AZ31鎂合金薄壁管熱油恒溫脹形數(shù)值模擬研究

劉 禹,楊星地,余 犇,李建平,李永華

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159; 2.鞍鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵公司,四川 攀枝花 617067;3.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng)110819)

鎂合金作為一種新型的金屬結(jié)構(gòu)材料,因?yàn)榫哂忻芏鹊?、?dǎo)熱性好和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于民用及軍工領(lǐng)域[1-4]。但鎂合金中存在密排六方晶體結(jié)構(gòu),基底滑移的臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)低于非基底滑移的臨界分切應(yīng)力,因此室溫塑性成形性很差。200～400 ℃范圍內(nèi),鎂合金的塑性成形能力明顯改善[5-9]。以輕量化和一體化為特征的空心構(gòu)件的先進(jìn)綠色塑性加工技術(shù)—管材液壓脹形技術(shù),已成為國(guó)內(nèi)外塑性加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。無(wú)縫管材或焊管在內(nèi)部壓力和兩側(cè)軸向進(jìn)給協(xié)同配合作用下貼合模具完成成形。特點(diǎn)包括減少工序,實(shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn);減輕零件重量;提高零件強(qiáng)度和韌性;減少后續(xù)加工余量,近凈形工藝;降低零件成本等[10-15]。毛獻(xiàn)昌基于管材軸向補(bǔ)料液壓脹形技術(shù),利用Dynaform軟件模擬研究了液壓力、模具圓角半徑和模具間隙等工藝參數(shù)對(duì)AZ31B鎂合金冷脹形管件壁厚分布和最大壁厚減薄量的影響規(guī)律[14]。目前關(guān)于鎂合金管件恒溫液壓脹形的報(bào)道很少。

本文受到Altan等人研究的啟發(fā),將熱油作為傳力及傳熱的介質(zhì)進(jìn)行液壓脹形[15]。采用自制熱油恒溫成形設(shè)備,將AZ31鎂合金薄壁管坯放入模具中并置于150～250 ℃的熱油環(huán)境中,加熱棒控制油溫,進(jìn)油卡套芯桿使熱油直接作用在薄壁管內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)薄壁管內(nèi)部的熱油恒溫均勻脹形,從而改善鎂合金的塑性。采用Dynaform有限元軟件對(duì)AZ31鎂合金薄壁管液壓脹形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究成形溫度對(duì)鎂合金薄壁管熱油恒溫脹形的影響規(guī)律,并基于模擬結(jié)果設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 鎂合金材料及管坯尺寸

選用AZ31鎂合金管材坯料,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Al 2.5～3.5,Zn 0.6～1.4,Mn 0.2～1.0,Fe 0.003,Si 0.08,Cu 0.01,Ni 0.001,Mg余量。管坯外徑23 mm,內(nèi)徑19 mm,長(zhǎng)度200 mm。通過(guò)高溫拉伸實(shí)驗(yàn)得出力學(xué)性能見(jiàn)表1。溫度升高,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低,延伸率增大。

表1 AZ31的力學(xué)性能參數(shù)

1.2 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

薄壁管液壓脹形的幾何模型主要由管材坯料、模具以及進(jìn)給推頭組成,模具尺寸為,次要脹形區(qū)直徑27 mm,主要脹形區(qū)直徑30 mm,管材與模具的間距為1 mm,由Solidworks繪圖軟件建模,如圖1所示。將模型以.igs文件格式導(dǎo)入Dynaform軟件中進(jìn)行有限元模擬,進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,如圖2所示。有利于管材邊緣及脹形區(qū)部位的主要變形區(qū)的網(wǎng)格能夠自動(dòng)細(xì)化,檢查并修補(bǔ)可能出現(xiàn)的缺陷。在液壓脹形過(guò)程中,薄壁管受到兩側(cè)推頭力及液壓力并且為主要塑性變形的部分,網(wǎng)格劃分應(yīng)該更為細(xì)致,有利于提高有限元數(shù)值模擬的精確性。

(a)進(jìn)給推頭;(b)薄壁管;(c)模具;(d)配合體圖1 Solidworks建模Fig.1 Solidworks modeling

(a)進(jìn)給推頭; (b)薄壁管; (c)模具; (d)配合體圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element model meshing

將AZ31鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)導(dǎo)入到有限元軟件中,而后設(shè)置脹形過(guò)程中管材及兩側(cè)推頭的位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)行有限元數(shù)值模擬,對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行比較分析(管材的成形極限以及脹形率變化規(guī)律),確定適宜的工藝參數(shù),指導(dǎo)AZ31鎂合金薄壁管熱油恒溫液壓脹形實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用熱油恒溫脹形設(shè)備如圖3所示,主要包括上模、下模、密封裝置、液壓泵、主動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、熱油保溫箱、電熱元件、油循環(huán)裝置和熱電偶。該設(shè)備可以解決現(xiàn)有管材內(nèi)壓成形過(guò)程中出現(xiàn)的由溫度均勻性差引起的變形均勻性差、管壁局部開(kāi)裂以及室溫成形性差的問(wèn)題。管材與密封裝置連接并放入模具中,固定于熱油保溫箱中,電熱元件加熱油至合適溫度,采用油循環(huán)裝置調(diào)控?zé)嵊蜏囟惹揖鶆蚍植?成形時(shí)模具完全浸入在熱油中,通過(guò)進(jìn)油孔向密封的管內(nèi)通高壓熱油,進(jìn)行管件成形。采用卡套式密封形式,可在不焊接條件下實(shí)現(xiàn)管內(nèi)密封,恒溫變形改善了鎂合金管材內(nèi)壓成形的溫度不均勻性,主動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)減少管材內(nèi)壓成形的起皺現(xiàn)象,提高材料成形質(zhì)量。

(a)箱體內(nèi)部構(gòu)造; (b)箱體外部構(gòu)造; (c)控制中心圖3 熱油恒溫脹形設(shè)備Fig.3 Hot oil constant temperature expansion equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬成形溫度對(duì)管材脹形性能的影響

溫度是影響管材脹形性能的重要因素之一,AZ31鎂合金在室溫條件下只有(0001)一個(gè)基面能夠進(jìn)行滑移,而另外兩個(gè)非基面滑移的臨界分切應(yīng)力較大,為基面滑移的兩倍以上[3],故常溫下難以脹形。提高溫度,能夠降低鎂合金非基面滑移的臨界分切應(yīng)力,這使得鎂合金更易發(fā)生塑性形變。為了探究溫度對(duì)鎂合金管材的熱油恒溫脹形性能的影響,分別設(shè)置150 ℃、200 ℃及250 ℃進(jìn)行模擬,選用管件厚度為2 mm,推頭力為4 kN條件下的成形極限圖(Forming limit diagram, FLD)(圖4)。FLD可用于拉深與液壓脹形等實(shí)驗(yàn)并求得該材料的成形極限點(diǎn),是評(píng)定管材脹形性能的重要準(zhǔn)則[16]。通過(guò)熱油恒溫脹形有限元模擬,獲得了不同溫度下AZ31鎂合金管材的FLD,其中成形件的顏色深淺分別代表破裂、破裂傾向、安全、起皺趨勢(shì)、起皺、嚴(yán)重起皺和拉深不足。當(dāng)成形溫度設(shè)為150 ℃時(shí),脹形區(qū)最大脹形直徑27.6 mm,脹形率20.0%。脹形區(qū)呈現(xiàn)破裂傾向(圖4(a)),若進(jìn)一步施加液壓力,則脹形件會(huì)發(fā)生破裂。成形溫度200 ℃時(shí),管件脹形區(qū)為安全狀態(tài),即成形效果好,管材完全脹形,次要及主要脹形區(qū)均完全貼模,脹形區(qū)最大脹形直徑30 mm,脹形率30.4%,脹形區(qū)部分雖出現(xiàn)破裂傾向,實(shí)際為管材出現(xiàn)的脹形最大值的臨界點(diǎn)(圖4(b))。成形溫度設(shè)為250 ℃時(shí),最大脹形直徑28.8 mm,脹形率25.2%。管件不同部位分別出現(xiàn)破裂傾向和破裂的特征(圖4(c))。

(a)150℃;(b)200℃;(c)250℃圖4 不同溫度成形件的FLDFig.4 FLD of formed parts at different temperatures

從成形極限圖來(lái)看,200 ℃模擬結(jié)果良好,不易出現(xiàn)破裂傾向。模擬分析得出脹形溫度不宜過(guò)高,如250 ℃,雖然能大幅度地提高管材的塑性變形能力,但會(huì)明顯降低應(yīng)變硬化指數(shù),影響鎂合金管材的脹形性能。所以200 ℃是鎂合金脹形的適宜溫度。

2.2 不同溫度下的AZ31鎂合金薄壁管液壓脹形實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將外徑23 mm、厚度2 mm、長(zhǎng)度200 mm的AZ31鎂合金管材放入模具中,施加推頭力,溫度分別設(shè)置成150 ℃、200 ℃、250 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn),探究不同溫度下,熱油恒溫成形效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同成形溫度下的液壓成形件Fig.5 Formed parts at different forming temperatures

對(duì)比三種溫度下的成形件,150 ℃時(shí)次要及主要脹形區(qū)外徑為25.8 mm,脹形率為12.2%由于成形溫度較低,不能使非基面滑移系開(kāi)動(dòng),故其成形性能較差,脹形區(qū)外徑只有微微凸起。而250 ℃時(shí)脹形區(qū)外徑27.9 mm;脹形率為21.3%,雖能大幅度地提高管材的塑性變形能力,但過(guò)高的溫度也會(huì)明顯降低鎂合金的應(yīng)變硬化指數(shù),所以在高溫條件下進(jìn)行脹形時(shí),AZ31鎂合金沿著厚度方向發(fā)生均勻塑性變形的能力會(huì)被嚴(yán)重削弱,所以脹形效果也不佳。相較于前兩者,200 ℃下的AZ31鎂合金試樣成形效果明顯,次要脹形區(qū)完全貼模,主要脹形區(qū)外徑29.1 mm,脹形率為26.5%,主要脹形區(qū)部分貼模,成形狀態(tài)最佳。

合適的脹形溫度導(dǎo)致其組織的軟化并不降低應(yīng)變硬化指數(shù),同時(shí)會(huì)使兩者處在合適脹形的組織區(qū)間,使得鎂合金成形性能有所改善。溫度差異會(huì)影響鎂合金的變形和再結(jié)晶行為,進(jìn)而影響鎂合金的變形行為,低溫下合金變形困難,塑性差;過(guò)高溫度下鎂合金減薄不均勻,部分區(qū)域容易發(fā)生破裂。所以只有溫度合適時(shí),鎂合金才能在塑性良好的情況下,可以均勻變形,脹形能力才會(huì)提升。綜上可知,適合AZ31鎂合金薄壁管熱油液壓脹形的最佳溫度為200 ℃,與模擬結(jié)果相吻合。后續(xù)將進(jìn)行脹形后鎂合金的微觀組織分析,更好闡釋不同溫度對(duì)合金成形性能的影響規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)采用熱油恒溫液壓脹形設(shè)備可進(jìn)行AZ31鎂合金薄壁管的液壓脹形。

(2)Dynaform軟件有限元模擬結(jié)果表明在管材厚度2 mm和推頭力4kN條件下,成形溫度200 ℃為AZ31鎂合金管材的熱油恒溫脹形適宜溫度。

(3)200 ℃條件下的熱油恒溫脹形實(shí)驗(yàn)得到次要脹形區(qū)完全貼模,主要脹形區(qū)外徑29.1 mm,脹形率為26.5%,成形效果優(yōu)良的AZ31鎂合金薄壁脹形管件,與模擬結(jié)果契合度較高。