基于Deform-3D的螺旋擠壓與扭轉(zhuǎn)擠壓模擬對(duì)比分析

南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南京 210094

1 研究背景

大塑性變形具有強(qiáng)大的晶粒細(xì)化能力，可使多晶材料的內(nèi)部組織細(xì)化至亞微米級(jí)甚至納米級(jí)，成為超細(xì)晶材料［1］。超細(xì)晶材料因自身獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)而具有高強(qiáng)度、高硬度和耐磨性，同時(shí)具有良好的塑性和韌性。這些性能使超細(xì)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(xì)晶材料的有效技術(shù)，設(shè)計(jì)新型大塑性變形工藝一直是各國(guó)材料工程研究的熱點(diǎn)，也是國(guó)際材料領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)最激烈的課題之一［2］。

超細(xì)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(shí)棒料表面結(jié)構(gòu)經(jīng)常受損，甚至出現(xiàn)斷裂。加之?dāng)D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(duì)較低，等徑角擠壓工藝的產(chǎn)業(yè)化沒有明顯優(yōu)勢(shì)［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(dòng)力，在設(shè)備設(shè)計(jì)及設(shè)備操作上很煩瑣，并且經(jīng)過查閱文獻(xiàn)及多次試驗(yàn)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(dá)到理想的效果［5-6］。

針對(duì)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(jì)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(jìn)了傳統(tǒng)擠壓模，采用了特別設(shè)計(jì)的螺旋滑道，在擠壓的同時(shí)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(duì)螺旋擠壓工藝與扭轉(zhuǎn)擠壓工藝的成形過程進(jìn)行對(duì)比分析，得出螺旋擠壓的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jìn)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(jì)算溫度和磨損，因此對(duì)所有零件進(jìn)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(dòng)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(gè)擠壓過程時(shí)長(zhǎng)為6 s。對(duì)于扭轉(zhuǎn)擠壓而言，其扭轉(zhuǎn)量應(yīng)當(dāng)與螺旋擠壓螺旋滑道總高度相對(duì)應(yīng)，整個(gè)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(duì)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(dòng)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(gè)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(dá)到一個(gè)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(shì)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?？梢娙绻麛D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(zhǎng)，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(jìn)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?cè)茍D，如圖5所示。

▲圖5 坯料等效應(yīng)變?cè)茍D

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(dá)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(chǎng)

本次模擬對(duì)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(huì)使坯料發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸增大，強(qiáng)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(chǎng)十分有必要。T2純銅在350℃以上時(shí)可能會(huì)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(chǎng)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(dá)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，螺旋擠壓中的坯料溫度場(chǎng)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(chǎng)分析確認(rèn)，可以選擇螺旋擠壓代替扭轉(zhuǎn)擠壓。

▲圖6 坯料溫度場(chǎng)

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(huì)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(dòng)速度，H為模具材料硬度，t為時(shí)間，a、b、c、K為修正因數(shù)。對(duì)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(jì)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(yán)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(huì)因?yàn)楦挠寐菪蓝箶D壓模過度磨損。

4.2 應(yīng)力分析

對(duì)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(shí)刻進(jìn)行應(yīng)力分析。通過提取坯料對(duì)擠壓模的反作用力，對(duì)擠壓模的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，計(jì)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(dá)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(duì)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(chǎng)、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?cè)龃蠛竽軌蚣?xì)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(jì)扭轉(zhuǎn)裝置，設(shè)計(jì)方便，操作簡(jiǎn)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(qiáng)度和硬度。