南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院 南京 210094

1 研究背景

大塑性變形具有強大的晶粒細化能力，可使多晶材料的內(nèi)部組織細化至亞微米級甚至納米級，成為超細晶材料［1］。超細晶材料因自身獨特的微觀組織結(jié)構(gòu)而具有高強度、高硬度和耐磨性，同時具有良好的塑性和韌性。這些性能使超細晶材料在航空、宇航、軍工及軌道交通工具等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。大塑性變形是制備超細晶材料的有效技術(shù)，設(shè)計新型大塑性變形工藝一直是各國材料工程研究的熱點，也是國際材料領(lǐng)域競爭最激烈的課題之一［2］。

超細晶材料制備中常見的大塑性變形工藝是等徑角擠壓工藝和高壓扭轉(zhuǎn)擠壓工藝。等徑角擠壓工藝受加工棒料尺寸的限制，且在經(jīng)受劇烈剪切變形時棒料表面結(jié)構(gòu)經(jīng)常受損，甚至出現(xiàn)斷裂。加之擠壓過程中溫升與耗能較大，材料利用率及生產(chǎn)效率都相對較低，等徑角擠壓工藝的產(chǎn)業(yè)化沒有明顯優(yōu)勢［3-4］。高壓扭轉(zhuǎn)擠壓工藝需要借助扭轉(zhuǎn)裝置提供扭轉(zhuǎn)動力，在設(shè)備設(shè)計及設(shè)備操作上很煩瑣，并且經(jīng)過查閱文獻及多次試驗分析后發(fā)現(xiàn)，高壓扭轉(zhuǎn)擠壓工藝得到的產(chǎn)品，其性能尚未達到理想的效果［5-6］。

針對上述不足，為探索大塑性變形技術(shù)擠壓工藝產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可能性，筆者設(shè)計了螺旋擠壓工藝。螺旋擠壓工藝是一種新型的大塑性變形技術(shù)擠壓工藝，改進了傳統(tǒng)擠壓模，采用了特別設(shè)計的螺旋滑道，在擠壓的同時引入特殊的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，并且模具不需要扭轉(zhuǎn)。應(yīng)用Deform-3D有限元軟件對螺旋擠壓工藝與扭轉(zhuǎn)擠壓工藝的成形過程進行對比分析，得出螺旋擠壓的優(yōu)缺點，為后續(xù)的研究和發(fā)展提供參考。

2 有限元分析模型

2.1 建模

筆者分析的擠壓模有兩種，如圖1所示。扭轉(zhuǎn)擠壓模是傳統(tǒng)的擠壓模，能夠扭轉(zhuǎn)。螺旋擠壓模是將傳統(tǒng)擠壓模的成形斜面改為螺旋形。

▲圖1 擠壓模

螺旋滑道總高度為10 mm，導(dǎo)程為4 mm，下圓直徑為10 mm，上圓直徑為20 mm，共有3條相同的滑道。由于Deform-3D不具備三維建模功能，因此需要通過Pro/E三維軟件建模，轉(zhuǎn)換為.stl格式，再導(dǎo)入Deform-3D進行模擬求解。所建立的有限元分析模型如圖2所示，坯料定義為塑性體，擠壓桿、上模和擠壓模定義為剛性體，由于需要計算溫度和磨損，因此對所有零件進行網(wǎng)格劃分。

2.2 參數(shù)設(shè)置

模擬采用的坯料為經(jīng)過退火處理的T2純銅，坯料尺寸為φ20 mm×30 mm，擠壓模出口直徑為 10 mm。坯料在應(yīng)變率為0.1和0.01兩種情況下的流動應(yīng)力應(yīng)變變化如圖3所示。擠壓桿的擠壓速度為5 mm/s，整個擠壓過程時長為6 s。對于扭轉(zhuǎn)擠壓而言，其扭轉(zhuǎn)量應(yīng)當與螺旋擠壓螺旋滑道總高度相對應(yīng)，整個扭轉(zhuǎn)擠壓過程的扭轉(zhuǎn)量為15.71 rad，即扭轉(zhuǎn)擠壓中模具的扭轉(zhuǎn)速度ω=15.71/6=2.62 rad/s。研究塑性變形過程，一般有兩種摩擦模型，一種是剪切摩擦模型，另一種是庫倫摩擦模型。庫倫摩擦模型一般適用于正壓力不太大、變形量比較小的情況，對于螺旋擠壓和扭轉(zhuǎn)擠壓而言，由于變形量很大，因此采用剪切摩擦模型。設(shè)摩擦因數(shù)為0.4［7］，所有部件初始溫度設(shè)為常溫 20℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)為 11 W/（m·K）。

▲圖2 有限元分析模型

▲圖3 T2純銅流動應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 模擬結(jié)果

3.1 擠壓桿載荷

將由Deform-3D模擬完成的兩種擠壓工藝成形過程中擠壓桿的載荷行程數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件，生成擠壓桿載荷行程曲線，如圖4所示。

▲圖4 擠壓桿載荷行程曲線

由圖4可以看出，擠壓桿載荷變化可以分為3個階段：急速上升期、平衡期和消減期。急速上升期坯料逐漸充滿擠壓模的變形斜道（螺旋滑道），摩擦力和擠壓變形抗力急劇增大。平衡期坯料末端在擠壓模的定徑入口和出口處，摩擦力和擠壓變形抗力達到一個平衡狀態(tài)。消減期坯料慢慢從模具出口擠出，坯料的摩擦力和擠壓變形抗力也慢慢減?。?］。

由于兩者的內(nèi)模腔形狀基本相似，因此兩者的載荷行程曲線變化趨勢也很相似。螺旋擠壓相比扭轉(zhuǎn)擠壓，其整體擠壓桿載荷較大，不過變化程度不是很大。可見如果擠壓桿載荷在可承受的范圍內(nèi)，是可以選擇螺旋擠壓工藝的。

3.2 坯料性能

3.2.1 等效應(yīng)變

由于成形坯料尺寸較長，并且主要分析部位在擠壓模與坯料的接觸區(qū)，因此截取坯料的上半部分進行分析。應(yīng)變量的大小直接反映了坯料的變形程度，螺旋擠壓和扭轉(zhuǎn)擠壓完成后，坯料的等效應(yīng)變云圖，如圖5所示。

▲圖5 坯料等效應(yīng)變云圖

由圖5可知，螺旋擠壓過程坯料的等效應(yīng)變最大值主要在螺旋滑道與定徑區(qū)的交界處，并且向兩端遞減，最大等效應(yīng)變達到18.2%。扭轉(zhuǎn)擠壓過程坯料的等效應(yīng)變最大值主要在模具出口處，并且向兩端緩慢遞減，最大值為4.5%左右。螺旋擠壓的等效應(yīng)變要比扭轉(zhuǎn)擠壓的等效應(yīng)變大很多，由此可知，使用螺旋擠壓工藝可以明顯增大坯料的應(yīng)變量。

3.2.2 溫度場

本次模擬對坯料成形溫度有一定要求，溫度如果超過材料的再結(jié)晶溫度，會使坯料發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸增大，強度降低，影響成形效果，可見分析兩種擠壓工藝成形過程中的溫度場十分有必要。T2純銅在350℃以上時可能會發(fā)生再結(jié)晶，因此給定變形溫度不能超過350℃。

兩種擠壓工藝成形過程完成后，坯料的溫度場如圖6所示。螺旋擠壓的最大溫度分布在螺旋滑道處，最高溫度達到240℃左右，沿下端降低。扭轉(zhuǎn)擠壓的最高溫度為220℃左右，主要分布在擠壓模擠壓斜面和定徑區(qū)的交界處，并且沿下端降低。通過對比發(fā)現(xiàn)，螺旋擠壓中的坯料溫度場要比扭轉(zhuǎn)擠壓高，但升高的幅度很小，分布也較相似。通過溫度場分析確認，可以選擇螺旋擠壓代替扭轉(zhuǎn)擠壓。

▲圖6 坯料溫度場

4 擠壓模分析

4.1 磨損分析

擠壓模最常見的失效形式為磨損失效，特別是螺旋擠壓，如果螺旋滑道過度磨損，螺旋擠壓效果將會大大降低，甚至失效［9］。

如圖7所示，在Deform-3D的分析模塊中采用Archard磨損模型［10］，其中W為磨損深度，p為模具截面壓力，v為滑動速度，H為模具材料硬度，t為時間，a、b、c、K為修正因數(shù)。對于模具鋼而言，一般取a=1，b=1，c=2，H=58。K是與材料性質(zhì)相關(guān)的因數(shù)，取K=0.000 002。

▲圖7 磨損分析模型

計算得到兩種擠壓模的磨損情況，如圖8所示。螺旋擠壓模的磨損主要分布在螺旋滑道上，最大磨損量為0.027 1 μm。扭轉(zhuǎn)擠壓模的磨損主要分布在模腔的變形斜面處，在變形斜面與定徑入口處最為嚴重，最大磨損量為 0.022 6 μm。

▲圖8 擠壓模磨損情況

從上述分析可知，螺旋擠壓模與傳統(tǒng)擠壓模的磨損量差別不大，因此，不會因為改用螺旋滑道而使擠壓模過度磨損。

4.2 應(yīng)力分析

對兩種擠壓工藝成形過程中的最大擠壓桿載荷，也即擠壓模的最大受力時刻進行應(yīng)力分析。通過提取坯料對擠壓模的反作用力，對擠壓模的邊界條件進行設(shè)置，計算擠壓模的應(yīng)力大小及分布，得到兩種擠壓模的應(yīng)力云圖如圖9所示。

▲圖9 擠壓模應(yīng)力云圖

螺旋擠壓模的應(yīng)力分布主要在螺旋斜面與模腔的相交處及以上部分，最大等效應(yīng)力達到2 080 MPa。扭轉(zhuǎn)擠壓模的應(yīng)力分布主要在擠壓斜面及其以上部分，最大等效應(yīng)力為1 690 MPa。相比扭轉(zhuǎn)擠壓，螺旋擠壓模的應(yīng)力更大，但是增大的幅度不是很大，在應(yīng)力允許的情況下，可以選擇螺旋擠壓工藝來增大坯料的應(yīng)變量。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，對比分析了T2純銅在螺旋擠壓工藝和扭轉(zhuǎn)擠壓工藝成形過程中坯料和擠壓模的性能參數(shù)，結(jié)論如下：

（1）螺旋擠壓相比扭轉(zhuǎn)擠壓，擠壓桿的載荷、坯料的溫度場、擠壓模的應(yīng)力和磨損小幅升高；

（2）螺旋擠壓相比與扭轉(zhuǎn)擠壓，坯料的等效應(yīng)變明顯增大，應(yīng)變增大后能夠細化晶粒，提高坯料的性能；

（3）螺旋擠壓相比較扭轉(zhuǎn)擠壓,不需要設(shè)計扭轉(zhuǎn)裝置，設(shè)計方便，操作簡單。

綜上所述，在溫度、擠壓桿載荷和擠壓模磨損條件允許的情況下，選用螺旋擠壓工藝能明顯增大坯料的應(yīng)變量，提高制品的強度和硬度。