AZ31 鎂合金板材等徑角軋制-單道次彎曲變形工藝有限元分析*

胡 冬 ，秦梁杰 ，梅 靜 ，劉 惺 ，吳 勝

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000；2.重慶西山科技有限公司，重慶 400000）

0 引言

鎂合金具有結(jié)構(gòu)輕、密度小、比強度和比剛度高、易于回收等優(yōu)點。相比于鋼鐵、鋁合金等金屬材料，鎂合金在室溫下塑性差、基面織構(gòu)強烈，這極大地限制了它的應(yīng)用[1]。目前，許多學(xué)者引入了一些特種軋制工藝，如等徑角軋制[2]、大應(yīng)變軋制[3]、高速軋制[4]、RSCB工藝[5-7]等，期望改善鎂合金的室溫塑性。周濤等發(fā)現(xiàn)AZ31鎂合金板材在經(jīng)過多級連續(xù)剪切-彎曲工藝后，晶粒得到了細化，鎂合金基面織構(gòu)得到了有效改善，室溫IE 值從4.6 mm 提升到7.4 mm[8-10]。然而，在多級連續(xù)剪切-彎曲工藝中，隨著彎曲次數(shù)的增加，鎂合金板材在模具中的行程就越長，要實現(xiàn)該工藝，對鎂合金初軋板材的性能要求就越高，這極大地增加了多級連續(xù)剪切彎曲工藝的難度。

基于以上分析，本文改進了多級連續(xù)剪切-彎曲工藝，減少了彎曲次數(shù)，設(shè)計了等徑角軋制-單道次彎曲（簡稱ECAR-B），并采用有限元軟件對其進行了數(shù)值模擬，分析了模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對鎂合金板材塑性變形的影響，初步對ECAR-B模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 ECAR-B變形工藝及模擬參數(shù)

ECAR-B 工藝裝置如圖1 所示，該裝置主要由一對普通雙軋輥軋機和剪切-彎曲模具構(gòu)成。具體原理如下：鎂合金板材經(jīng)過普通軋制變形，利用軋輥與板材之間的摩擦力驅(qū)動鎂合金板材進入ECAR-B 模具，并在模具不同轉(zhuǎn)角處實現(xiàn)剪切（轉(zhuǎn)角1）和彎曲（轉(zhuǎn)角2）復(fù)合變形。

圖1 ECAR-B工藝裝置示意圖

試驗中，AZ31 鎂合金需要通過預(yù)熱，然后從電爐中取出板材經(jīng)過ECAR-B 變形，板材在此過程屬于傳熱過程與變形的耦合問題；鎂合金板材在ECAR-B工藝中屬于大變形問題，彈性變形極小。針對此類問題，材料模型選用剛塑性有限元模型，采用程永奇[2]在等徑角軋制中所建立的對應(yīng)方程，如式（1）所示。

其中，軋輥直徑為175 mm，板材長度為400 mm，軋輥溫度為500 ℃，軋輥速度為0.4 m/s，板材與軋輥的摩擦因子為0.4，空氣溫度為20 ℃，壓下量為20%。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 模具通道間隙H

ECAR-B 工藝在不同模具通道間隙條件下，有限元模擬等效應(yīng)變結(jié)果如圖2 所示。如圖2（a）所示，當(dāng)模具通道間隙為1.2 mm 時，剪切角1 處應(yīng)變最大，且等效應(yīng)變沿板材厚度方向近似等值分布，顯然板材在剪切角處受到很明顯的剪切作用，而板材剛好在彎曲轉(zhuǎn)角2 處停止。其主要原因可能在于板材在經(jīng)過ECAR-B 工藝時，由于自身動能不足，被迫卡在彎曲轉(zhuǎn)角2 處。根據(jù)ECAR-B 原理，板材主要依靠軋輥與板材之間的摩擦力提供動能來實現(xiàn)ECAR-B 工藝，而ECAR-B 工藝是由軋制—剪切—彎曲復(fù)合而成的，隨著模具行程越長，阻力（模具與板材間的摩擦力、轉(zhuǎn)角處模具對板材的反向作用力（與軋向相反））和能耗（摩擦能耗、彎曲變形所需的能力等）就越大。另外，板材經(jīng)過ECAR-B 需多次應(yīng)變積累，由于自身塑性變形能力不足，在彎曲轉(zhuǎn)角2 處，板材有可能就已經(jīng)開裂。尤其值得注意的是，當(dāng)模具通道間隙增大到1.3 mm 時，如圖2（b）所示，板材順利通過模具，剪切角1 處的等效應(yīng)力最大且沿對角線近似等值分布，彎曲轉(zhuǎn)角2 處的板材等效應(yīng)變在上、中、下層均勻分布，此時，板材在彎曲轉(zhuǎn)角2 處有很明顯的彎曲變形。隨著模具通道間隙繼續(xù)增大，特別是當(dāng)通道間隙增大到1.6 mm 和1.8 mm 時，分別如圖2（c）、圖2（d）所示，板材在剪切角處的剪切作用明顯弱化，變形更傾向于復(fù)雜化，逐漸演變?yōu)椤凹羟?彎曲復(fù)合變形”。

圖2 不同通道間隙下ECAR-B有限元模擬等效應(yīng)變

2.2 剪切角內(nèi)側(cè)倒角半徑r

ECAR-B 工藝在不同內(nèi)側(cè)倒角半徑的條件下，有限元模擬等效應(yīng)變結(jié)果如圖3 所示。如圖3（a）所示，當(dāng)剪切角內(nèi)側(cè)倒角半徑為1 mm 時，剪切角處應(yīng)變值最大且呈對角線近似等值分布，但板材此時不能順利通過模具，且板材在彎曲轉(zhuǎn)角處就已停止。值得注意的是，當(dāng)內(nèi)側(cè)倒角半徑增大到2 mm 時，如圖3（b）所示，板材恰好能順利通過模具，且此時板材在剪切角處的等效應(yīng)變值為1.2，等效應(yīng)變沿板材厚度方向近似等值分布，此處受到較大的剪切變形。當(dāng)內(nèi)側(cè)倒角半徑繼續(xù)增大，特別是增大到3 mm、4 mm 時，分別如圖3（c）、圖3（d）所示，板材在剪切角處的剪切應(yīng)變逐漸弱化，沿板材厚度方向復(fù)雜化轉(zhuǎn)變，而彎曲轉(zhuǎn)角處的等效應(yīng)變正傾向于板材上、下表面均勻分布，表明此時ECAR-B 板材在剪切角處的剪切作用很弱，變形演變?yōu)椤凹羟?彎曲復(fù)合變形”。

圖3 不同內(nèi)側(cè)倒角半徑下ECAR-B有限元模擬等效應(yīng)變

2.3 模具彎曲半徑R

ECAR-B 工藝在不同彎曲半徑條件下，有限元模擬等效應(yīng)變結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)彎曲半徑R=6 mm時，鎂合金板材在彎曲轉(zhuǎn)角處的等效應(yīng)變值為1.65，而當(dāng)R增大到8 mm、10 mm 時，板材在彎曲轉(zhuǎn)角處的等效應(yīng)變相應(yīng)減小到1.37、1.25，這表明增大彎曲半徑，彎曲變形減弱。雖然彎曲半徑的增大有利于材料流動，從而制備表面質(zhì)量更好的鎂合金板材，但彎曲變形將相應(yīng)減弱，最初設(shè)想的利用剪切變形使鎂合金晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，彎曲變形使板材內(nèi)部產(chǎn)生孿生分割晶粒、細化晶粒的目的就無法實現(xiàn)。因此，模具彎曲半徑的設(shè)計十分關(guān)鍵。

圖4 不同彎曲半徑下ECAR-B有限元模擬等效應(yīng)變

3 ECAR-B模具結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化

從對ECAR-B 工藝的有限元模擬結(jié)果來看，要想制備高性能鎂合金板材，模具通道間隙、剪切角內(nèi)側(cè)倒角半徑以及模具彎曲半徑至關(guān)重要。在一定終軋工藝條件下，模具通道間隙、剪切角內(nèi)側(cè)倒角半徑越小，在剪切角處積累的應(yīng)變越大，板材受到的剪切作用也越強，但過小的通道間隙、剪切角內(nèi)側(cè)倒角半徑也會導(dǎo)致板材無法順利進入ECAR-B 模具，甚至出現(xiàn)開裂。同樣的，模具彎曲半徑大小也會制約板材的彎曲變形強弱，彎曲半徑越小，則彎曲變形越強。因此，要想使鎂合金板材順利實現(xiàn)ECAR-B 工藝，又能積累剪切-彎曲應(yīng)變，需要對模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，初步優(yōu)化后的模具通道間隙H=1.3 mm，剪切角內(nèi)側(cè)倒角半徑r=2 mm，彎曲半徑R=6 mm。

4 結(jié)語

本文在多級連續(xù)剪切-彎曲工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了ECAR-B 工藝并對其過程進行了有限元數(shù)值模擬，分析了不同模具參數(shù)對鎂合金板材塑性變形的影響。最后根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，為ECAR-B 工藝模具設(shè)計提供了理論依據(jù)，豐富了鎂合金塑性變形理論。