文/張潤輝，杜晟強，昝祥·合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院

靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對比研究（上）

文/張潤輝，杜晟強，昝祥·合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院

本文基于大變形彈塑性有限元法，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對T42態(tài)2024鋁合金普通擠壓及靜液擠壓成形過程進行數(shù)值模擬研究，得到不同模角及擠壓比對兩種不同變形工藝下應力、應變分布和擠壓壓力的影響規(guī)律。模擬結果表明，靜液擠壓工藝因坯料與模具之間的摩擦因數(shù)的顯著降低而有助于降低擠壓壓力及減少裂紋，最佳模角下所需擠壓壓力和裂紋產(chǎn)生概率最低。

隨著科技不斷發(fā)展，為滿足人們對優(yōu)異性能材料的需求，越來越多的新工藝被不斷開發(fā)及廣泛應用起來。靜液擠壓工藝由英國人Robertson首先提出，其原理是利用高壓液體介質使金屬坯料不與擠壓筒內表面直接接觸，并通過高壓介質來傳遞壓力，使坯料處于極高的三向靜水壓應力狀態(tài)，從而實現(xiàn)工件被擠壓變形的新工藝。許多研究表明，靜液擠壓工藝是提高材料性能的有效途徑，本文通過對鎢合金及銅-鈮復合材料建立合理有限元模型，分析了靜液擠壓過程不同工藝參數(shù)對坯料變形的影響。

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件，通過建立合理的有限元模型，對不同擠壓參數(shù)下（擠壓比、凹模模角）2024鋁合金靜液擠壓及普通擠壓過程進行數(shù)值模擬，得到不同擠壓參數(shù)對應力應變分布及擠壓壓力的影響規(guī)律。

兩種不同擠壓工藝數(shù)值模擬過程

圖1 為靜液擠壓與普通擠壓工藝原理示意對比圖，從圖1可看出靜液擠壓工藝與普通常見的柱塞擠壓方法不同，由于坯料和擠壓筒、擠壓軸之間均充滿著高壓介質，擠壓軸上的壓力通過高壓介質傳遞給坯料完成擠壓過程，從而獲得性能優(yōu)異的材料。靜液擠壓與普通擠壓相比最大的優(yōu)點在于坯料與擠壓筒之間存在高壓潤滑介質使得模具與坯料之間的摩擦力大大減少，從而顯著減少坯料擠壓力，提高變形均勻程度，同時該工藝也十分適合難變形材料的塑性成形。

圖1 不同擠壓工藝原理圖

擠壓參數(shù)選取

兩種擠壓工藝均選取T42狀態(tài)2024鋁合金作為原始坯料，材料在室溫下物理參數(shù)取楊氏模量E=71.7GPa，泊松比ν=0.3，屈服強度σ=315MPa。

由于靜液擠壓過程中坯料與筒壁不直接接觸，坯料所受摩擦幾乎為0，且在高壓介質的動力潤滑作用下，坯料與凹模之間的摩擦因數(shù)要比普通擠壓過程小得多，因而可將靜液擠壓模擬過程中坯料與筒壁、凹模間摩擦因數(shù)分別定為μ筒壁=0和μ凹模=0.05；普通擠壓模擬過程中坯料與筒壁、凹模的摩擦因數(shù)分別定為μ筒壁=0.2和μ凹模=0.1。

幾何模型建立

擠壓模型中坯料和模具的幾何形狀、物理性質、載荷條件及約束條件都是軸對稱的，因而其應力、應變和位移等也是軸對稱的，可將模擬問題簡化為平面問題來處理，以節(jié)省運算時間。根據(jù)不同凹模角度（2α=20°，40°，60°）、擠壓比（λ=4，6，9，λ= D2/d2， D為坯料直徑，d為擠壓制品直徑）分別建立不同擠壓工藝下的兩組模型。坯料運動時，與模具接觸面的部分滿足庫倫摩擦定律，設置摩擦因數(shù)為常數(shù)并采用軸對稱變形方式的八節(jié)點四邊形單元劃分，靜液擠壓坯料網(wǎng)格劃分、受力情況及邊界情況如圖2所示，坯料末端形狀與凹模錐角吻合。

圖2 靜液擠壓有限元模型

結果及分析

凹模角度對靜液擠壓和普通擠壓應力應變場影響

當擠壓比（λ=4）及摩擦因數(shù)（μ筒壁=0，μ凹模=0.05）不變時，對不同模角（2α=20°，40°，60°）下靜液擠壓過程進行數(shù)值模擬，得出擠壓過程中應力應變影響規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出，三種不同模角情況下，軸向應力、徑向應力、周向應力均從凹模入口處負值轉變?yōu)槌隹谔幷担@是因為靜液擠壓過程中凹模與坯料之間的摩擦力作用使得金屬流動不均勻，在金屬外層產(chǎn)生了不利于塑性變形的附加拉應力，在拉應力值增大到一定數(shù)值時壓應力逐漸轉變?yōu)槔瓚Α?/p>

從圖3軸向應力圖中可看出，最大拉應力均出現(xiàn)在坯料出口外表面處且該拉應力區(qū)隨著模角的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當模角2α=20°時，由于模角較小，壓應力梯度變化較為均勻，壓應力值也較小，而拉應力區(qū)較大，易滋生裂紋；當模角2α=60°時，制品表面拉應力區(qū)同樣較大且凹模拐角處入口壓應力變化較為劇烈；當模角2α=40°時拉應力區(qū)最小，此時表面不易產(chǎn)生裂紋。從徑向應力圖中可看出，壓應力梯度隨著模角增大逐漸變大，坯料在出口端面處均出現(xiàn)拉應力區(qū)，同樣在模角2α=40°時拉應力區(qū)較小，可知40°為此工藝參數(shù)下最佳模角。從周向應力圖中可看出，坯料出口端面出現(xiàn)拉應力區(qū)，與徑向應力分布情況較為相似。從等效應變圖中可看出，等效應變梯度變化隨著模角增大而增大，且在凹模入口、出口處梯度變化更為明顯。

圖3 不同模角對靜液擠壓過程應力應變影響

當擠壓比（λ =4）及摩擦因數(shù)（μ筒壁=0.2，μ凹模=0.1）不變時，對不同模角（2α=20°，40°，60°）下普通擠壓過程進行數(shù)值模擬，得出擠壓過程中應力應變影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，與靜液擠壓應力狀態(tài)相似，坯料從凹模入口到出口處所受三向應力均從壓應力逐漸變?yōu)槔瓚?，三向應力在模?α=20°時，凹模入口區(qū)域梯度變化最為均勻，隨著模角增大梯度變化也增大。由軸向、徑向、周向應力圖可看出，模角2α=20°、40°時拉應力區(qū)域大小相差不大，而模角2α=60°時，出口端面拉應力區(qū)變大，尤其是在周向應力圖中表現(xiàn)出較為明顯的增大現(xiàn)象，由此可知模角較大會促使普通擠壓制品表面滋生裂紋。此外，等效應變梯度變化也隨著模角增大而增大。

由圖3、圖4對比可看出，由于普通擠壓過程筒壁與坯料之間摩擦力較大，導致坯料與筒壁接觸部分的等效應變梯度變化及坯料出口處拉應力分布區(qū)域均明顯大于靜液擠壓過程。此外，普通擠壓過程中壓應力值明顯提高必會導致應力在坯料出口處沿半徑方向分布不均勻，最終將會在卸載后轉變?yōu)闅堄鄳Υ嬖谠谥破分?。由此可知，靜液擠壓過程摩擦力顯著降低有助于提高擠壓過程穩(wěn)定性，降低表面裂紋產(chǎn)生的概率。

圖4 不同模角對普通擠壓過程應力應變影響

《靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對比研究（下）》見2016年第9期