正擠壓和CCAE復(fù)合變形工藝數(shù)值模擬

于彥東 李磊

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的大塑性變形技術(shù)制備超細(xì)晶材料存在著生產(chǎn)效率低下、制造成本高等問(wèn)題，在變通道轉(zhuǎn)角擠壓（CCAE）工藝和正擠壓工藝（FE）基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套正擠壓和變通道轉(zhuǎn)角擠壓復(fù)合擠壓模具。以AZ31鎂合金為研究對(duì)象，采用Deform3D軟件對(duì)該工藝進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明： FEECAP復(fù)合變形工藝后的累積變形量大于分別進(jìn)行FE和CCAE兩種工藝的累積變形量之和，晶粒尺寸由135μm減小到266μm，晶粒細(xì)化效果顯著。

關(guān)鍵詞：復(fù)合擠壓;AZ31鎂合金;累積變形量;數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.023

中圖分類號(hào)： TG37652

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）05-0134-04

Abstract：Due to the inefficiency and highcost of traditional large plastic deformation on the preparation of ultrafine crystal material，a new kinds of compound deformation combined forward extrusion and change channel angular extrusion （FECCAE） mold was designed based on the change channal angular extrusion and forward extrusion（FE）Taking the AZ31 magnesium alloy as the research object，the compound deformation was simulated by Deform 3D softwareThe numerical simulation results shows that the accumulated deformation of FECCAE better than the sum of FE and CCAE，and the grain refining significantly，which decreased from 135μm to 266μm

Keywords：compound deformation;AZ31 magnesium alloy;accumulative defor mation;numerical simulation

0引言

等通道轉(zhuǎn)角擠壓（equal channel angular pressing， ECAP）是由蘇聯(lián)的Segal[1]等首次提出并應(yīng)用于鋼變形研究，Valiev[2]等人將ECAP技術(shù)應(yīng)用于制備超細(xì)晶鋁合金，自此，ECAP技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金[3]、鎂合金[4]、鈦合金[5]及銅合金[6]的晶粒細(xì)化。

ECAP需要多道次變形，才能累積足夠的塑性變形量，加工效率低下[7]。為此，在ECAP工藝的基礎(chǔ)上，劉世宇[8]設(shè)計(jì)了一種兩軸線相交，但兩通道截面不同的一種大塑性變形工藝，即變通道轉(zhuǎn)角擠壓（Change Channel Angular Extru sion ，CCAE）工藝。

基于以上的優(yōu)點(diǎn)，為了獲得更大的塑性變形量，獲得性能更加優(yōu)異的細(xì)晶材料，在變通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種正擠壓和變通道轉(zhuǎn)角擠壓復(fù)合變形（FECCAE）模具[9]。本文以AZ31鎂合金為研究材料，利用Deform 3D軟件對(duì)FECCAE進(jìn)行工藝模擬，期望對(duì)制備超細(xì)晶材料提供新的思路。

1模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)的設(shè)定

本文所設(shè)計(jì)的正擠壓和變通道轉(zhuǎn)角擠壓復(fù)合變形工藝是在正擠壓通道后直接連接一個(gè)橫截面改變的變通道轉(zhuǎn)角擠壓型腔，一次擠壓過(guò)程，坯料連續(xù)通過(guò)兩種擠壓型腔，從而提高了坯料的加工效率，該工藝原理如圖1所示，裝置的三維圖如圖2。

如圖1（a）所示，金屬坯料在沖頭的作用下，首先流經(jīng)A區(qū)域，發(fā)生墩粗、擠壓變形;然后流經(jīng)B區(qū)域，發(fā)生極大的純剪切變形。這樣，坯料在一次擠壓過(guò)程中，同時(shí)完成了多種塑性變形，累積得到較多的塑性變形量，最終使材料內(nèi)部組織發(fā)生顯著變化，從而提高材料的綜合力學(xué)性能。為了獲得綜合性能良好的細(xì)晶鎂合金材料，如圖1（b）所示，本實(shí)驗(yàn)選取以下參數(shù)：A處的擠壓比為L(zhǎng)20/L21=16∶9，B處的擠壓比為L(zhǎng)21/ L2·L1=3∶2，總的擠壓比L20/L2·L1=8∶3;模具內(nèi)圓角半徑為5mm，外圓角半徑為10mm;模具內(nèi)角Φ=90°，模具外角φ=45°;正擠壓模角θ=30°。

本文采用Deform 3D有限元模擬軟件對(duì)正擠壓和變通道轉(zhuǎn)角擠壓復(fù)合變形工藝進(jìn)行有限元模擬，為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算時(shí)間，取三維模型的一半進(jìn)行模擬。模具型芯和沖頭材料采用軟件自帶的AISIH13，坯料為AZ31鎂合金，根據(jù)郭強(qiáng)等[10]所提出的AZ31鎂合金熱壓縮流變應(yīng)力方程建立模型，T≥350℃方程為：

ε=2.3×10-8σ8.43exp（-112000/RT）（1）

AZ31鎂合金的熱性能如表1所示[11]。坯料的原始尺寸為20mm×20mm×70mm，初始網(wǎng)格數(shù)設(shè)為8000。鎂合金的擠壓溫度設(shè)置為370℃。摩擦因子設(shè)置為08，為了減小摩擦對(duì)擠壓變形溫度的影響，沖頭速度設(shè)置為V=1mm/s。

2模擬結(jié)果分析

21變形過(guò)程分析

圖3是FECCAE模具凸模的載荷-行程曲線，圖4為試樣在圖3所示的不同階段的變形示意圖。根據(jù)載荷-行程曲線，將FECCAE復(fù)合變形過(guò)程分為以下4個(gè)階段：

第Ⅰ階段：坯料首先進(jìn)入正擠壓型腔，由于受到正擠壓模面的鐓擠作用，坯料獲得較大的塑性變形量，同時(shí)凹模所受的載荷快速上升。

第Ⅱ階段：凸模繼續(xù)下行，坯料進(jìn)入正擠壓變形的穩(wěn)定階段，此時(shí)凸模的載荷的變化不大，近似保持穩(wěn)定。

第Ⅲ階段：坯料繼續(xù)下行，在變通道轉(zhuǎn)角處，坯料在受到剪切變形作用的同時(shí)，由于截面形狀的改變，也受到來(lái)自模面的鐓粗作用，在此處坯料獲得更多的塑性變形量。同時(shí)凸模所受的載荷急劇上升，并且因?yàn)榕髁显诖穗A段受到剪切和鐓粗的共同作用，載荷曲線的上升速度快于第Ⅰ階段。

第Ⅳ階段：凸模繼續(xù)下行，坯料進(jìn)入水平通道，并最終從模具中擠出，此時(shí)的載荷在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)并呈穩(wěn)步下降趨勢(shì);由于變通道轉(zhuǎn)角處的外角大于內(nèi)角，其對(duì)坯料的阻礙作用也大，從而坯料的前端在水平通道中呈現(xiàn)一個(gè)向后傾斜的斜面。

22等效應(yīng)變分析

金屬材料的細(xì)晶效果在一定程度上由等效應(yīng)變的大小和分布決定[12]。因此，對(duì)毛坯材料進(jìn)行點(diǎn)追蹤并分析其等效應(yīng)變能夠有效預(yù)測(cè)晶粒細(xì)化的程度。為了直觀的體現(xiàn)FECCAE變形工藝的優(yōu)勢(shì)，我們分別對(duì)FECCAE工藝、正擠壓（FE）工藝和變通道擠壓（CCAE）工藝進(jìn)行點(diǎn)追蹤。毛坯的點(diǎn)追蹤取點(diǎn)方式如圖5所示，在毛坯的端面取9個(gè)等距點(diǎn)，分別對(duì)其進(jìn)行分析。

3種擠壓工藝結(jié)束后，在9個(gè)追蹤點(diǎn)處等效應(yīng)變?nèi)鐖D6及表2所示。從表和圖中可以看出：坯料分別經(jīng)過(guò)三種擠壓工藝后，F(xiàn)ECCAE復(fù)合擠壓工藝的等效應(yīng)變均大于FE和CCAE工藝，在P1、P3、P6和P9處FECCAE工藝的等效應(yīng)變均大于FE工藝和CCAE工藝等效應(yīng)變之和，并且FECCAE復(fù)合變形工藝在9點(diǎn)處等效應(yīng)變之和大于FE和CCAE工藝等效應(yīng)變之和的疊加。等效應(yīng)變分析結(jié)果表明：FECCAE變形工藝的累積變形量大于分別進(jìn)行FE和CCAE兩種工藝的累積變形量之和，因此FECCAE變形工藝能夠在一次擠壓過(guò)程，便能獲得優(yōu)于分別進(jìn)行FE和CCAE工藝所獲得的塑性變形量，進(jìn)一步說(shuō)明該工藝能夠提高生產(chǎn)效率。

23晶粒度模擬

取毛坯的中心處為跟蹤點(diǎn)，晶粒的原始尺寸為135μm，當(dāng)跟蹤點(diǎn)在C和D位置（如圖6）處的晶粒度模擬分析結(jié)果如圖6所示。如圖7（a）所示，晶粒在C位置處的晶粒尺寸范圍在22～117μm，平均晶粒尺寸約為663μm，在此處晶粒由于受到正擠壓凹模的作用，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。晶粒經(jīng)過(guò)正擠壓凹模和變通道轉(zhuǎn)角擠壓凹模的聯(lián)合作用，在D位置處，晶粒進(jìn)一步細(xì)化。如圖6（b）所示，晶粒在b處的尺寸范圍為113～677μm，平均晶粒尺寸為266μm。并且晶粒在B處的標(biāo)準(zhǔn)偏差值SD≈103，約為C處標(biāo)準(zhǔn)偏差值SD≈345的三分之一，這說(shuō)明D位置處晶粒分布更加均勻。這是由于再結(jié)晶晶粒借助界面遷移，沿著四周畸變區(qū)域長(zhǎng)大，其界面遷移能為無(wú)晶格畸變的新晶粒與四周有晶格畸變的舊晶粒之間的應(yīng)變能之差，晶界總是背離曲率中心，沿著晶格畸變區(qū)長(zhǎng)大，直到全部形成無(wú)晶格畸變的等軸[13-14]。

由此可見(jiàn)，利用Deform 3d有限元模擬軟件，能夠分析在塑性成型過(guò)程中晶粒的變化，輔助分析晶粒微觀組織的變化機(jī)理及規(guī)律。

3結(jié)論

1）針對(duì)傳統(tǒng)的大塑性變形技術(shù)所存在的加工工藝復(fù)雜，加工效率低等問(wèn)題，結(jié)合正擠壓和變通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種正擠壓和變通道轉(zhuǎn)角擠壓復(fù)合變形裝置。

2）利用Defrom 3D軟件對(duì)FECCAE變形工藝進(jìn)行等效應(yīng)變分析，相同條件下，F(xiàn)ECCAE變形工藝的累積變形量大于分別進(jìn)行FE和CCAE兩種工藝的累積變形量之和。

3）利用Defrom 3D軟件對(duì)FECCAE變形工藝進(jìn)行晶粒度分析可知：經(jīng)過(guò)FECCAE工藝，晶粒尺寸由135μm減小到266μm，晶粒細(xì)化效果顯著。

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（編輯：關(guān)毅）