楊慶華　洪瀟瀟　王志恒　鮑官軍　胡新華　薛軍義

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310032

電液顫振對(duì)冷擠壓塑性成形件金屬流線及晶粒組織的影響

楊慶華洪瀟瀟王志恒鮑官軍胡新華薛軍義

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310032

針對(duì)冷擠壓成形過(guò)程中金屬變形抗力大、模具易磨損等不足，提出一種新型冷擠壓工藝，即在冷擠壓成形過(guò)程中引入振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)。運(yùn)用DEFORM-3D有限元分析軟件構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，分別在有無(wú)施加顫振兩種擠壓方式下進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明,施加顫振信號(hào)能促進(jìn)金屬的流動(dòng)，金屬流動(dòng)速度達(dá)到62.4 mm/s，網(wǎng)格流線變形程度比傳統(tǒng)擠壓方式下的變形程度小。設(shè)計(jì)了電液式顫振冷擠壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及模具，分別在有無(wú)施加顫振兩種擠壓方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將所得成形零件用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，利用掃描電鏡觀察零件剖面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加顫振信號(hào)后，晶粒由原來(lái)的大小為3.3～5.0 μm細(xì)化到1.7～3.3 μm,晶粒變形更加均勻,變形組織更加細(xì)密，金屬纖維組織變得更細(xì)更長(zhǎng)。

冷擠壓;有限元模擬;金屬塑性成形;電液顫振;金屬流線

0　引言

冷擠壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，但在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中，其不足之處逐漸顯露出來(lái)：①成形抗力高,這對(duì)模具的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)等提出了更高的要求；②模具損耗大，毛坯在冷擠壓過(guò)程中受到三向壓應(yīng)力的作用，模具在巨大的壓力作用下易磨損；③對(duì)冷擠壓設(shè)備要求較高，由于冷擠壓是在室溫下靠壓力機(jī)的壓力成形，因此要求壓力機(jī)要有較大的強(qiáng)度和剛度[1]。

基于上述普遍存在的問題,不少業(yè)內(nèi)人士將振動(dòng)加工技術(shù)[2]引入傳統(tǒng)冷擠壓加工過(guò)程。Mousavi等[3]研究了超聲振動(dòng)對(duì)正擠壓過(guò)程的影響,通過(guò)有限元分析軟件模擬不同的擠壓速度、不同的振幅和頻率下超聲振動(dòng)對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變分布及擠壓力的影響,結(jié)果表明,施加超聲振動(dòng)后,當(dāng)擠壓速度低于臨界速度時(shí),擠壓力和材料流動(dòng)應(yīng)力有所下降。Bunget等[4]為解決在摩擦力作用下難以獲得理想的公差以及可用的模具材料無(wú)法承受施加的擠壓力等問題,設(shè)計(jì)了一套超聲振動(dòng)微擠壓設(shè)備，研究了超聲振動(dòng)對(duì)微擠壓成形工藝的影響，結(jié)果表明,加載超聲振動(dòng)后，成形力顯著下降，同時(shí)微成形件的表面質(zhì)量有很大提高。

上述振動(dòng)激勵(lì)形式均采用超聲波振動(dòng)為載體，在小擠壓力擠壓及微擠壓方面可以滿足實(shí)驗(yàn)需求,但超聲振動(dòng)激振力小，無(wú)法應(yīng)用到需要大擠壓力的冷擠壓過(guò)程中。目前,振動(dòng)激勵(lì)形式根據(jù)其振動(dòng)動(dòng)力元件的工作原理來(lái)看，主要分為機(jī)械式、電動(dòng)式和電液式三種。電液激振與前兩種相比，具有激振功率大，無(wú)級(jí)調(diào)幅、調(diào)頻等優(yōu)點(diǎn)[5]。本文引入一種采用閥芯雙自由度閥控制液壓缸的高頻電液激振器[6],將其應(yīng)用到需要大擠壓力的冷擠壓過(guò)程中。

1　振動(dòng)對(duì)金屬組織的影響

在金屬塑性變形過(guò)程中引入振動(dòng)信號(hào)主要會(huì)產(chǎn)生兩種基本效應(yīng)：體積效應(yīng)和表面效應(yīng)[7-8]。體積效應(yīng)主要描述的是振動(dòng)塑性變形時(shí)，塑性變形與材料內(nèi)部組織狀態(tài)之間的變化；而表面效應(yīng)主要考慮的是外部因素，即振動(dòng)加工時(shí)被加工零件與模具之間的摩擦力變化。本文主要研究金屬塑性成形過(guò)程中的體積效應(yīng)。

金屬塑性成形是晶體在切應(yīng)力的作用下，通過(guò)滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。冷擠壓塑性成形過(guò)程中施加振動(dòng)信號(hào)，金屬晶體產(chǎn)生劇烈變形，其位錯(cuò)密度增加。圖1所示為Frank-Read位錯(cuò)源增殖機(jī)制，圖1a中AA′為某一滑移面上的刃型位錯(cuò)，位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將其兩端釘住而不能運(yùn)動(dòng)。沿位錯(cuò)的柏氏矢量b方向施加切應(yīng)力τb,使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)，如圖1b所示。由于AA′兩端固定,故位錯(cuò)線發(fā)生彎曲,兩端分別繞節(jié)點(diǎn)A和A′發(fā)生回轉(zhuǎn),如圖1c所示。當(dāng)兩端彎曲部分線段相互靠近時(shí)(圖1d),兩線段平行于柏氏矢量b,但位錯(cuò)線分別屬于左螺旋位錯(cuò)和右螺旋位錯(cuò),它們方向相反,相互抵消，形成一個(gè)閉合的位錯(cuò)環(huán)和位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段曲線型位錯(cuò)，如圖1e所示。此時(shí)外加切應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯(cuò)環(huán)便繼續(xù)向外擴(kuò)張。同時(shí)，環(huán)內(nèi)的一小段曲線位錯(cuò)在線張力的作用下又被拉直，恢復(fù)到原始狀態(tài)。如此往復(fù)循環(huán)，新的位錯(cuò)環(huán)不斷產(chǎn)生，從而使位錯(cuò)增殖，晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。因此，在振動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生更加劇烈的大塑性變形[9]。

圖1　Frank-Read位錯(cuò)源增殖機(jī)制

振動(dòng)能細(xì)化晶粒[10],目前,研究最多的是超聲振動(dòng)在金屬塑性成形方面的應(yīng)用[11-13]。研究表明,超聲振動(dòng)使塑性變形更加劇烈，能有效提高晶粒的細(xì)化程度，使金屬晶粒間的塑性變形更加順暢，從而降低塑性變形載荷[14-15]。如前所述,由于超聲振動(dòng)不適合應(yīng)用到需要大噸位擠壓力的冷擠壓過(guò)程中，因此，本文采用電液式顫振。

工程上使用的金屬大多屬于多晶體，多晶體同一體積內(nèi)晶粒數(shù)的多少取決于晶粒的粗細(xì)，晶粒越細(xì)，晶粒數(shù)越多。塑性變形時(shí)，同一體積內(nèi)細(xì)晶粒晶體相對(duì)于粗晶粒晶體而言，變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，各晶粒的變形更均勻。與較粗晶粒的金屬相比，細(xì)晶粒局部區(qū)域不易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，也不易出現(xiàn)裂紋和發(fā)生斷裂等現(xiàn)象[16]。

Hall-Petch表達(dá)式定量地描述了多晶體屈服強(qiáng)度σs與晶粒平均直徑d的關(guān)系[17]:

σs=σ0+Kd-1/2

(1)

式中,σ0、K為材料常數(shù)。

材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸倒數(shù)的平方根成正比,因此,晶粒越細(xì),金屬的強(qiáng)度、硬度也越高[18]。

另一方面，塑性變形過(guò)程中施加振動(dòng)信號(hào),正在變形的原子在振動(dòng)作用下產(chǎn)生受迫振動(dòng)，組成材料的原子吸收傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)能后，使偏離原來(lái)平衡位置移動(dòng)到新的平衡位置所需的外力降低。由傳統(tǒng)擠壓方式下產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積從而阻礙位錯(cuò)移動(dòng)、導(dǎo)致滑移阻力增加的現(xiàn)象在施加振動(dòng)時(shí)有所緩解，晶格畸變延緩，從而提高材料的塑性,有利于減緩材料的加工硬化速度,降低擠壓力[19-20]。

本文通過(guò)DEFORM-3D有限元仿真,對(duì)比傳統(tǒng)擠壓方式和施加顫振擠壓方式下，金屬流動(dòng)的速度、網(wǎng)格流線變形程度的變化,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了金屬流線的方向性，對(duì)比了兩種擠壓方式下，金屬纖維組織、晶粒大小的變化。

2　有限元建模仿真與分析

本文采用有限元分析軟件DEFORM-3D對(duì)材料進(jìn)行正擠壓數(shù)值分析，根據(jù)零件對(duì)稱性特點(diǎn)，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，取模型的1/8進(jìn)行分析，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高分析效率。

2.1傳統(tǒng)擠壓方式有限元建模仿真與分析

采用Solidworks建模軟件建立凹模、凸模和坯料的簡(jiǎn)易模型，并導(dǎo)入DEFORM-3D有限元分析軟件的前處理器,圖2為有限元仿真1/8模型建模圖。

1.凸?！?.毛坯　3.下凸模　4.凹模圖2　有限元仿真1/8模型建模圖

模型參數(shù)設(shè)置如下:

(1)坯料為塑性體,材料為20Cr,對(duì)應(yīng)材料庫(kù)中為AISI-5120,COLD[70-1450F(20-800c)];凸模和凹模為剛性體。

(2)網(wǎng)格單元采用系統(tǒng)默認(rèn)的四面體網(wǎng)格,劃分方式采用絕對(duì)方式網(wǎng)格劃分。

(3)剪切摩擦的摩擦因數(shù)為0.12,溫度為20℃,擠壓速度為10 mm/s。

(4)沖頭總行程約10 mm,因此設(shè)置模擬步數(shù)為1000步,存儲(chǔ)增量為5,設(shè)置時(shí)間增量為0.001 s。

經(jīng)過(guò)成形過(guò)程模擬,進(jìn)入有限元后處理窗口,觀察金屬流動(dòng)速度。圖3為傳統(tǒng)擠壓方式下仿真在500步和1000步時(shí)的金屬流動(dòng)速度圖，可以看出，被擠壓毛坯在沖頭的作用下向?？诜较蛄鲃?dòng)，在1000步時(shí)金屬流動(dòng)速度最大值為26.9 mm/s,毛坯中心靠近下凸模的位置金屬流動(dòng)速度為0。

(a)500步時(shí)(b)1000步時(shí)圖3　傳統(tǒng)擠壓方式下金屬流動(dòng)速度圖

進(jìn)入tools工具欄,設(shè)置flow net參數(shù),設(shè)置網(wǎng)格數(shù)目為17,網(wǎng)格劃分預(yù)覽如圖4所示。

圖4　金屬截面網(wǎng)格流線設(shè)置

圖5為在傳統(tǒng)擠壓方式下金屬網(wǎng)格流線圖。如圖5所示,橫向網(wǎng)格線在?？诠战翘?A區(qū)域)發(fā)生了較大的彎曲，且毛坯靠近下凸模表面(F區(qū)域)的彎曲程度比毛坯靠近凹模內(nèi)壁(E區(qū)域)的彎曲程度大，這是因?yàn)橄峦鼓１砻婧桶寄?nèi)壁與坯料表面之間均存在摩擦力，且坯料沿著擠壓力方向和模具形狀流動(dòng)，致使金屬在流動(dòng)時(shí),靠近下凸模表面部分的金屬滯后于凹模內(nèi)壁部分的金屬的緣故。被擠壓件的端部(S區(qū)域)橫向網(wǎng)格線彎曲不大,這是由于該部分金屬原來(lái)就在模口附近，擠壓時(shí)迅速流向模具型腔,故受摩擦及模具形狀等因素影響較小。橫向網(wǎng)格線的間距從被擠壓件端部開始逐步增大,即l1≈l2γ1,這是由于開始擠壓時(shí)，被擠壓件的端部在模口附近，受摩擦力影響較小,之后逐步增大。不同位置的剪切角為γ2>γ3,這是由于受模具幾何形狀的影響,凸模表面和凹模內(nèi)壁與被擠壓件表面之間的摩擦力大小不同，致使兩處的金屬流動(dòng)差異較大。

圖5　傳統(tǒng)擠壓方式下網(wǎng)格流線圖(1000步時(shí))

2.2施加顫振擠壓方式有限元建模仿真與分析

本文設(shè)置凹模顫振參數(shù)為頻率100 Hz、振幅0.02 mm的簡(jiǎn)諧信號(hào),表1所示為一個(gè)周期內(nèi)其對(duì)應(yīng)的時(shí)間-速度值。

表1　一個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間-速度值

圖6所示為施加顫振信號(hào)后在500步和1000步時(shí)的金屬流動(dòng)速度圖。此時(shí)的金屬不僅僅受到?jīng)_頭的擠壓作用，還受到凹模的周期振動(dòng)作用。毛坯中心部位靠近沖頭處的金屬在沖頭的作用下朝模口方向流動(dòng)，與此同時(shí)，毛坯中心部位靠近下凸模處的金屬受到來(lái)自凹模的周期振動(dòng)作用，這部分的金屬也朝模口方向流動(dòng)。從圖6中可以看出,仿真在1000步時(shí),金屬流動(dòng)速度最快達(dá)到62.4 mm/s,毛坯中心部位的金屬流動(dòng)速度最慢,為0.102 mm/s。從圖3和圖6的金屬流動(dòng)速度圖中可以看到,施加顫振后金屬流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)擠壓方式下的金屬流動(dòng)速度,這是因?yàn)榻饘倭鲃?dòng)速度快，則金屬流動(dòng)的慣性和變形的熱效應(yīng)作用突出，而金屬流動(dòng)速度慢時(shí)，慣性作用不明顯。

(a)500步時(shí)(b)1000步時(shí)圖6　施加顫振信號(hào)后金屬流動(dòng)速度圖

同樣設(shè)置網(wǎng)格數(shù)目為17，模擬仿真1000步時(shí)的網(wǎng)格流線如圖7a所示。對(duì)比傳統(tǒng)擠壓方式下的網(wǎng)格流線(圖7b)中的A、B、C區(qū)域,可以看出,施加顫振信號(hào)擠壓方式的網(wǎng)格變形程度比傳統(tǒng)擠壓方式下的網(wǎng)格變形程度小,這說(shuō)明施加顫振信號(hào)后,阻礙金屬流動(dòng)的阻力變小。

(a)施加顫振網(wǎng)格流線圖(b)傳統(tǒng)擠壓網(wǎng)格流線圖圖7　網(wǎng)格流線圖對(duì)比(1000步時(shí))

2.3有無(wú)施加顫振信號(hào)對(duì)金屬冷擠壓成形的比較與分析

將圖3和圖6中仿真在1000步時(shí)的金屬流動(dòng)速度圖局部放大，并分別對(duì)比兩種冷擠壓方式下的M區(qū)域和P區(qū)域局部放大圖，如圖8所示；分別對(duì)比N區(qū)域和Q區(qū)域局部放大圖，如圖9所示。

(a)傳統(tǒng)擠壓方式下M區(qū)域放大圖(b)施加顫振擠壓方式下P區(qū)域放大圖圖8　M區(qū)域與P區(qū)域放大對(duì)比圖(1000步時(shí))

在傳統(tǒng)擠壓方式下，促進(jìn)金屬流動(dòng)的動(dòng)力僅僅來(lái)自沖頭的擠壓力；而施加顫振信號(hào)后,促進(jìn)金屬流動(dòng)的動(dòng)力不僅來(lái)自沖頭的擠壓力，凹模做周期簡(jiǎn)諧振動(dòng)也促進(jìn)了金屬的流動(dòng)。比較圖8a與圖8b中的a、b、c、d四點(diǎn)的金屬流動(dòng)速度值，如表2所示。金屬在沖頭和凹模振動(dòng)雙重作用下,在?？谔幍牧鲃?dòng)速度更快。在拐角c處,M區(qū)域的金屬流動(dòng)速度為19.2 mm/s左右,P區(qū)域的金屬流動(dòng)速度達(dá)到43.0 mm/s左右。

(a)傳統(tǒng)擠壓方式下N區(qū)域放大圖(b)施加顫振擠壓方式下Q區(qū)域放大圖圖9　N區(qū)域與Q區(qū)域放大對(duì)比圖(1000步時(shí))

表2　M區(qū)域和P區(qū)域四個(gè)位置點(diǎn)金屬流動(dòng)速度值　mm/s

圖9a中N區(qū)域是毛坯中心部位直接與沖頭接觸處，毛坯只受沖頭-z方向的擠壓力的作用，因此金屬流動(dòng)動(dòng)力來(lái)源于沖頭的擠壓力。圖9b中Q區(qū)域?yàn)槊髦行纳媳砻媾c沖頭直接接觸區(qū)域，受到?jīng)_頭-z方向的擠壓力的作用，毛坯中心下表面與下凸模直接接觸，施加顫振后，毛坯受到來(lái)自凹模的周期振動(dòng)，因此金屬流動(dòng)動(dòng)力不僅來(lái)自沖頭的壓力，還來(lái)源于凹模的周期振動(dòng)。毛坯中心朝?？诜较虻慕饘倭鲃?dòng)速度值如表3所示，可以看出,從a點(diǎn)到d點(diǎn)金屬流動(dòng)速度逐漸增大,并且施加顫振后金屬流動(dòng)速度值明顯比傳統(tǒng)擠壓方式下的金屬流動(dòng)速度值大。

表3　N區(qū)域和Q區(qū)域四個(gè)位置點(diǎn)金屬流動(dòng)速度值　mm/s

3　實(shí)驗(yàn)研究與分析

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

實(shí)驗(yàn)時(shí)的顫振頻率參數(shù)可以通過(guò)上位機(jī)軟件的人機(jī)交互界面設(shè)置,經(jīng)過(guò)USB-CAN轉(zhuǎn)換,通過(guò)CAN總線方式,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交贒SPic的2D激振閥控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2D激振閥對(duì)顫振平臺(tái)的控制。擠壓過(guò)程中的行程載荷數(shù)據(jù)通過(guò)安裝在液壓機(jī)上的壓力傳感器檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)再傳輸給控制器，控制器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波后通過(guò)CAN總線傳輸給上位機(jī)，從而在計(jì)算機(jī)上可以讀取所需數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖10所示,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備搭建如圖11所示。

圖10　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖11　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備搭建

3.2電液顫振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

液壓式振動(dòng)通過(guò)電液伺服閥來(lái)控制液壓執(zhí)行元件(一般為液壓缸)，從而輸出周期性的振動(dòng)，而液壓缸活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)的過(guò)程中，頻率高時(shí)加速度、慣性力和阻尼力都很大，需要很大的回復(fù)力來(lái)克服慣性力進(jìn)行振動(dòng)。為解決液壓式振動(dòng)頻率和振幅受限的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種電液式顫振實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物照片見圖12。

(a)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)俯視圖(b)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖圖12　顫振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片

3.3實(shí)驗(yàn)條件及步驟

本實(shí)驗(yàn)的目的是在金屬冷擠壓塑性成形過(guò)程中，通過(guò)有無(wú)施加顫振信號(hào)觀察所得成形零件的金屬流線變化情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用型號(hào)為YJH92-630、公稱力為6300 kN的多向液壓成形機(jī)；液壓機(jī)下降速度為10 mm/s；使用限位塊來(lái)限制沖頭的下行距離,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置下行距離為10 mm;設(shè)置油泵壓力,通過(guò)控制器與2D激振閥相互配合來(lái)控制液壓油，從而使顫振臺(tái)發(fā)生振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)選取的毛坯材料為20Cr，其成形工藝為：首先對(duì)剪切得到的原始坯料進(jìn)行鐓粗預(yù)成形，然后進(jìn)行退火處理，酸洗、磷化皂化處理表面得到最終擠壓毛坯。毛坯實(shí)物如圖13a所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別在傳統(tǒng)擠壓方式下和施加頻率為100 Hz、油液壓力為8 MPa的顫振信號(hào)的擠壓方式下進(jìn)行冷擠壓塑性成形,所得成形零件如圖13b所示。將兩種不同擠壓方式得到的成形零件進(jìn)行如下處理:①將成形零件進(jìn)行線切割處理，得到原來(lái)零件的1/4大小,再將所得的1/4零件沿剖面切割成厚度約為2 mm左右的薄片。②對(duì)所得剖面零件經(jīng)過(guò)粗磨、精磨并拋光處理。③用4%的硝酸酒精溶液腐蝕,腐蝕完后用酒精清理零件表面，并吹干。

(a)毛坯實(shí)物圖(b)成形零件實(shí)物圖圖13　毛坯及成形零件實(shí)物圖

此時(shí),可以觀察到沿零件輪廓分布的一條條曲線,如圖14所示,這些曲線就是所謂的金屬流線。金屬流線是指金屬材料在加工過(guò)程中，晶粒內(nèi)部的氣孔、疏松及低熔點(diǎn)金屬雜質(zhì)等在金屬發(fā)生很大程度的塑性變形時(shí)沿著變形方向伸長(zhǎng)，呈纖維狀分布的組織[21]。從圖14中可以看出，毛坯在擠壓過(guò)程中，金屬在沖頭擠壓力的作用下，在模具型腔中向下流動(dòng)。不管有無(wú)施加顫振信號(hào)，金屬流線都連續(xù)分布，無(wú)斷流、穿流現(xiàn)象。但是可以明顯看出，施加振動(dòng)后，金屬流動(dòng)更加均勻。

(a)傳統(tǒng)擠壓方式下(b)施加顫振擠壓方式下圖14　成形零件剖面金屬流線圖

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將圖13a中的毛坯對(duì)半切開,再切取剖面的一小部分，經(jīng)過(guò)粗磨、精磨與拋光后,用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，用掃描電鏡觀察,得到毛坯顯微圖,見圖15。將腐蝕后的成形零件拐角處M區(qū)域和P區(qū)域用掃描電鏡放大500倍，得到其金屬流線顯微圖見圖16。

圖15　毛坯顯微圖

(a)傳統(tǒng)擠壓方式下(b)施加顫振擠壓方式下圖16　成形零件拐角處金屬流線顯微圖

由圖15可以看出,毛坯的晶粒(如晶粒K)與晶界清晰可見，連接對(duì)角線AB,用直尺將經(jīng)過(guò)對(duì)角線AB的晶粒大小測(cè)量出來(lái),并根據(jù)圖中標(biāo)尺，計(jì)算得到初始晶粒大小約為16.5 μm。圖16所示為成形零件拐角處顯微圖。由于冷擠壓過(guò)程中，金屬在三向壓應(yīng)力的作用下，金屬晶粒破碎,隨著金屬變形程度的增大,晶粒及內(nèi)部夾雜物沿著同一方向被顯著拉長(zhǎng)或壓扁，呈現(xiàn)出一片如纖維狀的條紋。由圖16a可以看出，在傳統(tǒng)擠壓方式下，晶粒被壓扁，晶界模糊，在纖維的分布方向標(biāo)記一些被壓扁的晶粒(圖16a)，通過(guò)SEM照片上的標(biāo)尺和直尺，可以測(cè)量圖中的晶粒大小并計(jì)算得到晶粒大小為3.3～5.0 μm。施加顫振信號(hào)后，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度增加，滑移量增大,在沖頭擠壓力和顫振信號(hào)的雙重作用下,用同樣的方法,可以測(cè)得晶粒被進(jìn)一步細(xì)化到1.7～3.3 μm,晶界模糊,纖維組織更細(xì)長(zhǎng)、更密實(shí)。由圖16可以看出，金屬在兩種擠壓方式下，具有明顯的流動(dòng)方向性，與仿真結(jié)果相同。

4　結(jié)論

(1)傳統(tǒng)擠壓方式下，金屬流動(dòng)速度最快為26.9 mm/s；施加顫振信號(hào)后,金屬流動(dòng)速度更快,最高達(dá)到62.4 mm/s。

(2)傳統(tǒng)擠壓方式下,金屬流線網(wǎng)格變形程度比施加顫振信號(hào)后金屬流線網(wǎng)格變形程度大,說(shuō)明施加顫振信號(hào)后，阻礙金屬流動(dòng)的阻力變小。

(3)冷擠壓過(guò)程中，金屬受到三向壓應(yīng)力的作用，金屬晶粒被壓碎，晶界模糊，金屬流線呈明顯的方向性；施加顫振信號(hào)后，晶粒被破碎，晶粒進(jìn)一步細(xì)化,金屬流線同樣呈現(xiàn)明顯的方向性,金屬纖維組織更細(xì)更長(zhǎng)。兩種擠壓方式下的金屬流動(dòng)方向性與仿真結(jié)果相同。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Impacts of Electro-hydraulic Vibration Applied in Cold Extrusion of Metal Plastic Forming Process on Metal Flow Lines and Grain Structure

Yang QinghuaHong XiaoxiaoWang ZhihengBao GuanjunHu XinhuaXue Junyi

Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Machining Technology, Ministry of Education & Zhejiang Province,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,310032

Cold extrusion process had some disadvantages,such as gigantic metal deformation resistance,mold wear,etc.a new type of cold extrusion process was proposed,where vibration excitation signals were applied in the cold extrusion process.Using DEFORM-3D finite element analysis software,the system simulation models were built and the forming process was simulated on whether the vibration was applied to this process.Simulation results show that the signal can be applied to facilitate the metal flow,and the metal flow rate reaches 62.4 mm/s.The degree of deformation of the mesh flow lines is smaller than that in the condition of traditional squeeze mode.A kind of electro-hydraulic vibration experimental platform and die were designed for this project.Experiments were completed on the conditions of whether the vibration was applied to this process.Etching molded parts with 4% Nital,and SEM was used to observe the part sections.Experimental results show that after the application of vibration signals in cold extrusion,the grain size reduce from about 3.3 ～5.0 μm to 1.7 ～3.3 μm,grain deformation becomes more uniform,deformation tissue becomes more dense,metallic fibrous tissue becomes finer and longer.

cold extruding;finite element modeling;metal plastic forming;electro-hydraulic vibration;metal flow line

2014-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275475)；特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2014EP0110)

TG14;TG3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.017

楊慶華,男,1964年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)轭澱袼苄猿尚?、機(jī)器人及智能控制。發(fā)表論文50余篇。洪瀟瀟，女，1987年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王志恒，男，1983年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。鮑官軍,男,1979年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。胡新華,男,1975年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。薛軍義,男,1987年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。