工藝具有操作方便，對液壓機(jī)設(shè)備要求低，對模具易損處更換方便，節(jié)省模具材料等優(yōu)點。

通過有限元數(shù)值模擬，驗證了該裝置的可行性，整個往復(fù)擠壓過程中坯料平穩(wěn)變形，未出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生宏觀折疊，造成往復(fù)擠壓工藝無法進(jìn)行下去；在坯料第一次通過縮頸口后，上沖頭與下頂頭的載荷進(jìn)入穩(wěn)定的差值；通過兩道次往復(fù)擠壓變形后，坯料大部分區(qū)域應(yīng)變量便可達(dá)到4以上。