王甲駿， 王 婧

（機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金會(huì)， 北京 100053）

0 引言

Al-Zn-Mg-Cu 系高強(qiáng)鋁合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和良好的耐腐蝕性能， 已成為航空航天和交通運(yùn)輸領(lǐng)域重要結(jié)構(gòu)材料之一[1]。然而高強(qiáng)鋁合金板材在軋制過(guò)程中變形難度較大，導(dǎo)致后續(xù)加工困難。因此進(jìn)行板材軋制過(guò)程中應(yīng)力分布的影響因素及規(guī)律的探究， 對(duì)軋制過(guò)程中工藝規(guī)范的制定具有重要的工程意義[2]。

目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了合金軋制過(guò)程的有限元模擬研究，分析了軋制過(guò)程的下壓量、軋制速率、工作溫度、輥徑等工藝參數(shù)對(duì)合金板溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)分布以及微觀組織的影響，研究結(jié)果對(duì)建立中厚板軋制過(guò)程的有限元數(shù)值模擬提供了參考[3]。針對(duì)高強(qiáng)鋁合金具有的成分、組織及性能特征，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行軋制過(guò)程模擬， 分析合金變形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布規(guī)律，為制定合理的軋制工藝參數(shù)提供指導(dǎo)原則，通過(guò)優(yōu)化工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量及效率，降低成本具有非常重要的意義。

1 研究方案

1.1 材料成分及樣品。

本實(shí)驗(yàn)采用Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，成分見(jiàn)表1。

表1 鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

待軋制毛坯尺寸設(shè)定為長(zhǎng)度：65mm；寬度：20mm； 厚度：10mm。

1.2 研究方案制定

分析應(yīng)力為等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

（1）軋制溫度對(duì)應(yīng)力分布的影響。 設(shè)定終軋厚度為7.5mm，分別在300℃，350℃，400℃，450℃下進(jìn)行單道次軋制，分析鋁合金板中應(yīng)力分布規(guī)律，確定最佳軋制溫度。

（2）軋制道次對(duì)應(yīng)力分布影響。 設(shè)定軋制溫度為300℃，由10mm 厚壓制到終厚度7mm，30%的變形量，分別采用1，2，3，4 道次完成， 研究軋制道次對(duì)板材應(yīng)力分布的影響規(guī)律。 五組實(shí)驗(yàn)的軋制道次及下壓量見(jiàn)表2。

表2 軋制道次及下壓量設(shè)置

（3） 鋁合金板厚度對(duì)應(yīng)力分布的影響。 設(shè)定軋制溫度為300℃，將鋁合金軋制至終厚度分別為9.0mm、8.0mm、7.0mm、6.0mm、5.0mm。

1.3 材料參數(shù)及有限元模型

鋁合金及軋輥材料參數(shù)見(jiàn)表3 和4。

表3 鋁合金材料參數(shù)

表4 硬質(zhì)合金軋輥材料參數(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4，5]，鋁合金高溫塑性變形條件下相關(guān)參數(shù)代入得到鋁合金的本構(gòu)方程為：

式中：ε˙—應(yīng)變速率（S-1）； T—溫度（K）；σ—流變應(yīng)力。

選取模型的1/4 進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖1。圖2 為板材和軋制的有限元模型。選取了2 條分析路徑，見(jiàn)圖3。其中板材中心至表面為X 路徑；沿厚度方向?yàn)閅 路徑。

圖1 鋁合金板網(wǎng)格劃分

圖2 板和軋輥的網(wǎng)格劃分

圖3 分析路徑

2 研究結(jié)果及分析討論

2.1 軋制溫度對(duì)板材應(yīng)力分布影響

設(shè)定終軋厚度為8mm， 分別在300℃，350℃，400℃，450℃下進(jìn)行單道次軋制， 分析鋁合金中等效應(yīng)力分布，確定最佳軋制溫度。

圖4 為軋制溫度對(duì)鋁合金板材等效應(yīng)力分布的影響。 由圖4 可知，沿X 路徑由板材心部至表面，等效應(yīng)力先逐漸增大，在距表面大約1/2 處出現(xiàn)最大值。 隨著軋制溫度的上升，沿X 路徑的等效應(yīng)力均下降。沿厚度方向Y路徑，等效應(yīng)力先呈現(xiàn)平緩的趨勢(shì)，在厚度1/4 處開(kāi)始下降，1/2 處開(kāi)始小幅度上升。

圖5 為軋制溫度對(duì)鋁合金板材剪切應(yīng)力的影響。 沿X 路徑從板材心部至表面，剪切應(yīng)力由正變負(fù)，峰值出現(xiàn)在距表面3/4 處。 沿厚度方向Y 路徑的剪切應(yīng)力峰值出現(xiàn)在約為厚度3/4 處。 隨著軋制溫度的升高，厚度方向的剪切應(yīng)力峰值減小。

圖4 軋制溫度對(duì)板材等效應(yīng)力分布的影響

圖5 軋制溫度對(duì)板材剪切應(yīng)力分布的影響

2.2 軋制道次對(duì)板材應(yīng)力分布影響

設(shè)定軋制溫度為300℃， 由10mm 厚壓制到7mm 厚度，30%的變形量，分別采用1，2，3，4 道次完成，研究軋制道次對(duì)板材應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

圖6 為軋制道次對(duì)鋁合金板材等效應(yīng)力分布的影響。 沿X 路徑從心部到表面，等效應(yīng)力為先上升后幾乎不變的趨勢(shì)，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距表面1/4 處，軋制道次對(duì)板材表面處應(yīng)力影響不大。 總下壓量一定時(shí)，軋制道次越多，應(yīng)力梯度越小，等效應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力峰值接近表面。 沿厚度方向Y 路徑等效應(yīng)力先上升， 在厚度1/5-2/5 處出現(xiàn)峰值并開(kāi)始下降，在厚度4/5 處出現(xiàn)最小值。 在總下壓量相同時(shí)，軋制道次越多，同一位置等效應(yīng)力越小，應(yīng)力峰值的位置接近上表面。

圖7 為軋制道次對(duì)鋁合金板材剪切應(yīng)力的影響。 沿X 路徑的剪切應(yīng)力，當(dāng)?shù)来屋^多時(shí)，反向應(yīng)力值較大，其中二道次和三道次的應(yīng)力分布更加均勻。 隨著軋制道次的增加，峰值出現(xiàn)的位置也逐漸靠近表面，應(yīng)力分布較為均勻。 板材沿厚度方向Y 路徑的剪切應(yīng)力先上升后下降的趨勢(shì)，應(yīng)力峰值在距表面約1/2 處。 在相同位置，道次多，鋁合金板材剪切應(yīng)力分布均勻。

圖6 軋制道次對(duì)板材等效應(yīng)力分布的影響

圖7 軋制道次對(duì)板材剪切應(yīng)力分布的影響

2.3 鋁板厚度對(duì)板材等效應(yīng)力分布影響

設(shè)定軋制溫度為300℃，厚度為5，6，7，8，9，研究鋁合金板厚度對(duì)板材應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

圖8 為300℃軋制板材厚度對(duì)等效應(yīng)力的影響。

圖8 300℃軋制板材厚度對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖9 300℃軋制板材厚度對(duì)剪切應(yīng)力的影響

板厚度較大，沿X 路徑由中心到表面，等效應(yīng)力先增大后緩慢減小，峰值出現(xiàn)在距表面1/3 處。 鋁合金板材厚度越大， 由心部到表面沿厚度方向Y 路徑的等效應(yīng)力先上升再緩慢下降。

圖9 為300℃軋制板材厚度對(duì)剪切應(yīng)力的影響。

鋁合金板材越厚，剪切應(yīng)力值越小。板材厚度較小時(shí)，沿X 路徑從中心到表面，剪切應(yīng)力方向由正到負(fù)。 板材厚度較大時(shí)，沿X 路徑的剪切應(yīng)力主要為正值，第一個(gè)峰值在距表面3/4 處，第二個(gè)峰值在距表面1/4 處。 隨著板材厚度減小，應(yīng)力值減小。 沿厚度方向Y 路徑由中心到表面，剪切應(yīng)力為上升趨勢(shì)，板材厚度對(duì)應(yīng)力分布規(guī)律影響不大，對(duì)應(yīng)力值有影響，厚度越大應(yīng)力越小。

3 結(jié)論

軋制溫度對(duì)鋁合金板材中應(yīng)力影響顯著。 軋制溫度為300～450℃時(shí)，鋁合金板材的等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力均隨溫度的升高而下降； 軋制溫度為450℃時(shí)，鋁合金板等效應(yīng)力及剪切應(yīng)力較小且分布最均勻。

軋制道次對(duì)鋁合金板材殘余應(yīng)力分布有一定影響。 總壓下量為30%時(shí)，隨著軋制道次的增加，板材的等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力減小。 經(jīng)過(guò)四道次軋制，鋁合金板材中的等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力較小且分布最均勻。

鋁板厚度對(duì)板材應(yīng)力分布有一定影響。 板材較厚時(shí)，各路徑等效應(yīng)力及剪切應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力值較小，。 板材厚度居中時(shí)，沿X 路徑等效應(yīng)力分布極不均勻，先減小后急劇增大，達(dá)到峰值，有可能影響合金工藝及性能。