Al-Mg-Si合金導(dǎo)體二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的可行性模擬

周天國,吳曉玉,柯長奮,張方方

(沈陽大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

Al-Mg-Si合金導(dǎo)體二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的可行性模擬

周天國,吳曉玉,柯長奮,張方方

(沈陽大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

借助DEFORM-3D模擬軟件,模擬了二次轉(zhuǎn)角ECAE動態(tài)成形Al-Mg-Si合金第1道次應(yīng)力應(yīng)變及溫度場分布.其最大等效應(yīng)力為141 MPa,應(yīng)變?yōu)?1.4,變形溫度為415 ℃,基本與一次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的第2道次相等.效率可達到常規(guī)連續(xù)ECAE的二倍,因此,本研究對開發(fā)Al-Mg-Si合金二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形新工藝具有重要意義.

二次轉(zhuǎn)角ECAE成形;有限元分析;Deform-3D;Al-Mg-Si合金

動態(tài)時效連續(xù)等徑角擠壓(ECAE)成形有利于合金中強化相元素的快速析出和完全析出,大大提高合金元素Mg、Si從鋁基體中的析出速度,經(jīng)冷拔加工和最終人工時效工藝改變Al-Mg-Si合金導(dǎo)線中強化相Mg2Si的形貌和分布,從而綜合提高Al-Mg-Si合金導(dǎo)線的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能,制備新一代高性能AL-Mg-Si合金架空導(dǎo)線[1-4].由于ECAE加工過程的特點:加工過程中材料變形存在不均勻性,一般情況下要通過多道次,至少4道次ECAE成形才能使材料的組織趨于均勻化[5-7];加之本研究的連續(xù)ECAE成形連續(xù)轉(zhuǎn)動的擠壓輪槽壁和導(dǎo)體材料之間的摩擦力代替常規(guī)ECAE成形的凸模提供驅(qū)動力,連續(xù)ECAE成形力為柔性擠壓力,材料的加工速度和變形體的尺寸將受到限制,生產(chǎn)效率不高.要制備性能均勻的材料需進行多道次連續(xù)ECAE成形,所需的工序道次多、工序較煩瑣、設(shè)備投資大,生產(chǎn)線長、能耗高,生產(chǎn)效率相對較低,其單道次ECAE成形原理如圖1a所示.為了降低設(shè)備投資和提高生產(chǎn)效率,本文研究二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形技術(shù),其基本原理如圖1b所示,從圖1b可以看出,在設(shè)備結(jié)構(gòu)上二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形相比于一次轉(zhuǎn)角ECAE成形,二次轉(zhuǎn)角ECAE成形工藝更簡便,只需要1道次的成形,就可以實現(xiàn)2道次一次轉(zhuǎn)角ECAE成形,如果可以實現(xiàn)的話,連續(xù)ECAE材料制備的道次數(shù)可以減少一倍,具有良好的價值和實際應(yīng)用意義.由于二次轉(zhuǎn)角ECAE成形是在一次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形后直接進行下一道次的連續(xù)ECAE成形,其變形過程的應(yīng)力-應(yīng)變及其分布、大小如何,直接影響設(shè)備與工模具的受力狀態(tài)以及二次連續(xù)ECAE實驗?zāi)芊耥樌M行.采用直接實驗的方法,具有盲目性和高成本等風險.為了科學(xué)開發(fā)二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的技術(shù),減少實驗研究的盲目性,節(jié)約實驗成本,本文擬對二次轉(zhuǎn)角ECAE成形Al-Mg-Si合金導(dǎo)電材料進行二次轉(zhuǎn)角ECAE變形過程的等效應(yīng)力-應(yīng)變的分布進行數(shù)值模擬,以期為實驗研究提供科學(xué)的理論指導(dǎo).

圖1 連續(xù)ECAE成形原理示意圖Fig.1 Continuous ECAE principle diagram of single turn(a) and double turns(b)(a)—一次轉(zhuǎn)角;(b)—二次轉(zhuǎn)角.

1 有限元模型的建立

二次轉(zhuǎn)角ECAE擠壓的成形裝置基本原理如圖1b所示.裝置由ECAE凸模A、ECAE凸模B、導(dǎo)向輪和ECAE凹模幾個部分組成.連續(xù)ECAE成形過程:在旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)向輪作用下,坯料桿進入由ECAE凸模A和ECAE凸模B構(gòu)成的型腔中,坯料桿在旋轉(zhuǎn)的凸模A槽壁摩擦力的作用下,鋁合金桿不斷向前運動,到達擋塊處,流動方向改變90°;在遇到下一檔塊時流動方向又改變90°,鋁合金桿在ECAE凹模內(nèi)拐角處發(fā)生2次大剪切變形而連續(xù)不斷從ECAE凹模一側(cè)擠出,從而實現(xiàn)Al-Mg-Si合金導(dǎo)電材料的二次轉(zhuǎn)角ECAE成形.

本試驗借鑒已經(jīng)過驗證的一次轉(zhuǎn)角ECAE模擬的有限元模型參數(shù),選用材料為Al-Mg-Si合金,在Deform-3D材料庫中選取該合金的屈服應(yīng)力,彈性模量,泊松比和導(dǎo)熱系數(shù),其值分別為83.6 MPa,69 GPa,0.33和230 W·m-1·K-1.ECAE凸模和導(dǎo)向輪添加轉(zhuǎn)動載荷,方向相反.其余工件均為固定.之后定義工件和模具間的接觸參數(shù):摩擦系數(shù)和熱傳導(dǎo)因數(shù).本實驗中工件為塑性,其他為剛性忽略其彈性變形.工件采用四面體單元劃分網(wǎng)格,其初始單元數(shù)為3(4)9977.

2 模擬參數(shù)的設(shè)定

模擬參數(shù)的設(shè)定也選用課題組先前成功模擬的一次轉(zhuǎn)角ECAE成形過程的參數(shù),設(shè)定最優(yōu)工件、ECAE凸模A、ECAE凸模B、導(dǎo)向輪和ECAE凹模幾個部分的初始溫度為220 ℃,擠壓輪轉(zhuǎn)速為10 r·min-1.表1所示為工件與ECAE成形裝置各部分之間的摩擦系數(shù).

表1 模擬用摩擦系數(shù)Table 1 Friction coefficient used for simulation

3 多道次有限元模擬結(jié)果與分析

3.1連續(xù)ECAE多道次成形變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變與溫度分布

圖2～圖4分別是連續(xù)ECAE多道次成形變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布.從圖2～圖4可以看出,第1道次最大等效應(yīng)力為132 MPa、第2道次的最大等效應(yīng)力為141 MPa(見圖2);連續(xù)ECAE成形最大等效應(yīng)變由1道次的11.7增加到2道次的32.1(見圖3);而變形區(qū)的最高溫度由第1道次335 ℃,第2道次441 ℃(見圖4);隨著ECAE變形道次的增加,變形區(qū)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和溫度的最大值都不斷增大,均勻性增加,但增加的趨勢逐漸趨緩.

圖2 連續(xù)ECAE多道次成形Al-Mg-Si合金變形區(qū)的等效應(yīng)力分布Fig.2 Equivalent stress distribution of deformation zone of Al-Mg-Si alloy prepared by continuous ECAE forming

圖3 連續(xù)ECAE多道次成形變形區(qū)的等效應(yīng)變分布

圖4 連續(xù)ECAE多道次成形變形區(qū)的溫度分布

從圖3可以看出,溫度隨著道次的增加等效應(yīng)變的分布趨于均勻化.第1道次時在彎曲階段有一部分沒有受到大的剪切變形表現(xiàn)為等效應(yīng)變較小,而在第2道次由于等效應(yīng)變的累積,在各個階段的等效應(yīng)變的分布趨于均勻.主要是第1道次ECAE成形變形不均勻性較大,隨著道次的增多,變形逐漸由局部向整體深入,實現(xiàn)第2道次的分布較第1道次的均勻.這是因為,隨著擠壓道次的增加,逐漸由局部向整體深入,第4道次基本均勻分布.由于變形程度的不斷增加,金屬變形的剪切變形、內(nèi)摩擦及強度的增大,導(dǎo)致變形熱不斷增大.對于等效應(yīng)力而言,一方面,由上一道次積累的等效應(yīng)力以及殘余的等效應(yīng)力會對下一道次產(chǎn)生一定的阻礙作用,進而等效應(yīng)力不斷提高,但是隨著道次的增加晶粒不斷細化,工件變形阻力也逐漸的減緩;另一方面,隨著擠壓道次增加,材料加工硬化也隨著加大,導(dǎo)致等效應(yīng)力的增加,但由于道次增多,材料的變形溫度也升高(見圖4),導(dǎo)致材料發(fā)生完全回復(fù)并且有大部分的再結(jié)晶,導(dǎo)致材料的強度下降,所以幅度逐漸減小.連續(xù)BCAE動態(tài)時效成形過程中最大等效應(yīng)力不超過148 MPa,連續(xù)ECAE動態(tài)時效成形的型腔和模具材料均采用熱作模具鋼生產(chǎn),設(shè)備與工模具具有足夠的強度和剛度,可保證連續(xù)ECAE成形中不因變形區(qū)金屬變形抗力的增大而導(dǎo)致工、模具的破壞,能保證連續(xù)ECAE成形能連續(xù)、安全進行.

3.2二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變溫度分布

圖5為1道次二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形變形區(qū)的等效應(yīng)力-應(yīng)變和溫度分布,從圖5可以看出,第1道次二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形變形區(qū)的最大等效應(yīng)力為141 MPa,等效應(yīng)變?yōu)?1.4,變形溫度為415 ℃,與一次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的第2道次變形區(qū)的最大等效應(yīng)力141 MPa、應(yīng)變32.1、變形溫度441 ℃基本相當.但對整個變形速度而言,在采用相同尺寸與初始配料溫度相同的情況下,其擠出速度二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形為Step 780,而常規(guī)連續(xù)ECAE成形第2道次為Step 2200,二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形速度基本可達到常規(guī)連續(xù)ECAE成形效率的2倍.有利于減少設(shè)備和工藝投資,具有更大的研究價值.

圖5 二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形Al-Mg-Si合計變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變分布及溫度分布

4 結(jié) 論

(1) 當坯料擠壓溫度為220 ℃、擠壓輪轉(zhuǎn)速為10 r·min-1時,二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形變形區(qū)的最大等效應(yīng)力為141 MPa,、應(yīng)變?yōu)?1.4,變形溫度為415 ℃,變形區(qū)變形應(yīng)力較低,可保證二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形中不因變形區(qū)金屬變形抗力的增大而導(dǎo)致工、模具的破壞,能保證二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的順利進行;

(2) 二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形變形區(qū)的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分別為141 MPa,31.4和415 ℃,基本與一次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形的第2道次變形區(qū)的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變和溫度(141 MPa,32.1和441 ℃)基本相當,二次轉(zhuǎn)角連續(xù)ECAE成形具有較高的效率.

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SimulationonPossibilityofAl-Mg-SiAluminumAlloyPreparedbyDoubleTurnContinuousECAEProcess

ZhouTianguo,WuXiaoyu,KeChangfen,ZhangFangfang

(College of Mechanical Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The stress-strain and temperature distribution of Al-Mg-Si alloy prepared bydouble turn continuous ECAE forming were simulated by using DEFORM-3D software.The maximum equivalent stress is 141 MPa,strain is 31.4 and temperature in the deformation zone is 415 ℃.The results show that the distribution of equivalent stress-strain and temperature of deformation zone prepared by double turn ECAE forming is almost equal to that prepared by No.2 continuous ECAE forming.The efficiency of double turn continuous ECAE forming is two times higher than that of continuous ECAE.So it is of great significance of this research on developing double turn continuous ECAE forming new technology for Al-Mg-Si aluminum alloy conductors.

double turn ECAE forming;simulation;DEFORM-3D;Al-Mg-Si alloy

2017-04-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51174139).

周天國(1964-),男,重慶人,沈陽大學(xué)教授,博士后研究人員.

2095-5456(2017)05-0345-05

TG 156

A

【責任編輯:胡天慧】