趙玲杰,張馳,汪舜,單慧云,宿婷

(重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400054)

基于數(shù)值模擬的AZ61鎂合金擠壓-剪切工藝

趙玲杰,張馳,汪舜,單慧云,宿婷

(重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400054)

目的 研究擠壓-剪切變形的最優(yōu)化工藝參數(shù),分析各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)AZ61鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。方法 通過(guò)有限元模擬技術(shù),分析了各個(gè)工藝參數(shù),包括擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比對(duì)AZ61鎂合金成形結(jié)果的影響。結(jié)果 通過(guò)對(duì)有限元模擬結(jié)果的分析和研究,得到AZ61鎂合金成形的最佳工藝參數(shù)為:擠壓溫度為400℃;擠壓速度為10 mm/s;擠壓比越大,再結(jié)晶效果越明顯,晶粒尺寸越細(xì)小。結(jié)論 優(yōu)化了擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比等影響AZ61鎂合金成形的因子,得到了符合實(shí)際生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)。

擠壓-剪切工藝;有限元模擬;AZ61鎂合金

擠壓工藝不但可以細(xì)化晶粒尺寸,消除存在鑄錠內(nèi)的縮松縮孔,還可以改善枝晶偏析等缺陷,從而改善金屬內(nèi)部的微觀組織,提高材料的力學(xué)性能[1];剪切可以在組織內(nèi)部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,將上述雙重作用結(jié)合在一起形成一種擠壓-剪切工藝[2—4],可以很好地改善材料內(nèi)部的微觀組織和力學(xué)性能[5—8]。

根據(jù)擠壓-剪切工藝的特點(diǎn)[9—12],設(shè)計(jì)了相應(yīng)的擠壓-剪切模具,如圖1所示,其核心部分組合凹模的設(shè)計(jì)如圖2所示,并將該模具分為擠壓杯錐區(qū)、普通擠壓區(qū)、一次剪切區(qū)和二次剪切區(qū)。設(shè)計(jì)這種彎曲模具,通過(guò)連續(xù)的彎曲變形來(lái)改善材料內(nèi)部的晶粒尺寸,從而提高材料的力學(xué)性能[13—14]。

圖1 擠壓-剪切模具Fig.1 Extrusion-shearmold

圖2 擠壓-剪切模具的擠壓模示意圖(部分)Fig.2 Schematic of extrusion part in extrusion-shearmold

1 有限元模擬方案

AZ61鎂合金[15]的實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:對(duì)擠壓筒內(nèi)的坯料進(jìn)行加載,使坯料向前移動(dòng),在遇到擠壓模時(shí),金屬被擠壓產(chǎn)生變形,使擠壓筒內(nèi)的坯料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),金屬受擠壓變形后成形的材料為實(shí)驗(yàn)棒料。

采用正交實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行有限元模擬,坯料直徑設(shè)置為80 mm,擠壓筒直徑設(shè)為85 mm,坯料和模具之間的摩擦因子設(shè)為0.4,模具和坯料之間的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為11 N/(℃·s·mm2),其他具體模擬參數(shù)設(shè)置如表1所示。每次模擬選擇單個(gè)因素進(jìn)行分析。

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)方案,分別研究擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比對(duì)成形結(jié)果的影響。根據(jù)Deform-3D的模擬結(jié)果,導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和曲線圖,分別進(jìn)行分析比較,最后得出相應(yīng)的結(jié)論。

表1 有限元模擬的參數(shù)設(shè)置Tab le 1 Process param eters setting of the finite elem ent sim u lation

2 不同因素對(duì)成形結(jié)果的影響

2.1 擠壓溫度對(duì)成形結(jié)果的影響

如圖3所示,設(shè)置擠壓比為22,擠壓速度為10 mm/s,摩擦因子為0.4,擠壓溫度分別為370,400,420℃,對(duì)不同溫度下的成形結(jié)果進(jìn)行分析可知:在各個(gè)溫度下,從擠壓的初始階段開始,擠壓力呈直線上升趨勢(shì),其原因是:在開始階段由于變形而產(chǎn)生加工硬化使應(yīng)力值增加,變形抗力增加;當(dāng)擠壓進(jìn)行到2 s左右時(shí),擠壓力出現(xiàn)峰值,且溫度越高其相應(yīng)的擠壓力峰值越小。從圖3可以看出,當(dāng)擠壓溫度為370℃時(shí),產(chǎn)生的擠壓力最大。

圖3 不同擠壓溫度下擠壓力的對(duì)比Fig.3 The different extrusion force in different extrusion temperature

同時(shí)在變形過(guò)程中,溫度的不斷上升,激活了鎂合金內(nèi)部的滑移系,改善了鎂合金的塑性;而在擠壓變形達(dá)到一定程度時(shí),擠壓力稍有降低并出現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài),其原因是坯料在擠壓和剪切的共同作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,同時(shí)出現(xiàn)軟化和硬化,擠壓力也因此出現(xiàn)波動(dòng)。綜上,選取的最佳擠壓溫度為400℃。

圖4 不同擠壓速度下擠壓力的對(duì)比Fig.4 The different extrusion force in different extrusion speed

2.2 擠壓速度對(duì)成形結(jié)果的影響

擠壓速度對(duì)成形結(jié)果的影響是通過(guò)對(duì)變形抗力的影響來(lái)表現(xiàn)的。一般情況下,擠壓開始階段,擠壓速度越大,擠壓力越大,隨著變形的進(jìn)行,變形區(qū)溫度升高,但坯料的冷卻速度較慢,擠壓力會(huì)有所下降。

在研究擠壓速度對(duì)擠壓力的影響時(shí),將其他的各個(gè)參數(shù)分別設(shè)置為:擠壓溫度為400℃,擠壓比為22,摩擦因子為0.4,而擠壓速度分別為2,5,10,20 mm/ s。不同擠壓速度對(duì)擠壓力的影響如圖3所示。根據(jù)圖3曲線可知:擠壓速度越大,擠壓力上升越快;隨著擠壓速度的增加,擠壓力急劇上升。這是因?yàn)閿D壓速度越大,相應(yīng)的變形速度越大,材料的加工硬化現(xiàn)象越嚴(yán)重,變形抗力增加越快。擠壓進(jìn)行到一定階段后,在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化和加工硬化的共同作用下,擠壓力值出現(xiàn)波動(dòng);擠壓速度越大,擠壓力越大,當(dāng)速度為20 mm/s時(shí),擠壓力超過(guò)擠壓機(jī)的承受范圍,所以擠壓速度不能過(guò)大,而擠壓速度過(guò)低時(shí)材料會(huì)因?yàn)樽陨淼睦鋮s產(chǎn)生變形抗力,導(dǎo)致擠壓力繼續(xù)上升,所以選擇最佳擠壓速度為10 mm/s。

圖5 G=11和G=28時(shí)各個(gè)階段材料的應(yīng)變速率分布Fig.5 The strain rate of thematerial at the stages of G=11 and G=28

2.3 擠壓比(G)對(duì)應(yīng)變速率分布的影響

如圖5為G=11和G=28兩種情況下的應(yīng)變速率的分布圖。由圖5可知:在一次剪切區(qū)G=11時(shí),應(yīng)變速率為52,G=28時(shí)應(yīng)變速率為70.5;在二次剪切區(qū)G=11時(shí)的應(yīng)變速率為61.1,遠(yuǎn)低于G=28時(shí)得到的應(yīng)變速率139。

擠壓時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與應(yīng)變和材料變形過(guò)程中的應(yīng)變速率有關(guān),根據(jù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí),平均晶粒尺寸d與Z參數(shù)關(guān)系:ln d=A+B ln Z,Z為溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率且Z=˙εexp(Q/RT)。由以上兩個(gè)公式可以得出:應(yīng)變速率 ˙ε值越大,Z值就越大,平均晶粒尺寸d就越小。由此可知G=28時(shí)的應(yīng)變速率要明顯優(yōu)于G =11時(shí)的應(yīng)變速率,即G=28時(shí)晶粒的細(xì)化效果更明顯,即擠壓比越大,再結(jié)晶程度越好,晶粒尺寸越細(xì)小。

3 結(jié)論

1)由模擬結(jié)果可知,擠壓速度對(duì)擠壓-剪切的影響是:擠壓速度越大,擠壓力越大,材料產(chǎn)生加工硬化,使其變形抗力增加,所以擠壓速度不能過(guò)大。

2)基于對(duì)擠壓溫度、擠壓速度的研究,最終選取的最佳的工藝參數(shù)為:擠壓溫度為400℃,擠壓速度為10 mm/s。

3)分析不同擠壓比對(duì)零件擠壓后的應(yīng)力及應(yīng)變速率的影響,可知擠壓比越大,材料的應(yīng)力和應(yīng)變速率越大,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶趨勢(shì)越大,晶粒就越細(xì)小,材料的力學(xué)性能越好,但擠壓比過(guò)大可能會(huì)超出設(shè)備的承受力,所以要選擇合適的擠壓比。

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Extrusion-shearing Process of AZ61 Magnesium Alloy Based on Numerical Simulation

ZHAO Ling-jie,ZHANG Chi,WANG Shun,SHAN Hui-yun,SU Ting
(Department of Material Science and Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

The aim of this study was to investigate optimization of forming process parameters of the extrusion-shear deformation,and to analyze the influence of process parameters on themicrostructure of AZ61 magnesium alloy and themechanical properties.The influence of process parameters were analyzed including extrusion temperature,extrusion speed and extrusion ratio on the results of AZ61 magnesium alloy forming by finite element simulate.The optimized process parameters of AZ61 magnesium alloy forming through the finite element simulation was as follow:the extrusion temperature was 400℃;the extrusion speed was10mm/s;with the increase of extrusion ratio,the effectof recrystallization was better and the grain size was smaller.The influencing factors for AZ61magnesium alloy of extrusion temperature,extrusion speed and extrusion ratio were optimized,and the best process parameters of AZ61 magnesium alloy were obtained.

extrusion-shearing process;finite element simulation;AZ61 magnesium alloy

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.013

TG376.5

:A

:1674-6457(2015)04-0062-04

2015-04-21

重慶市重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(YCX2014214)

趙玲杰(1988—),女,河南人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榻饘俨牧蠑D壓。

張弛(1964—),男,碩士,教授,主要從事金屬精密塑性成形工藝、模具及設(shè)備研究。