等通道彎角擠壓過程有限元分析與擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐淑波，孫化鑫，任國成，景財(cái)年，李婷婷

(山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

1 前言

材料的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)對外在宏觀特性具有重要影響，根據(jù)Hall-Petch 公式，一般情況下材料晶粒平均幾何尺寸越小其屈服強(qiáng)度和硬度越高[1-3]，因此，尋求可有效細(xì)化晶粒材料的工藝具有重要的應(yīng)用前景。大塑性變形等通道擠壓（ECAP）是制備高性能塊體超細(xì)晶材料中發(fā)展最快的變形技術(shù)之一[4-7]。目前，變形材料以鎂、鋁、銅和鋅及其合金為主,用鋼鐵材料進(jìn)行ECAP 變形的試驗(yàn)較少[8-10]。這一過程是目前制備塊狀超細(xì)晶粒材料最有工業(yè)前景的工藝之一，其細(xì)化晶粒的機(jī)理在于使擠壓件通過一個(gè)具有一定拐角的等橫截面管道的模具反復(fù)擠出，從而在不改變擠壓件橫截面幾何形狀的基礎(chǔ)上，使擠壓件累積較高的應(yīng)變達(dá)到晶粒細(xì)化，從而制備出無疏松孔洞的塊體超細(xì)材料[11-13]。

如圖1 所示，兩個(gè)截面交叉角Φ 稱為模具拐角，拐角圓弧的中心角ψ 稱為模具圓心角，與模具圓心角半徑r 一一對應(yīng)，由于ECAP 過程主要是通過擠壓累積等效應(yīng)變有效地細(xì)化晶粒，因此，模具拐角Φ、中心角ψ 和中心角半徑r 對擠壓模具的晶粒細(xì)化等幾何參數(shù)有重要影響。目前，對鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、銅、鈦、低碳鋼等金屬材料的研究主要采用ECAP 法[14]。結(jié)果表明，ECAP 處理后的晶粒較擠壓前細(xì)化，強(qiáng)度、塑性、抗疲勞性能等綜合性能得到提高。本文對等通道彎角擠壓過程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬分析，得出了上述工藝參數(shù)對擠壓過程變形的影響，為優(yōu)化模具形狀、獲得擠壓件所需的變形分布提供了大量有效的結(jié)果和規(guī)律。

圖1 ECAP 工藝示意圖

但由于擠壓過程中出現(xiàn)的一些熱擠壓現(xiàn)象，由于熱擠壓時(shí)會產(chǎn)生較高的溫度，所以在擠壓過程中也會產(chǎn)生較高的溫度，如擠壓溫度過高，不利于大塊超細(xì)晶材料的制備，同時(shí)在實(shí)際加工過程中模具壽命很低。因此，基于有限元分析的ECAP模具設(shè)計(jì)可以有效地提高模具的強(qiáng)度，使設(shè)計(jì)的模具既能滿足冷擠壓材料的變形抗力，又能滿足ECAP 工藝的變形特性。本文通過改進(jìn)具有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模具，實(shí)現(xiàn)了等通道彎角冷擠壓工藝。

2 ECAP 工藝有限元分析

實(shí)際工藝與模擬有所不同，為了獲得能夠匹配實(shí)際操作的工藝參數(shù)，通過有限元分析ECAP工藝就有很大的應(yīng)用價(jià)值。

ECAP 工藝變形機(jī)理研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)該工藝的工業(yè)化生產(chǎn)。因此研究ECAP 工藝，獲得可用于指導(dǎo)實(shí)際工藝的變形機(jī)理具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。因此，通過有限元對ECAP 工藝進(jìn)行分析十分必要。本文針對等方型通道彎角擠壓過程進(jìn)行模擬研究，故擠壓過程為平面變形問題，采用商品化有限元軟件CASFORM-2D/PC 進(jìn)行模擬。試樣尺寸選取為10mm×10mm×80mm，擠壓材料為純鋁（99.99%），其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為σˉ＝Cεˉn，其中,C=170kg/mm2，n＝0.24,摩擦因子m為0.20，沖頭向下的擠壓速度為2mm/s。

2.1 模具拐角對擠壓過程的影響

圖2 為等通道彎角擠壓過程的等效應(yīng)力分布圖，其中圖2a 為模具拐角為90°的情況，圖2b 為模具拐角為120°的情況。當(dāng)模具拐為90°時(shí)，變形區(qū)的最大等效應(yīng)力為141.67MPa，當(dāng)模具拐角為120°時(shí)，變形區(qū)的最大等效應(yīng)力為127.62MPa，因此，模具拐角90°時(shí)比模具拐角120°時(shí)的等效應(yīng)力提高約11%。結(jié)果表明，當(dāng)模具拐角為90°時(shí)，材料的變形抗力增大，擠壓效果明顯改善。從圖2所示的輪廓線可以看出，變形主要集中在模具拐角處，變形梯度較大。因此，在模具強(qiáng)度能滿足要求的情況下，盡可能采用角度為90°的模具，以提高累積變形的效果；對于變形抗力較大的擠壓材料，模具拐角120°較為理想。

圖2 等通道彎道擠壓等效應(yīng)力分布（r=5）

2.2 模具圓心角半徑對擠壓過程的影響

圖3 所示為擠壓件主要變形區(qū)橫截面上的等效應(yīng)變分布曲線。通過有限元分析，得出了模具圓心角半徑對擠壓件主要變形區(qū)等效應(yīng)變的影響規(guī)律，得出了模具拐角90°和120°的最佳選擇原則：圓角半徑越小，擠壓件截面間等效效應(yīng)的變化差越小。但隨著中心角半徑的減小，一方面擠壓件整體變形分布趨于均勻，得到的等效應(yīng)變量逐漸增大；另一方面，空腔的膨脹力增大，會急劇增加。因此，ECAP 工藝設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮或平衡模具圓心角半徑對變形分布均勻性和模具壽命的影響。

3 ECAP 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在常溫下對硬質(zhì)材料進(jìn)行擠壓，對模具的要求很高。在對低碳鋼擠出成形進(jìn)行有限元分析過后，設(shè)計(jì)出符合其工藝的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞摺?/p>

圖3 等效應(yīng)變分布曲線

ECAP 模具的工作環(huán)境極其惡劣。因此，硬質(zhì)材料室溫預(yù)擠壓對模具的精度、強(qiáng)度、剛度和壽命提出了更高的要求。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過對ECAP 擠壓過程的有限元分析，得到了優(yōu)化的模具幾何尺寸和工藝參數(shù)，根據(jù)低碳鋼擠壓成型的基本要求設(shè)計(jì)了ECAP 擠壓實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸荒＞吆屯鼓Ｊ菙D壓超細(xì)晶材料的重要零件，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以考慮。由于模具的變形條件很差，模具的常規(guī)結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)，為了有效利用模具材料，保證其承載能力，選擇了預(yù)應(yīng)力復(fù)合模具結(jié)構(gòu)。由于凸模的尺寸受擠壓件幾何尺寸的影響，凸模的強(qiáng)度和壽命不僅要從所用材料上考慮，而且要從凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮。模具的裝配圖如圖4 所示。

3.1 組合凹模優(yōu)化設(shè)計(jì)

在擠壓模具的所有零件中，模具與擠壓接觸直接涉及到變形過程，最重要的工作就是完成擠壓零件的擠壓，模具在巨大的、強(qiáng)烈的沖擊和摩擦的壓力下，是由拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力組合而成的不平衡的應(yīng)力過程，同時(shí)由于ECAP 擠壓工藝是通過側(cè)向擠壓工藝來進(jìn)行擠壓的，模具流道不同于一般的擠壓成形，其工作條件非常惡劣。因此，模具的設(shè)計(jì)必須能有效地承受和分配載荷。

圖4 等通道彎角擠壓模具裝配圖

流道如轉(zhuǎn)角擠壓模，是按一定角度相交的流道截面，整個(gè)加工比較困難，所以凹模型腔的加工采用分塊式，沿流道橫截面分為前后模腔，在保證型腔加工精度的同時(shí)，降低了加工難度，最終實(shí)現(xiàn)了組合凹模采用預(yù)應(yīng)力壓套結(jié)構(gòu)，能有效承受復(fù)雜的應(yīng)力分布的凹模所受的影響。

如圖5 所示，由于擠壓過程是一個(gè)三向力，擠壓在產(chǎn)生塑性變形的過程中，必然會產(chǎn)生彈性變形，擠壓后的截面幾何尺寸都比較好，比擠壓前的尺寸略有增加，為避免擠出不能再進(jìn)入擠出管，所以在設(shè)計(jì)過程中要使成管截面略大于管材橫截面，即如圖5 所示按d2＜d1＜d3的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 凹模彎角型腔結(jié)構(gòu)圖

3.2 凹模預(yù)應(yīng)力壓套設(shè)計(jì)

模具種類很多，但為了提高模具的承載能力，有效地利用模具材料，冷擠壓模具大多采用預(yù)應(yīng)力套筒加強(qiáng)。如圖6a 所示，單層壓套復(fù)合模用于形狀簡單、變形程度小的場合。圖6b 為雙層套料預(yù)應(yīng)力復(fù)合模具，用于形狀復(fù)雜、變形程度大的場合。圖6c 所示的三層壓覆層預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料模具可以成功地應(yīng)用于幾乎所有屬于特殊增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的金屬和合金的擠壓成形。

圖6 常規(guī)分割式預(yù)應(yīng)力組合凹模

綜合考慮ECAP 擠壓工藝特點(diǎn)，本文采用雙層壓套預(yù)應(yīng)力組合凹模，如圖7 所示。

由于等通道彎角擠壓通過管道的彎曲作用使擠壓件獲得足夠大的變形，因此不同于一般的擠壓成形，在設(shè)計(jì)過程中擠壓件是側(cè)向擠出的，因此必須在壓套上開孔，從而使擠出件能夠順利擠出，這使預(yù)應(yīng)力套圈的強(qiáng)度受到一定程度的降低，因此要在壓套設(shè)計(jì)中預(yù)留一定空間，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生的危害。同時(shí)為避免卸模時(shí)存留在凹模中的擠壓件使各壓套相互卡嵌，故一二層壓套的開孔設(shè)計(jì)應(yīng)如圖7 所示開孔至底，其中D＝275mm，d1=150mm，u1=0.984，d2＝（2.45～3.25）d=223.75mm，考慮壓套開孔，d2=230mm，u2==0.4674,u 為d 處徑向過盈量。

圖7 ECAP 改進(jìn)分割式預(yù)應(yīng)力組合凹模

3.3 等通道彎角擠壓凸模優(yōu)化設(shè)計(jì)

擠壓實(shí)驗(yàn)的橫向尺寸為10mm×10mm，對于通道等凸模轉(zhuǎn)角擠壓模具的設(shè)計(jì)，由于擠壓截面尺寸決定了沖孔，因此凸模高得多，剛度是擠壓過程中一個(gè)不可忽視的因素，考慮到擠壓過程中工作條件惡劣的同時(shí)，必須加強(qiáng)凸模的強(qiáng)度。為此，本文采取了以下措施：（1）盡可能縮短凸模的長度。在擠出過程中，由于凸模長度的縮短，當(dāng)凸模達(dá)到最大壓力時(shí)，通過連續(xù)的回程不斷地充滿擠出機(jī)。（2）采用帶導(dǎo)向裝置的模具，避免因模具配合精度而造成凸模損壞。高徑比較小的沖頭如圖8 所示，h為凸模高度，r 為凸模截面徑向尺寸。

圖8 ECAP 擠壓模具凸模結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

通過有限元分析，給出了凸模和預(yù)應(yīng)力組合凹模等關(guān)鍵零件的基本尺寸，設(shè)計(jì)了等通道彎角擠壓模具，能夠滿足鋁、銅及其合金的冷擠壓工藝要求。

（1）ECAP 變形主要集中在模具拐角處，且變形梯度較大，在模具強(qiáng)度滿足要求的條件下，可采用拐角為90°的模具來提高累積變形效果。隨著中心角半徑的減小，擠出機(jī)整體變形隨著中心角半徑的增大逐漸趨于均勻分布，但空腔膨脹力會急劇增大。因此，ECAP 工藝設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮或平衡中心角半徑對擠壓機(jī)變形均勻性和模具壽命的影響。

（2）ECAP 擠壓是一種三向力，擠壓產(chǎn)生塑性變形的過程中，不可避免地產(chǎn)生彈性變形，擠壓后的截面幾何尺寸都比擠壓前略有增加，避免擠壓件不能再次進(jìn)入擠出線，所以在設(shè)計(jì)過程中要使管道的橫截面略大于擠壓管材的橫截面。

（3）凹模預(yù)應(yīng)力套圈應(yīng)避免卸模時(shí)存留在凹模中的擠壓件使各壓套相互卡嵌，故一二層套圈的開孔設(shè)計(jì)應(yīng)開孔至底；凸模的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量縮短長度。當(dāng)凸模達(dá)到最大壓力時(shí)，通過不斷回程，反復(fù)填充擠壓件連續(xù)擠出擠壓件。