汪鑫偉，高鵬永，石勝龍，劉琛，徐杰，王春舉，李建偉，郭斌，單德彬

輕合金成形

鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)輥壓微成形缺陷及其電致塑性效應(yīng)數(shù)值模擬研究

汪鑫偉1a,1b，高鵬永1b，石勝龍1b，劉琛1a，徐杰1b，王春舉2，李建偉3，郭斌1a,1b，單德彬1b

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) a.空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院 b.微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215131； 3.北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013）

研究微結(jié)構(gòu)形狀及尺寸、壓下量、溫度、電流強(qiáng)度和電流路徑對(duì)電流輔助輥壓成形的影響規(guī)律，分析輥壓過程中多物理場(chǎng)耦合行為，探究電致塑性效應(yīng)對(duì)輥壓成形的作用機(jī)理，并以此來解決薄板微結(jié)構(gòu)形性協(xié)同控制關(guān)鍵問題。采用ABAQUS建立微結(jié)構(gòu)輥壓有限元模型，通過輥壓成形數(shù)值模擬方法進(jìn)行相關(guān)研究。首先設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn)，探究了溝槽形狀、溝槽深度、壓下量對(duì)成形效果的影響。其次通過改變電流大小、對(duì)比輥對(duì)輥（R2R）和輥對(duì)板（R2P）2種電流路徑、對(duì)比電流輔助輥壓和等溫輥壓模擬試驗(yàn)來依次探究電流強(qiáng)度、電流路徑、電流的非熱效應(yīng)對(duì)鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形過程中微結(jié)構(gòu)填充率與板材翹曲高度等輥壓成形缺陷的影響規(guī)律。在R2R電流路徑下，電流分布于整個(gè)板厚空間，而在R2P電流路徑下，電流主要分布于材料表面，2種路徑下的溫度與應(yīng)力分布相似，但R2R下的峰值溫度略高，約高20 ℃；峰值應(yīng)力略小，約小35 MPa。當(dāng)壓下量與微溝槽寬度越大、溝槽形狀越接近矩形時(shí)，輥壓填充高度和翹曲高度均越大。在相同溫度下，與等溫輥壓相比，電流輔助輥壓微結(jié)構(gòu)填充高度更高。三角形微溝槽在100 A、30%壓下量時(shí)的輥壓填充高度提升率高達(dá)7%。在等溫輥壓下，微結(jié)構(gòu)填充時(shí)的塑性流動(dòng)主要分布于表層；而在電流輥壓下，微結(jié)構(gòu)填充時(shí)的塑性流動(dòng)在整個(gè)板厚范圍內(nèi)分布得較為均勻，且應(yīng)力集中不明顯。溫度對(duì)輥壓微結(jié)構(gòu)薄板翹曲程度的改善作用較小，電致塑性效應(yīng)大幅改善了微結(jié)構(gòu)薄板輥壓翹曲程度，翹曲高度減小約70%。從焦耳熱均勻性角度來看，電流路徑選擇R2R更優(yōu)。通過改變壓下量、微溝槽寬度與形狀可以改變微結(jié)構(gòu)輥壓成形效果。相較于等溫輥壓，電流輔助輥壓可以提高輥壓填充高度、減小板材翹曲高度，故其成形效果更好，說明電流非熱效應(yīng)可以促進(jìn)輥壓成形的進(jìn)行。

鋁鋰合金；電流輔助；成形缺陷；微結(jié)構(gòu)；電致塑性效應(yīng)

近年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注微結(jié)構(gòu)輥壓成形工藝，該工藝結(jié)合了傳統(tǒng)的微壓印工藝和輥壓成形工藝，能夠高效、低成本地實(shí)現(xiàn)大面積微結(jié)構(gòu)制備[1]。微結(jié)構(gòu)輥壓成形主要有2種類型，即輥對(duì)輥與輥對(duì)平板成形工藝[2]。在輥對(duì)輥輥壓成形方面，Hirt等[3-4]采用70～400 μm的鋼絲纏繞工藝制備了表面陣列微結(jié)構(gòu)壓輥，并對(duì)寬20 mm、厚2 mm的Al 99.5和AlMg3板材進(jìn)行了輥壓成形。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)板材厚度減小55%時(shí)，可以輥壓出高質(zhì)量的半圓形陣列微溝槽結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)可用于飛行器壁面減阻，但局部鋼絲斷裂損壞、鋼絲松動(dòng)等問題會(huì)影響微溝槽的輥壓成形質(zhì)量。Zhou等[5]開發(fā)了桌面型輥對(duì)輥輥壓成形裝置，其中上壓輥表面加工微溝槽陣列可用來輥壓500 μm厚的AA5052鋁合金薄板。其團(tuán)隊(duì)在薄板表面成形出寬100 μm、深20 μm的微溝槽陣列，同時(shí)發(fā)現(xiàn)上、下輥的相對(duì)速度對(duì)微溝槽的質(zhì)量有顯著影響。在輥對(duì)平板輥壓成形方面，Gao等[6]通過純銅表面的微溝槽成形實(shí)驗(yàn)，分析了輥表面微結(jié)構(gòu)特征尺寸如槽寬（0.4～ 0.8 mm）、槽間距（0.8～1.2 mm）、圓角半徑（0.1～ 0.3 mm）與材料晶粒尺寸對(duì)成形質(zhì)量的影響，并從微溝槽尺寸與晶粒尺寸交互影響的角度，揭示了微結(jié)構(gòu)輥壓成形機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，槽寬尺寸越小，成形越困難，微結(jié)構(gòu)輪廓的不規(guī)則程度以及表面粗糙度隨著晶粒尺寸和輥壓深度的增大而增大；當(dāng)微溝槽結(jié)構(gòu)尺寸接近甚至達(dá)到金屬材料晶粒尺寸數(shù)量級(jí)時(shí)，由于參與變形的各個(gè)晶粒具備各向異性，局部塑性流動(dòng)表現(xiàn)出不均勻性，即材料在塑性變形過程中產(chǎn)生尺寸效應(yīng)[7-8]。尺寸效應(yīng)對(duì)材料塑性變形的影響在過去的20年里獲得了廣泛的共識(shí)，該效應(yīng)成為微成形領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。總體上，尺寸效應(yīng)不利于微結(jié)構(gòu)的塑性成形，主要表現(xiàn)在它會(huì)降低成形性、增大工藝不穩(wěn)定性、增加成形缺陷、降低成形精度以及加劇摩擦磨損等[9-10]。同時(shí)，微結(jié)構(gòu)的成形通常要求材料在微小模具型腔中完全填充，由于受微小模具型腔約束、接觸界面摩擦等影響，微結(jié)構(gòu)的塑性成形行為更加復(fù)雜、變形抗力更大[11-12]。因此，在大面積陣列微結(jié)構(gòu)輥壓成形工藝中引入新的物理場(chǎng)，從而提高成形溫度、減輕尺寸效應(yīng)、改善材料成形極限是目前最有效的解決途徑[13-14]。

鋁鋰合金材料是近年來航空航天材料中發(fā)展非常迅速的一種先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料[15-16]，具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等諸多優(yōu)異性能[17]。用它代替常規(guī)的高強(qiáng)度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～20%，剛度提高15%～20%，燃油節(jié)約5.4%，飛行費(fèi)用降低2.1%[18]。因此，近年來，鋁鋰合金在航空航天領(lǐng)域的輕量化進(jìn)程中扮演著越來越重要的角色，并成為最熱門的結(jié)構(gòu)材料[17-19]。然而，由于鋁鋰合金具備室溫塑性差、屈強(qiáng)比高、各向異性明顯[20]、冷加工時(shí)容易開裂等缺點(diǎn)，其成形難度較大。目前鋁鋰合金只能成形較簡單的零件，難以制造復(fù)雜的零部件及微結(jié)構(gòu)，因此其應(yīng)用受到一定程度的限制。

近年來，相關(guān)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)證明了電致塑性效應(yīng)[21-22]，即當(dāng)電流作用于微成形坯料后，電流與材料的相互作用可以抑制尺寸效應(yīng)的發(fā)生并提高材料的塑性成形性能，具體表現(xiàn)為在材料成形過程中成形力降低、塑性提高、回彈減小等[23]。此外，電流還會(huì)產(chǎn)生非熱的電致塑性效應(yīng)[24]，可以促進(jìn)材料流動(dòng)。電流輔助塑性微成形技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)極端尺寸和優(yōu)異性能微型構(gòu)件或微結(jié)構(gòu)批量制造的潛力[25-26]，在難變形鋁鋰合金薄板表面復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的成形及應(yīng)用方面具有重要的研究前景。因此，本文建立了多參數(shù)交互作用下的鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)電流輔助輥壓有限元數(shù)值模型，分析了不同參數(shù)下的電流輔助輥壓過程多物理場(chǎng)耦合行為，闡明了電致塑性效應(yīng)對(duì)微結(jié)構(gòu)填充率與板材翹曲等輥壓成形缺陷影響的作用機(jī)理，以期對(duì)解決電流輔助輥壓薄板微結(jié)構(gòu)形性協(xié)同控制關(guān)鍵問題提供參考。

1 研究方案

1.1 材料及其性能

本文選用的材料為由西南鋁業(yè)生產(chǎn)的O態(tài)2195鋁鋰合金板，板厚為2 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

利用線切割技術(shù)切取10 mm×10 mm×2 mm的試樣，經(jīng)水砂紙打磨和拋光布機(jī)械拋光后，采用HF+HNO3+H2O（體積比為1︰4︰20）的混合溶液腐蝕3～5 s，用酒精沖洗、吹干后，獲得2195鋁鋰合金薄板①、②、③面的金相組織，3個(gè)面的具體位置如圖1a所示。采用OLYMPUS-SOL3550光學(xué)顯微鏡對(duì)鋁鋰合金薄板原始組織進(jìn)行表征觀察，結(jié)果如圖1b～d所示。觀察發(fā)現(xiàn)，①面（見圖1b）的晶粒較為粗大，呈等軸狀，無明顯的拉長現(xiàn)象，而②面（見圖1c）和③面（見圖1d）的晶粒被拉長，呈纖維狀分布，尺寸最大達(dá)到數(shù)百微米。原始的2195鋁鋰合金板金相呈現(xiàn)出典型的軋制態(tài)特點(diǎn)，晶界及晶粒內(nèi)部彌散分布著大量的強(qiáng)化相。

表1 2195鋁鋰合金成分

Tab.1 Composition of 2195 Al-Li alloy wt.%

圖1 2195鋁鋰合金原始板材金相組織

采用島津AGXplus萬能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)2195鋁鋰合金分別在常溫、100 ℃、200 ℃和300 ℃下進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸試樣尺寸如圖2所示，標(biāo)距長度為5 mm，拉伸應(yīng)變率為10?3s?1，每組拉伸實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次以減小測(cè)試誤差。

圖2 鋁鋰合金單向拉伸試樣尺寸

室溫下，2195鋁鋰合金試樣拉伸方向與軋向呈0o、45o和90o時(shí)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3a所示。可以看出，材料的各向異性并不顯著。常溫、100 ℃、200 ℃和300 ℃下鋁鋰合金軋向試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3b所示?？梢钥吹剑?dāng)溫度在200 ℃以下時(shí)，材料呈現(xiàn)出加工硬化變形特點(diǎn)，說明此時(shí)溫度升高導(dǎo)致的位錯(cuò)湮滅速率還不足以抵消塑性變形導(dǎo)致的位錯(cuò)增殖速率。當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，材料呈現(xiàn)出明顯的軟化特征，說明此時(shí)材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，材料的延伸率顯著增大，塑性變形能力大大提高。不同拉伸條件下材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等性能指標(biāo)如表2所示。

1.2 研究方案

微結(jié)構(gòu)輥壓成形數(shù)值模擬所要研究的變量及其參數(shù)如表3所示。首先設(shè)計(jì)了不同溝槽形狀、溝槽深度、壓下量的三因素三水平正交試驗(yàn)進(jìn)行常規(guī)輥壓成形數(shù)值模擬研究，選取缺陷顯著的參數(shù)組進(jìn)行電流輔助輥壓成形與等溫輥壓成形的仿真研究。其次，為了研究電流路徑的影響，分別對(duì)微結(jié)構(gòu)輥壓過程中輥對(duì)輥（R2R）和輥對(duì)板（R2P）[26]2種電流路徑下的多物理場(chǎng)耦合行為進(jìn)行仿真分析。最后，為了研究電流非熱效應(yīng)對(duì)鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了微結(jié)構(gòu)等溫輥壓數(shù)值模擬方案，其中將等溫輥壓的溫度設(shè)置為接近電流輔助輥壓時(shí)的焦耳熱溫度?？紤]到2195鋁鋰合金在300 ℃時(shí)已發(fā)生再結(jié)晶軟化（見圖3），本文分別在100 ℃、200 ℃溫度下進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)的等溫輥壓模擬。電流輔助輥壓時(shí)的電流強(qiáng)度參數(shù)分別為60、80、100 A，對(duì)應(yīng)的平均焦耳熱溫度分別為140、200、240 ℃。

圖3 2195鋁鋰合金不同狀態(tài)下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 2195鋁鋰合金拉伸力學(xué)性能

Tab.2 Tensile mechanical properties of 2195 Al-Li alloy

表3 微結(jié)構(gòu)輥壓數(shù)值模擬參數(shù)表

Tab.3 Numerical simulation parameters of microstructure roll forming

2 有限元模型

采用ABAQUS建立電流輔助輥壓有限元模型，主要步驟包括幾何創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、相互作用與邊界條件設(shè)置、分析步創(chuàng)建等。

1）幾何創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分。分別對(duì)電流輔助和非電流輔助輥壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其中后者是前者的對(duì)照組。薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形有限元模型及電流路徑示意圖如圖4所示。由圖4a和圖4b可知，模型分為微結(jié)構(gòu)輥、平輥以及板料三部分，板料厚度為0.5 mm，平輥直徑與微結(jié)構(gòu)輥直徑相同，均為40 mm。對(duì)于非電流輔助輥壓模型（見圖4a），由于不涉及傳熱和導(dǎo)電等因素，所以為節(jié)約計(jì)算時(shí)間和提高模型收斂性，采用動(dòng)力學(xué)顯式算法，且將軋輥均設(shè)定為剛體。對(duì)于電流輔助輥壓模型（見圖4b），由于需要考慮導(dǎo)電、傳熱、變形等多物理場(chǎng)耦合因素，所以采用隱式算法。采用離散剛體網(wǎng)格對(duì)圖4a中的軋輥進(jìn)行劃分，而板料網(wǎng)格單元類型選為C3D8R；采用考慮了熱-電-結(jié)構(gòu)耦合的Q3D8R單元對(duì)圖4b中的板料、平輥、微結(jié)構(gòu)輥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4b中的放大圖所示，對(duì)微結(jié)構(gòu)齒進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。2種不同的電流路徑分別如圖4c和圖4d所示。

2）材料屬性定義。在本文的有限元模型中，針對(duì)板材和軋輥采用的熱-電-結(jié)構(gòu)多物理性能參數(shù)有溫度（）、密度（）、彈性模量（）、熱導(dǎo)率（）、電導(dǎo)率（）、比熱容（）、熱膨脹系數(shù)（），其數(shù)值分別如表4、表5所示。鋁鋰合金板材的塑性本構(gòu)關(guān)系采用圖3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3）邊界與接觸定義。板材與軋輥接觸面間相互作用的定義包括摩擦、接觸電導(dǎo)率、接觸熱導(dǎo)率以及與環(huán)境間的輻射換熱系數(shù)，它們之間的接觸方式為面面接觸，接觸模型為罰函數(shù)摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.2。接觸面的接觸電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別為33 172 Ω?1·mm?1和44 W/(m·K)，與環(huán)境間的輻射換熱系數(shù)為1.134×10?9W/(m2·K4)。由于微結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板料的寬度，因此，為減小計(jì)算量，對(duì)板料進(jìn)行對(duì)稱邊界建模，在對(duì)稱面上施加平面應(yīng)變約束。

圖4 薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形有限元模型及電流路徑示意圖

表4 鋁鋰合金熱-電-結(jié)構(gòu)多物理性能參數(shù)

表5 Cr2Mo冷軋輥用鋼熱-電-結(jié)構(gòu)多物理性能參數(shù)

Tab.5 Thermal-electrical-structural multi-physical performance parameters of Cr2Mo cold roll steel

3 結(jié)果與分析

3.1 電流輔助輥壓過程多物理場(chǎng)耦合行為

在相同電流強(qiáng)度（100 A）和相同時(shí)刻（0.04 s）下，R2R和R2P 2種電流加載路徑下2195鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)的多物理場(chǎng)如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，R2R與R2P的電流密度場(chǎng)有很大不同，R2R的電流密度主要集中分布在輥、板接觸區(qū)域，而R2P的電流密度則主要從輥、板接觸區(qū)向板材接電端呈梯度分布，且R2P的電流密度峰值比R2R的更大，峰值區(qū)域則更小。不同于電流密度場(chǎng)，不同電流路徑下溫度場(chǎng)的分布規(guī)律較相似，均是輥、板接觸區(qū)的溫度最高，且該區(qū)與電流密度集中分布區(qū)完全重合。該區(qū)域由于電流密度集中而形成了局部的焦耳熱熱源區(qū)，而其他區(qū)域則是由焦耳熱熱源區(qū)溫度沿板材軋向呈梯度遞減擴(kuò)散而形成的，但在整個(gè)輥壓過程中，R2R的溫度略高于R2P的，約高了25 ℃。由溫度云圖還可以看出，R2R的溫度峰值區(qū)域占比更大且溫度梯度更均勻，因此從焦耳熱均勻性角度考慮，R2R更優(yōu)。由圖5c可知，R2R和R2P的應(yīng)力分布基本一致，輥、板接觸區(qū)因受微結(jié)構(gòu)齒擠壓而變形劇烈，應(yīng)力峰值較大且較集中，而且R2R的應(yīng)力峰值明顯低于R2P的，這主要是因?yàn)樵谙嗤瑝合铝肯拢谳亯哼^程中，R2R的溫度始終高于R2P的。

在100 A電流及40%壓下量下，輥壓時(shí)R2R與R2P鋁鋰合金板截面上的等效應(yīng)變場(chǎng)（PEEQ）、溫度場(chǎng)（NT）及電流密度場(chǎng)（ECD）如圖6所示。可知，峰值電流密度均位于微結(jié)構(gòu)齒形接觸區(qū)，電流密度以沿厚度方向梯度遞減的方式貫穿分布于板材截面上，但R2R截面上的電流密度分布得更加集中，峰值電流密度區(qū)更小，且R2P的峰值電流密度要高于R2R的。對(duì)比圖6b和圖6e可以發(fā)現(xiàn)，在2種加載路徑下，溫度場(chǎng)的分布無明顯差別，但R2R的峰值溫度更高，這可能是因?yàn)镽2R在微結(jié)構(gòu)齒形接觸區(qū)的電流密度更集中。此外，還可以看出，輥壓變形區(qū)的金屬流動(dòng)規(guī)律一致，兩者的等效應(yīng)變場(chǎng)分布也無明顯差別，唯一的區(qū)別是R2R的最大應(yīng)變略高于R2P的，這與兩者在峰值溫度上的差別相對(duì)應(yīng)。

鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)R2P輥壓成形的峰值溫度與電流強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示?？芍逯禍囟入S著電流強(qiáng)度的增大而增大，且在60～100 A下，焦耳熱溫度為100～300 ℃，低于鋁鋰合金形成大范圍動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)的溫度（見圖3）。還可以發(fā)現(xiàn)，峰值溫度隨時(shí)間的延長而非線性增大，即在初始0.03 s間隔內(nèi)，溫度大幅上升，而在后續(xù)的0.03 s間隔內(nèi)，溫度上升幅度下降，這符合焦耳加熱特征。此外，模擬結(jié)果表明，在輥壓過程中，溫度高低及溫差大小會(huì)隨溝槽陣列數(shù)目的增加而減小，這可能是因?yàn)榻佑|面積增大導(dǎo)致散熱加快和電流密度降低。

3.2 微結(jié)構(gòu)填充率及其電致塑性效應(yīng)

溝槽形狀（三角形、橢圓形、矩形）、溝槽深度（100、200、300 μm）以及壓下量（30%、40%、50%）3個(gè)因素對(duì)鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)填充率的影響規(guī)律如圖8所示。不同形狀微溝槽輥壓成形過程中的法向應(yīng)變分量及反作用力如圖9所示。由圖8可知，隨著壓下量和溝槽深度的增大，微結(jié)構(gòu)溝槽填充率明顯增大，且在相同壓下量和溝槽深度條件下，三角形、橢圓形、矩形的溝槽填充率依次增大。這可以通過圖9中板材法向塑性應(yīng)變分量（PE33）的差別進(jìn)行解釋：在相同壓下量及溝槽深度下，三角形溝槽底部的法向壓應(yīng)變最小，而矩形溝槽底部的壓應(yīng)變最大；底部材料在擠壓作用下沿著微溝槽側(cè)壁向微結(jié)構(gòu)型腔流動(dòng)，產(chǎn)生法向向上的拉應(yīng)變，因此，沿填充方向的正應(yīng)變按照三角形、橢圓形、矩形的順序依次增大，說明材料在三角形溝槽中受到沿溝槽側(cè)壁的流動(dòng)阻力最大，而在矩形中的最小，故填充率遵循圖8中的規(guī)律。3種形狀溝槽在輥壓成形時(shí)軋輥上的反作用力如圖9d所示?？梢钥闯?，在獲得相同深度的微結(jié)構(gòu)時(shí)，三角形軋輥受到的力最大，因此相應(yīng)的材料流動(dòng)阻力最大。

圖5 不同電流路徑下薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形的多物理場(chǎng)

圖6 不同電流路徑下薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形截面上的多物理場(chǎng)

圖7 電流輔助輥壓過程峰值溫度與電流強(qiáng)度的關(guān)系

深度為200 μm的三角形微溝槽在等溫輥壓與電流輔助輥壓下的微結(jié)構(gòu)填充輪廓圖及填充率與壓下量之間的關(guān)系如圖10所示。當(dāng)壓下量為40%時(shí)，不同輥壓條件下薄板微結(jié)構(gòu)法向塑性應(yīng)變分量PE33分布云圖如圖11所示。由于微溝槽填充輪廓相差不大，僅選取中間2個(gè)溝槽的填充輪廓進(jìn)行對(duì)比。觀察圖10可知，隨著溫度的升高，填充高度也在增大，表明溫度的升高導(dǎo)致鋁鋰合金薄板塑性成形性能提高，從而改善了微溝槽的填充性能。在相同壓下量下，100 A電流輔助輥壓下的三角形微溝槽填充高度大于等溫輥壓的結(jié)果，在壓下量為30%時(shí)最明顯，提升率約為8.8%，但隨著壓下量的增大，電流輔助導(dǎo)致的填充率增大量逐漸減小，這可能與在微結(jié)構(gòu)輥壓成形填充極限下摩擦阻力顯著增大有關(guān)。不同溫度及電流強(qiáng)度下200 μm三角形微溝槽的填充率與壓下量之間的關(guān)系如圖10d所示。可以發(fā)現(xiàn)，在20、100、200 ℃的等溫條件下，微溝槽輥壓填充率隨著壓下量的增大而增大，但溫度越高，填充率隨壓下量增大的幅度越不明顯。此外，在大壓下量下，填充率隨溫度的變化也同樣遵循上述規(guī)律，該規(guī)律進(jìn)一步說明，在填充極限下，摩擦阻力的作用主導(dǎo)了材料的填充行為。由圖10d還可以看出，60 A與80 A電流輔助下的填充率分別高于100 ℃及200 ℃下等溫輥壓的結(jié)果，100 A時(shí)的填充率明顯高于其他條件下的填充率。

圖9 不同形狀微溝槽輥壓成形的法向應(yīng)變分量及反作用力

圖10 等溫與電流輔助條件下三角形微溝槽（200 μm）輥壓成形填充輪廓及其填充率

圖11 相同壓下量（40%）下不同輥壓條件薄板微結(jié)構(gòu)法向塑性應(yīng)變分量PE33分布云圖

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是電致塑性效應(yīng)中的非熱效應(yīng)促進(jìn)了材料在微結(jié)構(gòu)型腔中的流動(dòng)填充。對(duì)比觀察圖11中填充方向的塑性應(yīng)變分量可知，在同一壓下量下，等溫輥壓和電流輔助輥壓在微結(jié)構(gòu)填充區(qū)域的金屬塑性流動(dòng)行為存在明顯差異。在等溫輥壓時(shí)，如圖10a～c所示，塑性變形最劇烈的位置是微結(jié)構(gòu)齒側(cè)壁尖角處，此處材料壓應(yīng)變最大，且壓應(yīng)變呈對(duì)稱分布，導(dǎo)致相鄰的材料被反向擠壓，產(chǎn)生最大的拉應(yīng)變，使材料沿填充方向流入微結(jié)構(gòu)型腔。此外還可看出，沿填充方向的材料塑性流動(dòng)主要發(fā)生在板材表面較小的深度范圍內(nèi)，板材大部分底部區(qū)域的壓應(yīng)變大小一致，這說明板材底部區(qū)域只起到傳遞變形的作用，故金屬塑性流動(dòng)區(qū)域比較有限。在電流輔助輥壓下，如圖10d～f所示，雖然最大壓應(yīng)變?nèi)匀惶幵谖⒔Y(jié)構(gòu)齒側(cè)壁尖角處，但最大壓應(yīng)變區(qū)沒有呈對(duì)稱分布，且明顯向板厚的深度方向延伸，在溝槽下方的整個(gè)板厚范圍內(nèi)幾乎都存在較大的壓應(yīng)變。同時(shí)，溝槽相鄰處的材料由于受到溝槽材料的反向擠壓作用而產(chǎn)生了最小壓應(yīng)變，促使材料沿填充方向流入微結(jié)構(gòu)型腔，但與等溫輥壓不同的是，在板厚方向上很大范圍內(nèi)都存在與溝槽相鄰區(qū)域相近的應(yīng)變。因此，金屬材料的流動(dòng)范圍幾乎是整個(gè)板材厚度范圍，這使電流輔助條件下的材料填充性能得以提高。

考慮到當(dāng)電流強(qiáng)度參數(shù)為60、80、100 A時(shí)，電流輔助輥壓對(duì)應(yīng)的平均焦耳熱溫度分別為140、200、240 ℃，故選擇同等溫度下的等溫輥壓填充高度作為參照數(shù)據(jù)，計(jì)算電流輔助輥壓下電致塑性效應(yīng)導(dǎo)致的填充高度的增大率，結(jié)果如圖12所示?？芍?，在不同壓下量下，電致塑性效應(yīng)的非熱作用促進(jìn)了微結(jié)構(gòu)的填充，在電流為100 A、壓下量為30%時(shí)該值高達(dá)7%。

圖12 相同溫度下等溫輥壓電流輔助導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)填充高度增大率

3.3 板材翹曲及其電致塑性效應(yīng)

在薄板微結(jié)構(gòu)輥壓過程中，微結(jié)構(gòu)輥面和平輥面的接觸差異導(dǎo)致板材不可避免地產(chǎn)生了翹曲變形缺陷。由于本研究中輥壓試樣的長度一致，所以可采用翹曲高度定量表征板材翹曲程度的大小。翹曲高度為板材輪廓線上最高點(diǎn)到輪廓線首尾連線的距離。對(duì)室溫輥壓過程進(jìn)行了模擬，獲得了溝槽形狀、溝槽深度、壓下量3個(gè)因素對(duì)翹曲高度的影響規(guī)律，如圖13所示?？梢钥闯?，隨著壓下量和溝槽深度的增大，板材的翹曲高度顯著增大；在相同壓下量和溝槽深度下，三角形、橢圓形、矩形的翹曲高度依次增大。實(shí)際上，在輥壓過程中，微結(jié)構(gòu)輥和平輥?zhàn)饔迷诎宀纳系哪Σ亮Σ煌M(jìn)而會(huì)導(dǎo)致板材上下面的金屬流動(dòng)速率不同，微溝槽深度、形狀、壓下量的變化均會(huì)導(dǎo)致金屬塑性流動(dòng)中的摩擦力發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致板材局部區(qū)域金屬流動(dòng)程度產(chǎn)生差異而影響翹曲高度，該設(shè)想可在圖14中得到證明。在同一壓下量下，三角形、橢圓形、矩形微結(jié)構(gòu)溝槽的等效塑性應(yīng)變PEEQ云圖如圖14a～c所示?？芍?，峰值應(yīng)變均在溝槽底部圓角處，且兩側(cè)呈對(duì)稱分布，矩形和橢圓形的PEEQ峰值相差不大，但三角形的明顯低于前兩者的，證明材料在三角形微結(jié)構(gòu)溝槽中的局部流動(dòng)程度不如在橢圓形和矩形中的劇烈。因此，等效塑性應(yīng)變的局部分布差異是導(dǎo)致翹曲高度不同的直接原因。圖14d為不同形狀微結(jié)構(gòu)輥在相同壓下量及溝槽深度下的軋向反作用力，即摩擦力大小，可知，三角形微結(jié)構(gòu)輥摩擦力明顯低于矩形和橢圓形的，這進(jìn)一步證明了三角形溝槽輥下材料塑性變形程度最輕，翹曲高度最小。

不同輥壓條件下200 μm三角形微溝槽薄板翹曲輪廓與翹曲高度如圖15所示。由圖15a可以看到，溫度的變化對(duì)薄板等溫輥壓翹曲的影響較小，這在圖15b中也可以得到印證。觀察圖15b可知，與20 ℃的常溫輥壓相比，100 ℃和200 ℃下的翹曲高度增大比例非常小，當(dāng)壓下量為30%、40%、50%時(shí)，翹曲高度增大比例分別為2.5%、1.1%、1.25%，故溫度對(duì)翹曲程度的影響幾乎可以忽略。然而，在電流輔助輥壓條件下，微結(jié)構(gòu)薄板翹曲問題得到了明顯的改善，如圖15a所示，但R2P和R2R 2種電流路徑下的板材翹曲輪廓一致。觀察圖15b可知，壓下量的增大會(huì)導(dǎo)致翹曲高度增大，對(duì)比電流輔助輥壓與等溫輥壓下的板材翹曲高度可知，無論在何種壓下量下，電流輔助導(dǎo)致的翹曲高度都比等溫輥壓的小70%以上，這種大幅度的翹曲高度改善效果已無法通過電流導(dǎo)致的溫度效應(yīng)來解釋。

選擇同等溫度下的等溫輥壓翹曲高度作為參照數(shù)據(jù)，計(jì)算電流輔助輥壓下電致塑性效應(yīng)導(dǎo)致的翹曲高度減小率，其結(jié)果如圖16所示?？芍?，在不同壓下量下，電致塑性效應(yīng)的非熱作用改善了微結(jié)構(gòu)薄板輥壓的翹曲程度，翹曲高度的減小幅度約為70%。在同一壓下量（40%）下，等溫與電流輔助時(shí)微結(jié)構(gòu)薄板輥壓截面區(qū)的等效塑性應(yīng)變PEEQ與Mises的應(yīng)力分布如圖17所示?？梢钥吹?，與等溫輥壓相比，在電流輔助輥壓過程中，鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)局部處金屬的塑性流動(dòng)行為發(fā)生了很大改變，具體表現(xiàn)如下：1）雖然兩者最大的塑性變形區(qū)均在微結(jié)構(gòu)溝槽底角處，但電流輔助條件下的最大變形區(qū)明顯大于等溫輥壓條件下的，塑性變形從微溝槽接觸面向板材深度方向延伸的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等溫條件下的；2）電流作用下輥壓變形區(qū)的最大PEEQ明顯低于等溫條件下的，甚至同一深度處的塑性應(yīng)變大小均小于等溫輥壓的，這說明電流輔助輥壓下的局部塑性變形更加均勻。為進(jìn)一步分析導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因，對(duì)等溫輥壓與電流輔助輥壓板厚切面上的Mises應(yīng)力云圖進(jìn)行對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)等溫輥壓下溝槽底角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于溝槽處存在擠壓與反擠壓作用，所以應(yīng)力集中區(qū)沿板材表面呈周期性對(duì)稱分布；而在電流輔助輥壓條件下，最大應(yīng)力區(qū)不在溝槽底角處，溝槽齒形區(qū)與板厚左右兩側(cè)的應(yīng)力最大，最小應(yīng)力區(qū)位于板厚切面的中心并呈類X形對(duì)稱分布。因此，可以認(rèn)為在電流輔助輥壓條件下，應(yīng)力分布更加分散，應(yīng)力集中不明顯，材料流動(dòng)均勻性更好，故其翹曲程度更小。

圖13 微結(jié)構(gòu)薄板翹曲高度與溝槽形狀、深度及壓下量之間的關(guān)系

圖14 不同形狀微溝槽輥壓成形的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D及摩擦力

圖16 相同溫度下等溫輥壓電流輔助導(dǎo)致的薄板翹曲高度減小率

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬研究了2195鋁鋰合金薄板微結(jié)構(gòu)電流輔助輥壓成形效果，分析了電流輔助輥壓過程中的多物理場(chǎng)耦合行為及薄板微結(jié)構(gòu)輥壓成形缺陷影響規(guī)律，研究了電流路徑、電流強(qiáng)度、微溝槽深度、微溝槽形狀、壓下量等因素對(duì)薄板微結(jié)構(gòu)電流輔助輥壓微成形缺陷的影響規(guī)律，闡明了微結(jié)構(gòu)填充率、板材翹曲等輥壓成形缺陷的電致塑性效應(yīng)作用機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1）在R2R電流路徑下，電流分布于整個(gè)板厚空間，而在R2P電流路徑下，電流主要分布于材料表面，2種路徑下的溫度與應(yīng)力分布相似，但R2R的峰值溫度略高，約高20 ℃；峰值應(yīng)力略小，約小35 MPa。

2）當(dāng)壓下量與微溝槽寬度越大、溝槽形狀越接近矩形時(shí)，輥壓填充高度和翹曲高度越大。

3）在相同溫度下，電流輔助輥壓微結(jié)構(gòu)填充高度大于等溫輥壓的，三角形微溝槽在100 A與30%壓下量時(shí)的輥壓填充高度提升率高達(dá)7%。

4）溫度對(duì)輥壓微結(jié)構(gòu)薄板翹曲程度的改善作用較小，電致塑性效應(yīng)大幅改善了微結(jié)構(gòu)薄板輥壓翹曲程度，翹曲高度減小約70%。

5）在等溫輥壓下，微結(jié)構(gòu)填充時(shí)的塑性流動(dòng)區(qū)域主要分布于表層；而在電流輥壓下，微結(jié)構(gòu)填充時(shí)的塑性流動(dòng)區(qū)域在整個(gè)板厚范圍內(nèi)分布得較為均勻，且應(yīng)力集中不明顯。

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Numerical Simulation on Electrically-assisted Roll Micro-forming Defects of Micro-structures and Electroplastic Effects on Al-Li Alloy Sheets

WANG Xin-wei1a,1b, GAO Peng-yong1b, SHI Sheng-long1b, LIU Chen1a, XU Jie1b, WANG Chun-ju2, LI Jian-wei3, GUO Bin1a,1b, SHAN De-bin1b

(1.a. Laboratory for Space Environment and Physical Sciences, b. Key Laboratory of Micro-Systems and Micro-Structures Manufacturing, Ministry of Education, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Soochow University, Jiangsu Suzhou 215131, China; 3. Beijing Hangxing Machinery Manufacture Limited Corporation, Beijing 100013, China)

The work aims to study the effect of microstructure shape and size, reduction, temperature, current intensity and current path on electrically-assisted roll forming, analyze the coupling behavior of multiple physical fields in the roll forming process, and clarify the mechanism of electroplastic effect in roll forming, so as to solve the key problem of the synergistic control of the accuracy and property of micro-structures on sheets. ABAQUS was used to establish a finite element model, and the related research was carried out by numerical simulation of roll forming. Firstly, an orthogonal experiment with three factors and three levels was designed to explore the effect of groove shape, groove depth and reduction on forming. Then, the effect of current intensity, current path and non-thermal effect on microstructure rolling defects of Al-Li alloy sheet such as microstructure filling rate and sheet warping height was explored, by changing the magnitude of current, comparing roll-to-roll (R2R) connection and roll-to-plate (R2P) connection, and comparing electrically-assisted and isothermal roll forming simulation tests. The current density for the R2R was distributed across the whole thickness of the sheet, while it tended to be distributed on the surface in the R2P. The distributions of temperature and stress for the two connection modes were similar, but compared with R2P, R2R had a slightly higher peak temperature of about 20 ℃ and a slightly lower peak stress of about 35 MPa. When the roll forming reduction and the width of micro-groove were larger, and the groove shape was closer to rectangle, the groove filling height and the sheet warping height were larger. The filling height of microstructure by electrically-assisted roll forming at the same temperature was higher than that by isothermal case, and the filling height of triangular microgrooves could be increased by up to 7% at 100 A and 30% reduction. The plastic flow tended to be located at the surface layer in the isothermal roll forming of micro-structures, while the microstructure filling was uniform throughout the thickness direction, and the stress concentration was not obvious by electrically-assisted case. Temperature had little effect on the warping degree of the rolled sheet, while the electroplastic effect greatly reduced the warping height of the rolled sheet, causing about 70% reduction of the warping height. According to the above results, the following conclusions can be drawn. R2R is better current path from the view of Joule heating uniformity. The roll forming effect on microstructure can be changed by varying the forming reduction, the width and shape of micro-grooves. Compared with the isothermal case, the electrically-assisted roll forming can improve the filling height of micro-structures and reduce the warping height of sheets, which shows better formability since the non-thermal effect of current plays a promoting role in roll forming defect control.

Al-Li alloy; electrically-assisted; forming defects; micro-structures; electroplastic effect

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.010.010

TG335.5+5

A

1674-6457(2023)010-0082-13

2023-07-31

2023-07-31

黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目（YQ2020E014）

Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation of China (YQ2020E014)

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WANG Xin-wei, GAO Peng-yong, SHI Sheng-long, et al. Numerical Simulation on Electrically-assisted Roll Micro-forming Defects of Micro-structures and Electroplastic Effects on Al-Li Alloy Sheets[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 82-94.

責(zé)任編輯：蔣紅晨