陳增奎, 周衛(wèi)衛(wèi), 范新中

(1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京 100076； 2. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076)

0 引言

鎂合金是目前可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,是一種無污染的金屬，被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色材料”。目前，鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產(chǎn)品主要采用擠壓方法加工成形。鎂合金的擠壓是鎂合金塑性變形研究的一個(gè)重要方向,具有省料、節(jié)能和節(jié)省機(jī)械加工工時(shí)、工件性能高等一系列優(yōu)點(diǎn)。鎂合金擠壓產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能與模具溫度、擠壓速度、擠壓比等密切相關(guān)。然而擠壓變形過程十分復(fù)雜,采用有限元模擬擠壓過程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力變化是有效方法之一[1-7]。

本文采用DEFORM-3D對(duì)鎂合金的擠壓過程進(jìn)行了模擬, 定性分析熱擠壓AZ31坯料溫度場(chǎng)的變化及等效應(yīng)力的分布規(guī)律, 以便指導(dǎo)工藝實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)。

1 擠壓模擬的基本假設(shè)與模型參數(shù)

1.1 擠壓模擬的基本假設(shè)

數(shù)值模擬的材料為AZ31鎂合金, 選擇黏塑性數(shù)學(xué)模型, 對(duì)黏塑性材料的基本假設(shè)包括不計(jì)材料的彈性變形，不計(jì)體積力和慣性力，材料是均質(zhì)且各向同性，材料滿足體積不可壓縮，材料的變形流動(dòng)服從Levy-Mises流動(dòng)理論[4-9]。

本文將變形坯料與周圍介質(zhì)(環(huán)境)之間相互關(guān)系做出如下假設(shè)[5-8]：

1) 假設(shè)坯料外側(cè)表面溫度在擠壓過程中始終保持不變；

2) 擠壓過程中坯料是絕熱封閉系統(tǒng), 不與外界熱交換；

3) 假設(shè)變形區(qū)擠壓產(chǎn)生的熱量向未變形區(qū)和已變形區(qū)的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)。

1.2 擠壓模擬的模型與參數(shù)

由于DEFORM-3D不具備實(shí)體造型能力, 所以本文中鎂合金擠壓的三維模型的擠壓模具與坯料均在PRO-ENGINEER軟件中建立, 然后通過DEFORM提供的數(shù)據(jù)接口傳送到軟件的前處理器中, 整合成管材擠壓的三維立體模型。

圖1為AZ31鎂合金管材擠壓三維模型網(wǎng)格圖, 采用四面體單元, 同時(shí)為減少計(jì)算分析量, 數(shù)值模擬模型簡(jiǎn)化為擠壓芯、擠壓筒和擠壓坯料的1/4結(jié)構(gòu)。其主要幾何尺寸為：擠壓筒內(nèi)徑為Φ40mm, 高為60mm, 定徑帶長(zhǎng)為8mm, 錐角為60°；擠壓芯棒長(zhǎng)為45mm, 擠壓墊為Φ41mm, 其尺寸略大于擠壓筒內(nèi)徑, 目的是使擠壓坯料不外流, 模擬過程能夠順利進(jìn)行。

圖1 擠壓數(shù)值模擬模型示意圖Fig.1 Model of extrusion for AZ31 magnesium alloy tube

為了提高管材變形過程中計(jì)算的準(zhǔn)確度，從而提高模擬變形的精度和效率, 應(yīng)確定鎂合金在實(shí)際變形過程中的一些參數(shù), 如摩擦系數(shù)、界面換熱系數(shù)、應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系等。根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)確定[9-10]：

1)AZ31鎂合金在塑性成形中的摩擦系數(shù), 當(dāng)有石墨油作為潤(rùn)滑劑時(shí), 摩擦系數(shù)為0.05；當(dāng)無潤(rùn)滑劑時(shí), 干摩擦系數(shù)為0.35；確定了試樣-工具間導(dǎo)熱系數(shù)為10W/(m·℃)。

2)AZ31鎂合金與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)是0.016W/(m2·℃), 與模具之間的界面換熱系數(shù)為11 W/(m2·℃)。

數(shù)值模擬使用的參數(shù)如表1～表3所示, 分別表示了有限元的計(jì)算條件, AZ31鎂合金比熱容和AZ31鎂合金熱傳導(dǎo)系數(shù)。

（2）工程施工工序的制定。將施工目標(biāo)制進(jìn)行制定之后，還應(yīng)該對(duì)目標(biāo)做出細(xì)化安排。通過對(duì)關(guān)鍵施工與永久性工程之間的關(guān)系進(jìn)行分析我們得到：建設(shè)工程的工期越短，對(duì)于建筑工程施工進(jìn)度的加快有著積極的促進(jìn)作用。因此為了讓工程的順利完工得到保障，在施工的前期就應(yīng)該將各方面的因素進(jìn)行科學(xué)且詳細(xì)的分析，制定出科學(xué)合理的施工方案。這些因素主要包含了季節(jié)以及氣候?qū)κ┕みM(jìn)度的影響；建筑材料的保存以及質(zhì)量對(duì)施工進(jìn)度的影響；機(jī)械設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)對(duì)施工進(jìn)度的影響等。

表1 有限元計(jì)算條件

表2 AZ31鎂合金比熱容

表3 AZ31鎂合金熱傳導(dǎo)系數(shù)

2 擠壓模擬結(jié)果與分析

2.1 擠壓力變化曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況, 模擬選取了擠壓筒與擠壓芯溫度20℃、擠壓坯料溫度300℃, 圖2為管材擠壓的擠壓力隨擠壓行程的變化曲線。

從圖2可見, 擠壓力變化曲線呈“Π”字形, 擠壓力在18mm～45mm行程時(shí)最大, 峰值擠壓力接近2×105N。根據(jù)擠壓力與行程變化曲線特點(diǎn), 擠壓過程可大致分為3個(gè)階段：6mm～18mm為初始擠壓階段，18mm～45mm為穩(wěn)定的連續(xù)擠壓階段，45mm～58mm為終了擠壓階段。在擠壓初始時(shí), 坯料在擠壓墊的帶動(dòng)下, 被壓縮鐓粗, 坯料與擠壓筒壁摩擦力小, 故擠壓力較小。在18mm～45mm階段, 坯料與擠壓筒壁接觸, 隨著接觸面積的逐漸變大, 坯料填滿整個(gè)擠壓筒和?？? 管材不斷地從?？跀D出, 擠壓力達(dá)到最大值。45mm～58mm為終了擠壓階段, 坯料長(zhǎng)度減少, 坯料與擠壓筒壁的摩擦面積減少, 同時(shí)由于擠壓熱效應(yīng)的作用, 坯料和模具的溫度上升, 使擠壓力下降。

擠壓過程中加工硬化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化相互作用, 使擠壓力出現(xiàn)波動(dòng)。

圖2 擠壓力-行程曲線Fig.2 Curve of extrusion stress-extent for AZ31 magnesium alloy tube

2.2 擠壓過程溫度場(chǎng)模擬

對(duì)AZ31鎂合金管材的擠壓過程進(jìn)行模擬計(jì)算, 得出不同階段的溫度場(chǎng), 如圖3所示。

圖3 擠壓過程中四個(gè)不同階段的溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature distribution of extrusion AZ31 magnesium alloy tube

在第1階段到第2階段，坯料中心溫度明顯高于表面溫度, 等高線呈上凸曲線, 中心溫度與表面溫度二者之差最大為35℃。這是因?yàn)榕髁贤獗砻媾c擠壓筒接觸面積大, 熱傳導(dǎo)速率大, 外表面溫度降幅劇烈, 而坯料內(nèi)表面與擠壓芯棒接觸面積較小;所以溫度的分布是中心溫度大于內(nèi)表面溫度, 內(nèi)表面溫度大于外表面溫度。在變形區(qū)內(nèi), 中心溫度與外表面溫度差在等溫線E～H范圍(248℃～299℃)內(nèi), 到?？诟浇鼫囟壬叩絀線，達(dá)到316℃。

第3階段是穩(wěn)定擠壓階段, 中心溫度與內(nèi)表面溫度趨于相等, 仍均高于外表面溫度, 但三者的溫度差明顯減小。

到擠壓終了的第4階段, 三者的溫度在變形區(qū)內(nèi)趨于相等, 溫度從等溫線E～H均是平直的等溫線。可見擠壓終了階段, 坯料是以等溫?cái)D壓的方式從變形區(qū)內(nèi)至出?？跀D出。熱擠壓前3個(gè)階段在?？趨^(qū)域溫度梯度大, 分布明顯不均勻。

2.3 擠壓過程坯料最高溫度變化

設(shè)置的初始坯料溫度為300℃, 擠壓開始后, 溫度快速升高。擠壓過程中坯料最高溫度約為450℃。雖然數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果不十分準(zhǔn)確, 但定性地反映出：擠壓熱效應(yīng)是擠壓過程坯料溫度場(chǎng)變化的主要影響因素。

圖4 擠壓過程最高溫度變化Fig.4 Max-temperature for extrusion AZ31 magnesium alloy tube

2.4 擠壓過程穩(wěn)態(tài)階段應(yīng)力場(chǎng)模擬

圖5為擠壓變形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段的等效應(yīng)力場(chǎng)。從擠壓等效應(yīng)力分布比較可以看出, 擠壓的應(yīng)力在變形區(qū)與出?？谔帒?yīng)力分布不均勻。擠壓?？谔帒?yīng)力與應(yīng)力梯度較大, 高達(dá)32MPa。擠壓的等效應(yīng)力在擠壓模角的拐彎處應(yīng)力集中嚴(yán)重, 此處容易產(chǎn)生擠壓裂紋等缺陷, 在出變形區(qū)與?？诟浇鼞?yīng)力分布極為不均勻, 從內(nèi)至外, 應(yīng)力逐漸減少。

圖5 擠壓過程穩(wěn)態(tài)階段的等效應(yīng)力場(chǎng)Fig.5 Stress distribution of extrusion AZ31 magnesium alloy tube

2.5 擠壓過程最大拉應(yīng)力模擬計(jì)算

軸向拉應(yīng)力過大易產(chǎn)生橫向裂紋, 徑向拉應(yīng)力過大易產(chǎn)生縱向裂紋。圖6分別模擬計(jì)算了熱擠壓的Z向、X向與Y向的最大拉應(yīng)力。由圖6中可以看出, 熱擠壓的Z向平均約為280MPa,X向和Y向約為210MPa﹑200MPa。X向與Y向的最大拉應(yīng)力曲線相似, 均小于Z向的最大拉應(yīng)力分布。所以熱擠壓易產(chǎn)生縱向與橫向裂紋, 橫向裂紋產(chǎn)生的可能性更大。

(a) 擠壓X向

(b) 擠壓Y向

(c) 擠壓Z向圖6 擠壓最大附加拉應(yīng)力曲線Fig.6 Max-stress of extrusion AZ31 magnesium alloy tube

3 結(jié)論

1)熱擠壓的前3個(gè)階段溫度場(chǎng)分布不均勻, 溫度梯度大, 接近終了時(shí)進(jìn)入等溫?cái)D壓階段。

2)熱擠壓的等效應(yīng)力在模角拐彎處應(yīng)力集中嚴(yán)重, 在出變形區(qū)與?？诟浇鼞?yīng)力分布極為不均勻, 從內(nèi)至外, 應(yīng)力逐漸減少。

3)熱擠壓的Z向、X向與Y向的拉應(yīng)力容易引起縱向與橫向裂紋, 相比而言,Z向最大附加拉應(yīng)力最大, 因此管材熱擠壓的橫向裂紋產(chǎn)生的可能性更大。