鋯合金板材微孔成形數(shù)值模擬與實驗研究

付 明，劉劍鋒，向 濤，柏 強，羅遠新

(1. 中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610200；2. 重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

0 前言

鋯合金是反應(yīng)堆的關(guān)鍵核心材料之一[1-3]，目前主要用于核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料及燃料元件的包殼材料等。由于鋯合金材料塑性大、導(dǎo)熱性能差、燃點低，在機械加工過程中容易產(chǎn)生卷屑、粘刀[4,5]，且容易產(chǎn)生加工誤差，因此針對鋯合金材料的切削性能研究較多。但是目前關(guān)于鋯合金的塑性加工研究較少，尤其是鋯合金板材的微孔塑性成型研究較少，這嚴重制約著鋯合金材料的進一步發(fā)展使用。因此研究鋯合金板材的微孔塑性成型技術(shù)具有十分重要的作用。

目前，微孔加工技術(shù)包括滾軋成型、振動切削、機械鉆孔、電化學(xué)打孔、印壓光刻和激光加工等。美國西北大學(xué)的Dongkai Xu[6]通過滾軋成型的方法加工不同形狀特征的微孔，可在板材上加工出直徑 0.1～0.3 mm范圍內(nèi)的微孔。美國西北大學(xué)的Ping Guo[7-9]提出微結(jié)構(gòu)的橢圓振動紋理(EVT)成型方法，即切削刀具沿橢圓形軌跡振動并通過高切削速度的作用，在工件表面會形成所需的微孔結(jié)構(gòu)。日本近畿大學(xué)的Kai Egashira[10]通過電火花線切割(WEDG)制作了橫截面為D形且切削刃半徑為0.5 um的微型工具，基于該鉆削工具在單晶硅上鉆削出孔徑為6.7 um的微孔。韓國首爾國立大學(xué)的Se Hyun Ahn[11]通過控制電壓和脈沖持續(xù)時間來控制定位距離，進而加工出包括階梯孔和無錐度孔在內(nèi)的各種形狀的微孔，其中最小的微孔直徑為8 um。上海交通大學(xué)的Chengpeng Zhang[12-14]利用壓印光刻工藝在基板上加工制備出納米級的微孔陣列結(jié)構(gòu)，其微孔直徑范圍在90～300 nm。新加坡南洋理工大學(xué)的Krishnan Venkatakrishnan[15]利用激光加工技術(shù)在鈦箔上加工出大量的亞微米級微孔結(jié)構(gòu)。

雖然國內(nèi)外學(xué)者研究不同材料的微孔結(jié)構(gòu)加工制備技術(shù)并取得了不錯的成就，但是涉及鋯合金板材的微孔加工較少，而且現(xiàn)有的材料去除加工技術(shù)，如機械鉆孔、振動切削、激光加工、電化學(xué)加工等存在效率低、精度低、重鑄層和化學(xué)物質(zhì)殘留等缺陷，難以滿足鋯合金板材上微孔制備快速高效且高精度的要求。

本文通過有限元仿真模擬鋯合金板材上微孔的壓印成型過程，分析鋯合金板材成型過程中壓力和材料塑性流動隨時間的變化情況。在有限元分析的基礎(chǔ)上，通過制備的模具進行鋯合金板材的微孔壓印成型試驗，驗證鋯合金板材上微孔壓印工藝的可行性和可靠性。

1 微孔成型過程的有限元建模與仿真

1.1 有限元模型的建立

微孔的滾軋成型技術(shù)是指將鋯合金板材放在滾輪與模具之間，通過滾輪和鋯合金板材之間的相對運動，在壓力的作用下使材料表面形貌發(fā)生變化，并將擠壓外的材料充塞在有起伏細紋的模具形腔凸、凹處，從而在工件表面得到理想的特征。利用滾軋成形工藝加工制備微孔，其軋制示意圖如圖1所示。

圖1 滾軋成型工藝示意圖

由于實際的軋制過程較為復(fù)雜且影響因素較多，在仿真研究時對軋制過程進行合理的簡化。鋯合金板材的微孔成型過程的軋制仿真模型(壓印模型)如圖2所示，即將每一個微孔的軋制都視為一個單獨的微型柱形模具進行壓印成型。該微型模具整體呈現(xiàn)柱形，頂端設(shè)計為錐形，以便于軋制。通過對每一個微型柱形模具施加外界載荷使其向下運動，然后擠壓鋯合金板材獲得理想的微孔特征。

圖2 鋯合金板材軋制模型簡化示意圖

在模型簡化的基礎(chǔ)上，利用有限元仿真軟件MSC.MARC對鋯合金壓印成型過程進行仿真并建立有限元仿真模型如圖3所示。圖3中鋯合金壓印仿真模型中微型模具整體呈現(xiàn)圓柱形，通過對X方向的兩個側(cè)面、Y方向的兩個側(cè)面以及底面施加位移約束并完成邊界條件的設(shè)置。壓印成型仿真模型的網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，成形過程中采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量。被加工的板材設(shè)置為鋯合金，微型柱形模具材質(zhì)為模具鋼。

圖3 壓印仿真模型

由于壓印過程涉及到材料的塑性流動，除了需要輸入鋯合金的基本參數(shù)外，在仿真模型中還需要輸入鋯合金塑性變形階段的相關(guān)參數(shù)，即應(yīng)力應(yīng)變曲線。本研究針對的鋯合金其基本參數(shù)如表1所示。

表1 鋯合金參數(shù)

選取典型的鋯合金試樣在MTS疲勞試驗機對其進行拉伸試驗，通過試驗得到應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4中可以看出鋯合金材料的屈服極限約為425 MPa，抗拉強度為440 MPa；同時，計算出鋯合金的伸長率大于15%，表明鋯合金板材上微孔的加工制備采用壓印成型這種塑性成型方法是可行的。

圖4 鋯合金試樣拉伸試驗

由于鋯合金微孔的壓印是一個塑形變形過程，在有限元仿真模型中只需要提供鋯合金塑性變形階段的數(shù)據(jù)即可進行壓印成型仿真。在壓印成型的過程中所有壓頭(微型柱形模具)均設(shè)置為剛體，鋯合金坯料設(shè)置為變形體，所有壓頭一起沿著Z軸負向施加位移，最大位移為0.12 mm，然后所有壓頭反向運動卸載，運動到初始位置即完成卸載。

1.2 壓印過程的有限元分析

為了研究鋯合金板材上微孔壓印成型過程中壓力和材料塑性流動的變化規(guī)律，對建立的仿真模型進行求解。模型求解后得到鋯合金板材微孔成型的不同狀態(tài)如圖5所示，其中圖5a為微型柱形模具運動到最低位置的成型狀態(tài)，圖5b為微型柱形模具復(fù)位后的狀態(tài)。

對比圖5成型最大狀態(tài)和成型終止?fàn)顟B(tài)的位移云圖，可以發(fā)現(xiàn)在壓頭復(fù)位后，鋯合金板材的位移出現(xiàn)了明顯的減小，這表明在卸載后鋯合金板材會有一定的回彈。為了進一步分析壓印過程中材料塑性流動情況和壓力的變化規(guī)律，對單個微孔的材料流動情況和壓力進行分析。圖6所示為單個微孔壓印成型過程中壓力和材料塑性流動情況仿真結(jié)果，從圖中可看出在模具直徑0.2 mm、間距0.3 mm、深度0.12 mm的工況下，單個微孔的最大壓力約為40 N；同時，針對鋯合金材料塑性流動情況分析發(fā)現(xiàn)最終微孔出現(xiàn)成形突耳現(xiàn)象，即圖6b中橢圓示意部分。

圖5 鋯合金壓印過程成型狀態(tài)

圖6 單個微孔壓印過程中壓力及材料流動變化情況

考慮到實際壓印過程中，成型微孔的質(zhì)量是最終目標。因此對單個微孔的成型質(zhì)量進行分析，圖7為微孔成型后不同角度的切片以及對應(yīng)方向的外形輪廓曲線。可以看出成型微孔的表面直徑0.2 mm左右，深度0.09 mm左右，輪廓形狀也非常近似球面，表明成型微孔的質(zhì)量完全達到預(yù)期要求。

圖7 單個微孔成型輪廓

2 微孔壓印試驗研究

在微孔壓印有限元仿真的基礎(chǔ)上，以單個壓頭成型力為力能參數(shù)依據(jù)并將微孔成型尺寸參數(shù)作為目標設(shè)計壓印模具。結(jié)合仿真結(jié)果及實際情況，設(shè)計長20 mm、寬20 mm的模具，利用激光加工技術(shù)制造模具，成型的模具實物如圖8所示。通過圖像檢測設(shè)備對模具微特征進行檢測，其加工精度達到0.08 μm，模具完全滿足壓印成型的要求。

圖8 壓印模具

利用該壓印模具在 MTS疲勞試驗機上對鋯合金板材(5mm×10mm的規(guī)則試樣)進行微孔壓印成型實驗，在規(guī)則鋯板樣件上制備出間距為0.3 mm，深度在0.03～0.06 mm范圍內(nèi)的微孔，試驗結(jié)果如圖9所示。壓印成型的微孔為半球形，但是相較于有限元的仿真結(jié)果，試驗得到的微孔深度有所不足。

圖9 試驗結(jié)果

為了進一步研究鋯合金壓印過程的成型規(guī)律，在壓印模具其他尺寸保持不變的情況下，對模具壓頭的頂部進行削尖處理。對壓印模具優(yōu)化后，重新在MTS疲勞試驗機進行試驗，最終在規(guī)則(5mm×10mm)鋯板樣件上加工出間距為0.3 mm，孔深在0.1～0.13 mm范圍內(nèi)的微孔，結(jié)果如圖10所示，試驗數(shù)據(jù)與壓印有限元仿真得到的微孔深度0.1 mm較為接近。同時，測量結(jié)果也表明壓印成型的微孔表面質(zhì)量較好，微孔的尺寸也基本滿足設(shè)計需求。

圖10 優(yōu)化試驗結(jié)果

綜合鋯合金板材的壓印成型試驗結(jié)果，并與有限元仿真的結(jié)果對比，兩者最終得到的微孔質(zhì)量和成型規(guī)律都是吻合的，表明了該鋯合金板材微孔壓印成型工藝是可靠的和可行的。

3 結(jié)束語

通過鋯合金板材上微孔壓印成型過程的有限元仿真和實驗驗證，分析了鋯合金板材上微孔壓印成型的影響因素和規(guī)律，明確了鋯合金板材上微孔壓印成型的可行性和可靠性。壓印試驗的結(jié)果證明通過壓印成型的微孔成形精度高、成型質(zhì)量好，這對鋯合金板材的進一步發(fā)展使用具有一定的指導(dǎo)意義。