轉(zhuǎn)模擠壓成形過程的變形機理研究

李 峰，林俊峰，張鑫龍

(1.哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040，E-mail:hitlif@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱150001)

轉(zhuǎn)模擠壓成形過程的變形機理研究

李 峰1，林俊峰2，張鑫龍1

(1.哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040，E-mail:hitlif@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學金屬精密熱加工國家級重點實驗室，哈爾濱150001)

針對低塑性合金擠壓成形時所需能耗大、材料利用率低等問題，提出了對凹模施加轉(zhuǎn)動的成形新工藝——轉(zhuǎn)模擠壓成形技術(shù)，并設計了特殊的凹模結(jié)構(gòu).與芯模轉(zhuǎn)擠壓僅適于圓截面制品相比，對凹模施加轉(zhuǎn)動可有效地避免異型截面制品擠出成形時引起的垂直?？诓课惠S向的“切斷”等難題.數(shù)值模擬及理論分析表明：與普通擠壓相比，凹模轉(zhuǎn)擠壓成形中塑性區(qū)范圍顯著擴大，使成形載荷極值降低了42.1%，且可有效地消除“死區(qū)”缺陷.

轉(zhuǎn)模擠壓;變形機理;低塑性合金;數(shù)值模擬

降低能耗及提高制品性能是當前擠壓加工領域眾所關(guān)注的一個共性科學問題.長期以來，改善擠壓流動行為的傳統(tǒng)方法多限于對工藝參數(shù)的單一優(yōu)化，雖然從宏觀角度來看有一定效果，但這不能從本質(zhì)上防止缺陷的產(chǎn)生及改善制品性能［1］;同時，對低塑性金屬結(jié)構(gòu)材料而言，所需能耗大、生產(chǎn)效率及材料利用率均較低等問題成為目前制約擠壓制品應用及發(fā)展的內(nèi)因所在.

在傳統(tǒng)擠壓深入研究的基礎上，沖頭施加旋轉(zhuǎn)的擠壓成形技術(shù)被提出［2］，該方法可顯著地降低坯料與工具間軸向載荷和接觸應力的數(shù)值分布［3-4］.但作為桿類工具，如同時施加軸壓和扭矩，對沖頭整體性能的要求較高;對芯模施加轉(zhuǎn)動的擠壓方式進行了嘗試，該方法能有效地改變成形時坯料與模具間摩擦力的作用方向，并可顯著降低成形載荷［5-7］.利用物理實驗法進行了初步驗證，研究結(jié)果表明，對模具施加轉(zhuǎn)動可顯著改善擠壓成形后制品的組織及性能［8］.但芯模施加旋轉(zhuǎn)的擠壓方法僅適用于圓截面型材，對異形截面型材而言，必然會引起軸向流線沿橫斷面方向的“切斷”;且由于芯?？谔幠Σ翖l件的改變，使附加應力的分布變得更為復雜，反而增加了擠出金屬流速的不均勻性及扭曲缺陷產(chǎn)生的可能性，無法滿足生產(chǎn)和實際應用的需要.

針對以上不足，本文首次提出了對凹模施加轉(zhuǎn)動的擠壓成形技術(shù)［9］，并與普通擠壓、芯模轉(zhuǎn)擠壓成形過程進行對比研究.

1 研究方案

1.1 工藝性分析

對凹模施加轉(zhuǎn)動，不僅可使沖頭或芯模轉(zhuǎn)擠壓成形中的難題迎刃而解，且凹模與坯料接觸面積較大，降低擠壓能耗的效果將更為顯著.根據(jù)凹模施加旋轉(zhuǎn)方式的不同，可分為全凹模和半凹模轉(zhuǎn)動兩種，工藝原理如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)模擠壓成形新方法原理示意圖

由圖1(a)可知，凹模作為坯料擠出前的約束定位工具，如要實現(xiàn)模具整體轉(zhuǎn)動又兼顧結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性，需相應設計輔助定位裝置及結(jié)構(gòu).采用部分凹模旋轉(zhuǎn)的方式可簡化相應裝置結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，其中，上凹模在擠壓成形中固定不動，僅對下凹模部分施加旋轉(zhuǎn).從工藝特點可知，擠壓成形過程中塑性變形區(qū)主要集中在擠出端附近，塑性區(qū)內(nèi)點的受力狀態(tài)，對下凹模進行旋轉(zhuǎn)可達到同樣效果.

1.2 有限元模型

本文利用塑性有限元模擬軟件DEFORMTM-3D對轉(zhuǎn)模擠壓成形過程進行數(shù)值模擬，有限元模型如圖2所示.

1.3 工藝方案

實驗材料為AZ31鎂合金，坯料初始尺寸為Φ50 mm×120 mm，擠壓比為9.76，芯模半錐角60°，坯料初始溫度350℃，模具溫度300℃，擠壓速度為0.314 mm/s，芯模和凹模轉(zhuǎn)速分別為0.314 r/s，根據(jù)相應文獻報道［10］，摩擦因子取1.0.

圖2 轉(zhuǎn)模擠壓有限元模型

2 討論及分析

2.1 塑性變形規(guī)律

圖3為不同扭轉(zhuǎn)方式對擠壓成形過程中等效應力分布的影響對比.從圖3(a)可以看出，普通擠壓時等效應力值較大的區(qū)域集中分布于?？诓课?隨著擠壓成形過程的進行，該區(qū)域等效應力值仍為最大;對芯模施加旋轉(zhuǎn)后，如圖3(b)所示，變形坯料上等效應力峰值顯著升高，同時，等效應力值較大區(qū)域的范圍也隨之擴大;對凹模施加旋轉(zhuǎn)，變形坯料上等效應力值的分布進一步發(fā)生改變，如圖3(c)所示，此時凹模內(nèi)靠近下方的大部分區(qū)域內(nèi)等效應力數(shù)值均較高，且由于對凹模施加了旋轉(zhuǎn)運動，使擠出坯料上一段距離內(nèi)的等效應力值顯著變大.

綜上可知，與普通擠壓和芯模轉(zhuǎn)的擠壓方式相比，凹模施加旋轉(zhuǎn)可使變形坯料上發(fā)生塑性變形區(qū)的范圍顯著擴大.

通常，擠壓過程中凹模底角部常因部分金屬無法被擠出成形而形成“死區(qū)”缺陷.但如對工模具分別施加轉(zhuǎn)動，必將引起死區(qū)分布范圍的改變，圖4所示為不同擠壓過程中底角部死區(qū)的分布形貌對比.從圖4對比可知，由于凹模底角部結(jié)構(gòu)及受力等因素的影響，普通擠壓時該部位存在部分難于被擠出成形的金屬，并逐漸留在此部位形成難變形的“死區(qū)”缺陷.但分別對芯模、凹模施加旋轉(zhuǎn)后，引起了該處金屬流動行為的顯著變化，使此部位金屬也有明顯地向模口充填流動的趨勢，因此，對模具施加轉(zhuǎn)動后，凹模底角部的死區(qū)缺陷消失，該處金屬隨著其他部位一起被擠出成形.

圖3 不同擠壓過程中等效應力分布對比

圖4 不同擠壓過程中死區(qū)缺陷的對比

2.2 擠壓變形流動行為研究

2.2.1 金屬流動行為分析

與普通擠壓相比，芯模、凹模分別施加旋轉(zhuǎn)運動對擠壓成形過程中金屬的流動行為有著重要的影響，圖5所示為不同施載方式擠壓過程中金屬流動行為的對比.

從圖5(a)可以看出，普通擠壓時在沖頭的施載情況下，凹模內(nèi)金屬向擠壓?？谔幷w均呈流動趨勢，并逐次被擠出成形.對芯模施加旋轉(zhuǎn)后(圖5(b))，凹模內(nèi)金屬的整體流動趨勢不變，但因芯模是坯料擠出成形前的“約束及定型”工具，對其進行旋轉(zhuǎn)，必然引起模口部位金屬的環(huán)向流動，進而使金屬在擠出過程中產(chǎn)生扭曲變形;凹模是金屬擠壓成形中的約束工具，對其施加旋轉(zhuǎn)則不易引起擠出制品產(chǎn)生扭曲缺陷，如圖5(c)所示，此時凹模下部的金屬除了沿施載方向流動外，還有顯著地沿環(huán)向流動趨勢.凹模施加旋轉(zhuǎn)會引起該部位金屬呈螺旋狀逐次向?？谔幜鲃硬⒈粩D出成形，所以，對凹模施加旋轉(zhuǎn)的擠壓成形中金屬的流動行為較前兩者要復雜得多.

圖5 不同擠壓過程中金屬流動行為的對比

2.2.2 扭曲變形行為分析

圖6所示分別為不同擠壓成形過程中坯料軸線部位處剖面上網(wǎng)格扭轉(zhuǎn)變形行為的對比.由圖6對比可以看出，普通擠壓成形中軸線部位的剖面網(wǎng)格幾乎不發(fā)生傾斜及扭曲變化，因此，可知此種擠壓方式的制品流線整體均大致沿著軸線方向分布;芯模施加轉(zhuǎn)動時，必然引起擠出?？诓课唤饘倭鲃有袨楦淖?，但僅為靠近擠出?？诓课恢破返牧骶€發(fā)生扭曲變形;而對凹模施加轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部金屬扭曲變形的趨勢明顯增大，可知采用此種擠壓方式時，制品流線呈螺旋狀由里至外順次分布，因此，可顯著地提高擠出型材的品質(zhì)及力學性能.

圖6 不同擠壓過程中坯料軸向部位處剖面上網(wǎng)格扭轉(zhuǎn)變形對比

2.2.3 擠出流速均值

擠壓成形時模具出口處金屬流速對擠出制品產(chǎn)生扭擰、彎曲及開裂有著重要影響，因此，在?？谔幋怪陛S向作截面，取n個點的軸(Z)向速度的平均值，擠出金屬流速均值定義為

圖7為不同擠壓成形過程中金屬軸向流速均值的變化對比.

由圖7數(shù)值對比可知，普通擠壓和芯模旋轉(zhuǎn)擠壓時，擠出金屬的流速均值變化趨勢基本一致;而對凹模進行旋轉(zhuǎn)，由于金屬流速均值增大了近1倍，因此可知，對凹模施加旋轉(zhuǎn)，更利于金屬的擠出成形.

2.3 溫度場變化規(guī)律

由圖8(a)可知，普通擠壓時擠壓?？诓课粶囟戎递^高，靠近沖頭側(cè)溫度值較低;芯模施加轉(zhuǎn)動后，變形坯料上溫度的整體分布基本不變，如圖8(b)所示，但?？谔幾罡邷囟戎祫t升高了30℃;凹模轉(zhuǎn)動時(圖8(c))，盡管?？谔帨囟热詾樽罡咛?，但凹模內(nèi)下側(cè)大部分區(qū)域坯料的溫度顯著地升高.

圖7 擠出成形速度對比

圖8為不同擠壓成形過程中溫度場的分布及變化規(guī)律.

圖8 擠壓過程中溫度分布的對比

圖9為不同工模具及坯料上最大溫度的峰值變化對比.由圖9可知，隨著擠壓過程的進行，除普通擠壓時變形坯料上的最高溫度峰值保持在320℃左右外，其余兩者均呈逐漸增大趨勢變化.其中，芯模施加轉(zhuǎn)動后，其峰值則達到了353℃，而對凹模施加轉(zhuǎn)動時，坯料上的最高溫度峰值為347℃，由此可知，分別施加轉(zhuǎn)動時，芯模轉(zhuǎn)動對變形坯料上溫升影響最大.

圖9 不同擠壓過程中最大溫度峰值的對比

2.4 載荷變化規(guī)律

由前述分析可知，對芯模、凹模施加轉(zhuǎn)動，可顯著地改變坯料與工模具接觸部位摩擦力的矢量分布，引起擠壓成形過程中成形載荷發(fā)生相應變化.圖10所示為擠壓成形中載荷曲線的變化對比.

圖10 位移－載荷曲線的對比

從圖10對比可知，擠壓成形過程中位移-載荷的變化趨勢均呈先增大后逐漸略減的趨勢變化，但不同擠壓方式的成形載荷峰值差異較大.普通擠壓時的極限載荷峰值為64.3 t;與前者相比，對芯模施加轉(zhuǎn)動，擠壓載荷峰值降至53.9 t，降幅為16.2%;當對凹模施加旋轉(zhuǎn)，由于凹模與坯料接觸的面積較芯模要大得多，因此，擠壓載荷峰值降低得更多，與普通擠壓相比，降幅可達到42.1%，即使與同等轉(zhuǎn)速條件下的芯模轉(zhuǎn)動相比，可實現(xiàn)30.9%的降幅.由此可知，對凹模施加旋轉(zhuǎn)可有效地降低擠壓成形時的極限載荷.

3 結(jié)論

1)針對傳統(tǒng)擠壓能耗大、材料利用率低等問題，首次提出了對凹模施加旋轉(zhuǎn)的擠壓成形新技術(shù).

2)通過不同擠壓過程的對比可知，凹模施加轉(zhuǎn)動時塑性區(qū)的范圍最大.且與普通擠壓相比，對芯模及凹模分別施加轉(zhuǎn)動，均可有效地消除凹模底角部的死區(qū)缺陷.

3)經(jīng)對比可知，芯模施加旋轉(zhuǎn)時變形坯料上溫升為最高，凹模轉(zhuǎn)動時工模具上的溫升為最大.

4)通過成形載荷峰值的對比可知，芯模及凹模的分別轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的降幅分別為 16.2%、42.1%，因此，對凹模施加轉(zhuǎn)動降低成形載荷效果更為顯著.

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Investigation of the mechanism in extrusion process with rotating container

LI Feng1，LIN Jun-feng2，ZHANG Xin-long1
(1.College of Materials Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China，E-mail:hitlif@126.com;2.National Key Laboratory for Precision Heat Processing of Metals，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Due to the problem that high energy consumption and low material utilization ratio in extrusion process for lower plastic alloy，this paper proposes a new forming technology，named extrusion with steadily rotating container，and a set of special container is designed.Compared to the extrusion with rotating die，which is only applicable to circular section products，the new forming technology can effectively avoid the axial“cutting”of vertical die orifice during special-shaped products extrusion forming.The results show that，compared with conventional extrusion，the plastic zone expands significantly in the extrusion with rotating container，and the peak of forming load decreases by 42.1%.

extrusion with rotating container;deformation mechanism;lower plastic alloy;numerical simulation

TG376 文獻標志碼：A 文章編號：1005-0299(2011)05-0025-07

2010-10-10.

黑龍江省博士后科研啟動基金資助項目(LBHQ10065);哈爾濱市青年科技創(chuàng)新人才基金資助項目(2010RFQXG021).

李峰(1979-)，男，博士，副教授.

(編輯 呂雪梅)