（材料加工工程专业论文）az91d镁合金托弹板半固态模锻成形数值模拟.pdf

一一一一 ov t ll ia t a ) , * t 3 9 + * 1 i 摘要 本课题研究的 a z 9 1 d镁合金托弹板是某型号枪械上的重要零部件，形 状复杂且有很高的力学性能要求，采用传统的加工技术难以达到理想的成形 效果。由于半固态金属具有触变性能，采用半固态加工技术可以在一个工步 内对具有复杂外形的制件进行近终成形。本文通过数值模拟和实际成形实验 证明了 采用半固态加工技术生产该零件可以取得较好的成形质量，并获得了 成形的最佳工艺参数。 本文首先通过等温压缩试验获得了经过等径道角挤压工艺进行晶粒细化 处理的a z 9 1 d镁合金材料在高温固态和半固态下的应力一 应变曲线，了解了 该材料的变形规律，并为建立材料模型采集了数据。从不同 温度和变形速度 下的 应力应变曲 线上可以 看出该材料具有温度敏感性和应变速率敏感性。然 后，利用 d e f o r m 3 d软件对不同工艺参数下的托弹板成形过程进行模拟计 算。通过对不同变形条件下的等效应力场、等效应变场和温度场分布的对比 分析，研究了坯料温度、模具温度和_ l 模速度对成形过程的影响，预测了成 形的最佳工艺参数。最后在2 0 0 0 k n液态模锻液压机上进行了不同工艺条件 下的托弹板成形试验，并对成形出的托弹板制件进行微观组织观察和力学性 能测试。从试验结果可以看出，成形的关键在于控制各工艺参数以保证坯料 在半固态温度区间快速成形。当工艺参数合适时，成形出的托弹板制件具有 良 好的表面质量、细小均匀的微观组织和良好的抗拉性能。综合数值模拟结 果和成形试验结果，获得了a z 9 1 d镁合金托弹板最佳成形工艺参数。 关键词半固态加工;a z 9 1 d ;托弹板;数值模拟;d e f o r m 3 d 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abs t r a c t t h e t a k i n g b u l l e t p l a t e s t u d i e d i n t h i s p a p e r i s a k e y p a r t o f s c a tt e r - g u n . i t h a s c o m p l e x f i g u r e a n d r e q u i r e n i c e m e c h a n i c a l p r o p e r t y . i t s h a r d t o p r o d u c e i t b y t r a d i t i o n a l f o r m i n g m e t h o d . b e c a u s e o f s e mi - s o l i d m e t a l s t h i x o t r o p i c p r o p e r t y , n e a r n e t - s h a p e p a rt s w h i c h h a v e c o m p l e x f i g u r e c a n b e p r o d u c e d b y a s i n g l e s t e p i n s e m i - s o l i d p r o c e s s . b y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d f o r m i n g e x p e r i m e n t , t h e p a p e r p r o v e d t h a t t h e t a k i n g b u l l e t p l a t e c a n b e p r o d u c e d c o m m e n d a b l y b y s e m i - s o l i d p r o c e s s . b e s i d e s t h a t , t h e o p t i m u m p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s w a s o b t a i n e d . a t f i r s t , c o n s t a n t t e m p e r a t u r e c o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t i n h i g h t e m p e r a t u r e s o l i d s t a t e a n d s e m i - s o l i d s t a t e w a s t a k e n t o g e t t h e t r u e s t r e s s - t r u e s t r a i n c u r v e o f a z 9 1 d w h i c h e x t r u d e d b y e c a e f o r g r a i n r e f i n e m e n t . f r o m t h e c u r v e , t h e t r u e s t r e s s - t r u e s t a i n p r o p e r t y a n d t h e m a t e r i a l m o d e l c a n b e o b t a i n e d . t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v it y a n d s t a i n r a t e s e n s i t i v i t y o f t h e m a t e r i a l w e r e f o u n d f r o m t h e e x p e r i m e n t r e s u l t . s e c o n d , f o r m i n g p r o c e s s u n d e r d i ff e r e n t t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n s w a s s i m u l a t e d b y u s i n g t h e d e f o r m 3 d s o ft w a r e . e q u i v a l e n t s t r e s s f i e l d , e q u i v a l e n t s t r a i n f i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d w e r e s t u d i e d t o f o u n d t h e i n fl u e n c e s c o m e f r o m t e m p e r a t u r e o f b i l l e t s a n d d i e a n d s p e e d o f p u n c h . f r o m t h e s i m u l a t i o n r e s u l t , t h e o p t i m u m p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s w e r e f o r e c a s t e d . a t l a s t , f o r m i n g e x p e r i m e n t u n d e r d i ff e r e n t t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n s w a s t a k e n i n 2 0 0 0 k n h y d r o p r e s s a s w e l l a s m i c r o s t r u c t u r e a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t y t e s t . i t w a s f o u n d t h a t t h e m o s t i m p o rt a n t i n t h e f o r m i n g p r o c e s s i s m a k i n g b i l l e t s k e e p i n s e m i - s o l i d s t a t e a n d f o r m e d i n h i g h v e l o c i t y b y c o n t r o l t h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r . wh e n t h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r i s p r o p e r , t h e p r o d u c t h a v e n i c e s u r f a c e q u a l i t y , s m a l l a n d s y m m e t r i c a l g r a i n s a n d n i c e t e n s i l e s t r e n g t h . f r o m t h e s i m u l a t i o n a n d f o r m i n g e x p e r i m e n t r e s u l t s , t h e o p t i m u m p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s wa s o b t a i n e d . k e y w o r d s s e mi - s o l i d s i mu l a t i o n ; de f o r m3 d p r o c e s s i n g ;a z 9 1 d ; t a k i n g b u l l e t p l a t e ; n u m e r i c a l 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1 课题背景 本课题来源于总装备部工艺预研项目。 本课题研究的托弹板是某型号机枪上的重要零部件，形状复杂且有较高的 机械组织性能和精度要求。随着军事现代化的发展、现代化战争机动灵活性要 求的提高，武器装备轻量化是必然的趋势。而镁合金作为最轻的金属结构材料 具有密度小、高比 强度和比 弹性模量，以 及良 好的刚性、 减振性、 切削加工性 能和抗电磁干扰屏蔽性，易于二次使用、且不侵蚀铁和钢、不与其合金化、可 延长模具使用寿命等优点，因此，在汽车、武器装备、电 子产品等制造业有广 泛 的 应 用 前 景 ( 1,2 半固态加工技术是近年来金属加工技术研究的热点， 它具有成形零件精度 高 、 质 量 好、 能与 近终 成 形 ( n e a r - n e t - s h a p e ) 接 轨 等 特点。 由 于半固 态 材 料具 有触变性，只要对它作用以一定的变形力 ( 通常很小) ，他就会像液体一样在 模腔中流动，大大降低了成形过程中的流动应力，且可以在一个工步内 对具有 复杂外 形的 制件进行近终 成形3 。因 此， 半固 态模锻成型速度更高， 可以 成形 十分复杂的零件。 但同时，半固态模锻又是一项很复杂的工艺。影响半固态模锻零件质量的 因素很多，包括成形温度、时间、压力、应变速率、 应变量、 表观粘度、初生 相颗粒的形态、固液比、相转变点等。因此，要获得高质量的半固态模锻零 件，必须综合考虑这些影响因素，采用合理的工艺参数。目 前，数值模拟技术 已 不仅可以模拟金属加工过程中的流场、温度场，应力场的变化，还可以预测 金属加工过程的缺陷。 将数值模拟技术应用于半固态金属成形过程，对于了 解 和分析加工工艺过程， 控制和优化工艺参数可以 起到有效的指导作用。 本课题的研究目的在于，利用数值模拟技术对 a z 9 1 d镁合金托弹板的半 固 态模锻成形过程进行计算机仿真， 通过对不同 成形温度、时间、 压力、 应变 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 速率、应变量情况下的温度场、应力场和应变场的分析比较，初步获得合理的 成形工艺参数，最后通过实验检验确定最佳的工艺参数。 1 . 2 半固态加工技术的发展及应用 1 . 2 . 1 半固态加工技术的发展 金属成形的常规工艺有两种方法: 一种采用完全液态金属的成形方法，如 重力铸造、 低压铸造、压力铸造、液态模锻等; 另一种采用完全固态的成形方 法，如锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、粉末冶金等。从二十世纪 7 0年代 d .b .s p e n c e r 4 ) 发 现金 属的 半固 态力 学 行为 开 始到 现在，以 美国 为 首的 西 方 发达 国家开始对这项技术进行了深入的研究，逐渐形成了一种突破传统的新的金属 加工方法。 在大约 3 0年的时间内，半固态加工技术由于具有独特的技术优势和广阔 的 应用前景 倍受人们的 关 注， 其发 展经历了 大致三个阶 段f5 1 ( 1 ) 从七十年代初期到八十年代中期，主要是实验研究阶段。 这一阶段的 研究主要集中在探索具有流变性和触变性的有色合金半固态试样的组织特征与 制 备 方 法 上。 主 要 成 果 有 f6 - a l . 1 ) 揭示流变性和触变性坯料的组织特征; 2 ) 提出了 常规枝晶组织向 半固态非枝晶组织转变的 物理机制模型; 3 ) 研究了非枝晶组织合金的触变与流动机制; 4 ) 揭示了搅拌速度、强度以及温度等工艺参数对非枝晶化过程的影响规 律; 5 ) 初步探讨了半固 态微观组织与流变性能的关系; 6 ) 测试半固 态合金流变性能， 建立相关的 数学模型。 ( 2 ) 从八十年代中期到九十年代中期，主要为应用研究阶段。 这一时期合 金品种从早期的有色合金扩展到高熔点合金以及复合材料的半固态成形。此时 人们开发与研制包括电磁搅拌在内的多种半固态制坯技术与连铸设备，利用计 算机模拟技术揭示半固态合金充型过程，并对成形工艺对产品组织性能影响的 规律进行细致的研究。这一阶段的研究工作己 经遍及世界许多国家，特别是美 国 、 意大 利、 瑞士、 法国 、 德国 、 英国、日 本、中 国 都 前后 投入 大 量 人 力、 物 力进行广泛深入的研究，并取得了丰富的研究成果，为工业化应用奠定了基础 哈尔滨t业大学工学硕士学位论文 9 - 1 2 1 ( 3 ) 从九十年代中期到现在，为工业化应用阶段。 目 前半固态加工技术在 国外己经获得广泛应用，一些国家不仅生产合格的半固态坯料和零件，而且能 制造半固态金属加工专用机械。 从国外的研究动向 来看，欧美的研究主要着重于半固态低温压铸方面，目 的在于提高模具寿命，获得不加工或少加工的铸件。有代表性的研究单位如比 利时的 c r m，美国麻省理工学院、康乃尔大学、d o e h l e公司以及 a l u m a x公 司1 3 1 。 现 在有很多国 家都已 开始了 半固 态加工技术的 研究和 应用开发，目 前， 美国、意大利、瑞士、法国、英国、日 本等国家处于领先地位，并已进入工业 应用阶段。 1 .2 .2 半固态加工技术的适用范围 半固态加工，指将金属或合金加热到半熔化状态，或加热成为液态后在经 搅拌冷却至半凝固状态时，利用材料在熔化或凝固过程中产生的金属学和机械 性能的变化，对处于固液共存状态的半固态浆糊状金属进行各种成形加工，从 而得到所需要的形状、性能的制品的加工方法。半固态金属加工技术包括流变 铸造、局部重熔、触变成形。实践证明，由于半固态金属具有触变性能，所以 坯料在成形过程中有明显的超塑性效应和良 好的充填性能而且变形抗力也 小，可在较高速度下成形。从变形机理分析，其变形过程是一个从塑性变形到 超塑性变形的过程。 半固态金属加工技术适用于有较宽液固 共存区的合金体系。研究和生产证 明，适用于半固态加工的金属有:铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金 等，其中铝镁合金已用于工业生产。对于钢铁工业，采用半固态加工技术制造 机械零件，可以大幅度降低能源消耗，提高模具寿命。 目前，在金属基复合材料制备中应用半固态加工技术也是一个研究热点。 半固态金属在固液两相区有很好的粘性和流动性，可以比 较容易加入非金属填 料，而且只要选择适当的加入温度和搅拌工艺，就有利于提高非金属填料和半 固态金属基之间的界面结合强度 14 ,1 5 1 。非金属填料的加入可以有效的阻止球 形微粒的簇集，并对后继部分的重熔和触变成形非常有利。 半固 态加工技术也可应用在板带和线材的 连铸连轧和材料提纯中 1 6 1 。 在 连铸连轧中加入搅拌后， 产生的效果不仅仅是使成分均匀，而且能提高产品昨 整体质量。半固态加工技术在金属提纯上有两方面应用。其一，当金属浆料中 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 颗粒大小不同，在后继过程极易发生偏析时，采用雾化方法是金属基体性能区 域均匀。其二，由于在固液两相区，初生相成分与液相成分有较大差别，只要 采取某种方法将液相和固相分开，就可以达到提纯材料的目的。比如，利用具 有一定粗糙度的滤纸就可以将液体从金属浆料中排出。 1 . 2 . 3 半固态加工技术的国内外研究进展和工业应用 在美国 ， a e m p ( a lu m a x e n g in e e r e d m e t a l p r o c e s s ) 17 公 司 率 先 将此 技 术 转 化为生产力。1 9 7 8 年，该公司使用电磁搅拌技术生产出供触变成形用的圆锭， 随后建成了世界上第一条高容量和高度自 动化的触变成形生产线，用于生产铝 合金汽车零件，并拥有相关专利6 0 多项。1 9 9 2 年该公司与s u p e r i o r 公司合资 新建了一个工厂， 把触变成形工艺应用于汽车零件生产， 利用 1 1 4 . 3 - 1 5 2 .4 m m 的棒料生产大尺寸零件。该厂拥有 2 4台压机，1 9 9 7年的生产能力达到 2 .2 7 x 1 0 7 k g / 年， 生 产 零 件达2 .5 x 1 0 7 件 / 年。 在欧洲，意大利是半固态加工技术商业化最早的国家之一。从事铝合金触 变 成 形 的s t a m p a l 公 司 1 7 能 够 生 产 (d 9 0 - 1 1 0 m m ， 长 度 可 达4 0 0 0 m m的 锭 坯。该公司采用触变成形技术生产齿轮箱盖和摇臂等零件，还为 f o r d汽车公 司生产 z e t a发动机油料注射挡块。瑞士a l u s u i s s e公司和几个欧洲汽车制造 商合作开发生产汽车零件，1 9 9 7. 1 9 9 8年开始全面投产，产品主要是汽车悬 挂系统，譬如，控制比和操纵转向节，并己 经成为两个汽车制造厂的 供应商。 同时， 德国的e f u 、法国的p e c h i n e y s a公司、 意大利的f a t a 等国际著名 公司也已采用了半固态金属加工技术。 日本于2 0 世纪8 0 年代后期成立了一家由1 8 个公司组成的r h e o t e c h 公司 1 7 1 ，对半固态金属加工技术进行了 系统研究。 在1 9 8 8 年3 月到1 9 9 4 年6 月期 间共投入 3 0亿日 元进行半固态合金的基本物性和开发应用的关键性技术研 究。 我国从2 0 世纪8 0 年代后期，先后有不少高校和科研机构开展了这方面研 究，并自 行设计了不同类型的实验设备，如哈尔滨工业大学、北京科技大学、 东南大学、北京有色金属研究总院等。 南昌 大 学的 杨 湘杰 18 1 等 对a 3 5 6 铝 合金的 半固 态流 变 行为 进 行了 研 究。 在 5 7 0 - 5 8 0 温度下，当 切变速率在 2 x 1 0 3 s - ， 到 2 x 1 0 4 s 1 范围内 时， 材料显示 伪塑 性体的 流变特性，当 切变 速率超过1 0 6 5 1 时 材料显示胀流体的 流变 特性。 东 北大学材料与 冶金学院 的 刘丹、 崔建忠与墨 尔本 大学的 夏克 农 1 9 1采用液 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 相线铸造铝合金 2 6 1 8获得了适合于半固态加工的细小、等轴、非枝晶组织， 并由 g l e e b l e - 1 5 0 0热学一 力学模拟试验机在不同变形温度和变形速率下进行半 固态压缩变形。结果表明，铝合金 2 6 1 8在半固态时的变形抗力比固态时大幅 度下降，液相线铸造组织的成形性能优于常规铸造组织。 北 京有色金属研究总院 2 0 1 从1 9 % 年开始对这一 课 题投入了 大量工作 ， 自 行设计建成了半固态材料制备试验线，设计能力为1 0 0 t / 年。 该院还对半固态 金属铸锭制备工艺及凝固组织控制进行了较深入研究。目 前已 开发出(d 6 0 m m -(d 1 1 0 m m的 a 3 5 7、 z l 1 0 8 等 半固 态 铝合 金 棒 料半 连 续铸 造 技术 ， 形 成 了 一定的生产和新产品开发能力。 与东风汽车公司合作完成了 a 3 5 7、 z l 1 0 8 两种铝合金的半固态压铸， 成功地压铸出汽车空压机连杆。 1 . 3 触变成形过程数值模拟 半固态材料在压力作用下有良 好的触变形了充填性，但变形过程十分复 杂，目前对触变成形成形过程的模拟研究和开发大多在一些商业有限元或有限 差分软件平台上进行。 k a p r a n o s 和k ir k w o o d 等2 n 利 用f l o w 3 d 软 件 ， 采 用 触 变 模 型、 常 粘 度 模型和非牛顿流体模型对 a 3 5 7铝合金的快速压缩变形压力变化进行了 模拟， 并与实测压力一 时间曲线进行比较，认为触变成形时半固态铝合金的粘度与应 变速率和时间密切相关。 采用触变模型和常粘度模型计算时，应力随时间的变 化规律与实验现象相吻合，但压力大小比实验值要大3 - r 4 倍;采用粘度与时间 无关的非牛顿流体模型时，应力值与实验值相差甚远，而且固相体积分数越 小，这种差别越明显，剪切速率增大，这种差别减小。这说明非牛顿流体模型 不能很好的描述半固态金属的触变行为。实验压力值比计算值偏小的主要原因 与在剪切应力一 f 半固态材料中固相组织簇团的破碎有关。在剪切应力作用下， 材料内部的固相组织被破碎，固液相间发生分离，导致粘度迅速降低，从而使 剪应力也同步下降， 这时可以引入屈服应力概念代替粘度的连续变化来解释试 样变形初期的刚性下降现象。 t im e s 2 2 1 等 在a n s y s tm平台 上 模拟了 铝 合 金二次 加 热、 锭 坯夹 持 和 压 铸 过程。考虑到固液相偏析是半固态成形中的关键问题，研究了压铸件在绝热条 件下固液相偏析时固相分数的变化规律， 并对采用基于尤拉坐标系的三维有限 差分法模拟和优化半固态压铸过程进行了尝试，开发出s - wo l f软件，可根据 不同锭坯尺寸、模具运动方式、模具材料、初始温度、模具与工件间摩擦条 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 件、铸锭初始固相分数以及固液相间偏析情况等初始条件对半固态工件压铸过 程中的应力、应变、固液相偏析和温度进行了模拟计算。这一建立在 a n s y s t m平台上的接口软件可望对不同压力温度以 及工件几何形状等条件下 的半固态成形工艺进行优化设计。 g e b e l i n 12 3 1 等采用f l u x e x p e r t有限元软件研究了s n - p b 合金压缩、 a l - s i 合金蠕变条件下半固态材料的流变行为，其中固相采用粘塑性模型，液相流 变则 采用d a r c y 法则予以 描述。 研究表明 摩擦对半固 态材料流 动影响非常大， 而固液相分布不均性则导致材料在变形时出现严重的固液偏析现象，这对成形 和获得均匀组织性能的制品是不利的。 p a r a d i e s 2 4 1 等采用稳态指数流动模型并用p r o c a s t t m 软件对a 3 5 6 铝合金半 固态压铸进行了分析，认为半固态浆体与模腔间为无滑动边界时，模拟结果不 能解释压力变化行为和传热现象，而考虑滑动后模拟结果和观测值相符。 c .m .w a n g 2 5 1等 介 绍了 美国 宾 西 法 尼 亚 州的 国 家 金 属 加 工 技 术中 心 开 发 的 一套模拟半固态金属触变成形的软件，这套软件能模拟三维金属流动过程和热 传导过程。他们用这套软件模拟了半固态钦合金触变成形阀体的过程。模拟该 过程共划分了 7 0 0 0 0个单元，模拟结果表明，在半固态钦合金触变成形中，随 着零件壁的减薄，缺陷的产生不十分明显。 h ir o s h i o k a d a 12 6 1 等 对a l - a l3 n i 梯度 材料 ( f g m ) 的 半固 态成 形 过 程 进行 了有限元模拟分析，并与试验结果进行比较。模拟结果表明，有效粘度的区域 差异对半固态 f g m 的流动变形有强烈影响，这与试验结果相当吻合。但模拟 结果中显示的杯状端部表面的富铝层在实际试验中并不存在。 韩国 的j .h .y o o n 3 1等对 2 0 2 4铝 合 金的 半固 态 锻 造 进行了 刚 粘塑 性有限 元 分析。在分析过程中，假定固液成分的相对流动遵循 d a r c y s定律，每一 个时间步都要通过计算液相的体积来校正相变引起的固相分数的变化。另外， 模拟的结果和试验结果进行比较，对模具预热、首件温度、成形速度等工艺参 数也进行了分析。结果显示，成形速度是最具有决定性的工艺参数。 德国 亚 深 大 学 的m .m o d i g e 1 1 2 等 利 用f l o w 3 d软 件 对 半 固 态 合 金 的 触 变 铸造过程进行模拟。从试验数据中导出了一个单相材料模型， 把半固态合金看 作一种具有触变性能的均一材料。模拟结果与实验现象相近，但无法对相的偏 析进行预测。 j a e c h a n c h o i 1 1 等 对半固 态 锻压的 保压 过程进 行了 有限 元分析和实 验验 证。在传热分析中假设固液两相区的潜热函为线性，并且坯料和模具以及模具 和周围环境之间的传热系数为常数。通过对传热的有限元分析可以有效预测半 哈 尔滨工业大 学工学硕 上学 位 论文 固态成形所需的保压时间。 在国内， 东南大学的高志强和苏华 钦 2 9 1 等 用局部网 格细化的 l a g r a n g 。 方 法对半固态 z a 1 2合金的触变铸造过程进行了数值模拟。该方法可以精确的处 理自由表面，有效的跟踪流体质团变形历史，方便的实现网格优化，得到局部 精确的物 理图 像， 并能处理 较大的网 格变形，计算值与实 验结果吻合较 好。 目前，对于触变成形或注射成形的应力场模拟与变形预测，尽管大多采用 商业有限元或有限差分软件进行模拟计算， 如 f l o w 3 d , f l u x e x p e r t , p r o c a s t m , p h o e n i c s c f d , a b a q u s , a n s y s tm, n a s t r a n , p a t r a n 等，并在一定程度上可以描述半固态材料在剪切应力作用下的流变行为，但由 于半固态合金的触变性能的特殊性，某些借助铸造过程仿真软件进行研究的结 果尚不能完全解释变形过程中的 一 些现象。这主要是因为还没有找到符合真实 情况的物理模型和数学模型。比如，半固态合金变形时粘度不仅是固相分数和 剪切速率的函 数， 还与时间密切相关。而在模 拟半固 态压铸时， 一般均忽略时 间的 影响。 模拟技术在该领域今后的发展方向 是考 虑粘度随时间的 变化关系、 模具内的热交换和凝固等复杂现象。 1 . 4 镁合金材料加工成形技术 依据不同的加工成形方法可以把镁合金成形技术分为: 压铸成形技术、平 固态成形技术、金属注射成形技术、锻造成形技术。 . 4 . 1 压铸成形技术 镁合金的压铸技术一直是镁合金应用于结构材料制造技术的重点，镁合金 压铸产业 在欧、 美己 有较大规模。压铸技术是以活塞将融 熔金属压入模具，凝 固 成型， 制造产品。按照 温度压铸可分为冷室 压铸法和热室压铸法 v 1 ( 1 ) 冷室 压铸法。 熔铸压力高， 模具 较大， 压铸面积大， 技术成熟， 适用 于厚壁及大铸件的制造。缺点是用采料管给料，气体灌入多。 ( 2 ) 热室压铸法。 以鹅颈管式 自 动给料，气休灌入少，熔铸压力较低，使 用模, t 较小， 可铸面积小，技 术成熟度高，适用于薄 壁及小铸件。国内 厂 一家采 用此法较多，原因是成型周期w.料少 哈尔滨工业 大学工学硕 士学位论 文 1 . 4 . 2 半固态成形技术 半固态成形技术是近几年兴起的一种高效优质的成形方法，是把镁合金加 热至半固态，然后成形。其具有许多的优点:成品孔隙率低，比热室压铸法镁 合金消耗减少 5 0 % 以上， 产品力学 性能提高， 尺寸精度良 好，公差 变化少， 尺 寸再现性好; 模具的 流长/ 壁厚比 较高，可成形较薄拌:模具设计较简单，可 有效适应市场变化快的产品:对于厚度不 一、或有许多孔、穴、肋、凸块、垫 块等 特殊形 状均可一体 成形: 形状收缩率小， 操作温度较低，模具 寿命较长; 加工过程中控制容易，产品质量稳定，废品率低;凝固时间缩短，可降低成形 周 期 30 -32 1 1 . 4 . 3 金属注射成形技术 金属注射成形技术于2 0世纪 9 0 年代在美国产生，由塑料注射成形技术衍 生应用在金属的成形制造过程。是将金属颗粒由料管加热熔化，并以螺杆推送 射入模孔内凝固成形。日本最近联合开发出世界第一台热流道镁合金大型成形 设备，已在 2 0 0 0年投放市场。 这套设各能够将镁合金加热使其保持熔融状 态，原材料利用率从以往的 3 0 % -5 0 % 提高到了 7 0 % 以上，而且成形时间也缩短 3 0 % 口 3 。 1 . 4 .4锻造成形技术 镁合金与铝合金的锻造 成形技术基本相同。 但在以卜 儿方血有所 差异。 镁合金在高温时具有表面摩擦系数较大、流动性差、粘附力大、充填较深 的垂直模孔较不容易，所以在内、外圆角半径，肋厚等要比铝合金大。镁合金 锻造用材料大多数情况下大都采用挤压毛坯，它可在挤压前经过均质化处理， 减少机械性能异向性。镁合金是热的良导休，要避免锻造时与较低温的模具接 触产生激冷现象而龟裂，所以 锻造温度不 仅要控制工件温度而且要预 热锻模。 镁合金对变形速率敏感，当变形速率增加时塑性显著下降，一些较复杂的镁合 金 锻件需以多次 成形，为了 避免晶 粒长大应逐次降低各次的 锻造温度。 镁合金 的加工变形量依设各种类而异，在锤上变形量不超过3 0 % -5 0 % 在液压机上变形 量可达7 0 % -9 0 % , 所以 建议使用液压 机为 佳。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 . 5 本课题的研究内容 本文将利用d e f o r m 3 d软件对a z 9 1 d镁合金托弹板在不同工艺参数下 的半固态模锻成形过程进行计算机仿真和实验研究，并结合模拟结果和试验结 果得出托弹板的最佳成形工艺参数。主要研究内容与方案包括: ( 1 ) 采用g l e e b l e - 1 5 0 0 热力模拟试验机对经过等径道角挤压技术进行晶粒细 化处理的 a z 9 1 d镁合金试样进行等温压缩物理模拟试验， 测量材料在不同条 件下的应力应变关系，分析材料的变形特点，并为建立 a z 9 1 d镁合金材料在 半固态下的材料模型采集数据; ( 2 ) 利用 d e f o r m 3 d软件对不同 工艺参数下托弹板的成形过程进行模拟计 算，根据计算结果分析坯料温度、模具温度、上模加压速度等工艺参数对成形 过程的影响; ( 3 ) 采用2 0 0 0 k n液压机进行a z 9 1 d镁合金托弹板成形试验，并将试验结 果与模拟结果进行对比; ( 4 ) 综合分析模拟结果和试验结果，确定 a z 9 1 d镁合金托弹板的最佳成形 工艺。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章 a z 9 1 d镁合金的等温压缩试验 2 . 1 引言 等温压缩试验是对材料变形规律的一种物理模拟，通过对处于不同 变形条 件下的试样的等温压缩可以获得材料在该变形条件下的应力应变规律。本章通 过 a z 9 1 d镁合金的等温压缩试验分析了 a z 9 1 d镁合金的流变规律和压缩温 度、保温时间、变形速率等工艺参数对应力应变规律的影响，为建立 a z 9 1 d 镁合金的材料模型和制定托弹板半固态模锻成形工艺参数取得了 详尽的数据资 料。 2 .2 等温压缩试验 2 . 2 . 1 试验材料及设备 试验材料为 经过等径道角挤压 ( e q u a l c h a n n e l a n g u la r e x tr u s io n ， 简称 e c a e ) 的a z 9 1 d镁合金。等 径道角挤压实 验工艺参数为: 坯料加热温度为 3 0 0 c ，模具温度为3 0 0 0c ， 挤压道次为4 次， 每次挤压后将坯料旋转9 0 度再 进行下一道挤压。 压缩试样尺寸为id 8 m m x 1 2 m m o 等温压缩试验示意图 如图2 - 1 所示。实验设备为 g l e e b l e 1 5 0 0热模拟机， 境中进行，可以很有效的防止 a z 9 1 d镁合金氧化燃烧。试验的实际温度由 焊 在试样表面的热电偶测量，并反馈回加热控制系统。夹头与试样之间加垫了石 石墨片 试样热电偶卖斗 卫 一 图2 - 1 等温压缩实验示意图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 墨片，以降低试样与夹头之间的摩擦力，有效的减小了摩擦力对真应力计算结 果的影响。 2 .2 . 2 试验方案 在半固态等温压缩试验中主要的试验工艺参数为:试样加热温度 ( 变形温 度) 、保温时间和应变速率。为了更好的研究等径道角挤压后 a z 9 1 d镁合金在 半固态下的力学行为，本研究中分别进行了高温固态和半固态等温压缩试验， 选取的试验参数如表2 - 1 和表2 - 2 所示。 表2 - 1 高温固态等温压缩试验参数 加热温度( ) 保温时间( m i n ) 应变速率( s - ) 3 5 0 , 3 7 5 , 4 0 0 , 4 2 5 , 4 5 0 , 4 7 0 1 x 1 0 , 5 x 1 0 , 5 x 1 0 - , 5 x 1 0 - 表 2 - 2 第一组 第二组 加热温度( ) 5 0 0 , 5 1 5 , 5 3 0 , 半固态等温压缩试验参数 藻 丽高 不 i n 厂厂 一 厌 石蔺蔽 1 x 1 0 - , 5 x 1 0 - , 5 x 1 0 , 4 2 , 3 , 4 , 6 5 ;丝q 5 x 1 0 2 . 3 试验结果分析 2 .3 . 1 e c a e的a z 9 1 d镁合金高温固态等温压缩流动应力 图2 - 2 是e c a e的a z 9 1 d镁合金材料的高温固态等温压缩的真实应力一 应 变曲线。从图中可以发现如下规律: ( 1 ) 当 应 变 速 率 大 于5 x 1 0 -3 s - 时 ， 应 力随 着 应 变量 的 增 加 首 先 迅 速 增 加， 当达到峰值应力 ( 屈服应力)后开始下降，之后在一段范围内应力值几乎不 变，当 应变量大于0 .8 以 后又开 始缓慢增加。当 应变 速率为5 x 1 0 -4 s 一 工 时， 真应 力随着真应变的增加迅速增加到一个值后缓慢变化。在真实应力一 应变曲线 上，应力儿乎呈现水平阶段。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 犷犷5- 尸尸尸0- -i习 : : i- i x i o2 - 5 x 102 : 120ito100 如8070605040匆2010 .轰忍.5叨。扫祠的。卜尸 仍兔出的叨a阳尸访。n1 do加807060匀4030加仍。 t o- - 0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8刁 2 0 . 0 0 .2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 t , - 1 . 0 1 21 . 4 1 . 6 1 . 8 2 刀 s t r a i nt r u e 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 .6 1 . 8 2 . 0 s t r a i n b ) 3 7 5 0 c 即807060印40302010 .爱谊的。扫5。n卜 1 4 0 1 3 0 1 2 0 1 1 0 1 0 0 g 0 8 0 7 0 6 o s o 4 0 3 0 2 0 1 0 a 1 0 120110ion 4 - 5 x 1 0 - 4 c 1 1 2 i - i x l o i s 1 2 - 5 x 1 0 - 2 . - 1 3 - 5 x i o 3 s - 1 4 - 6 x 1 0 - 4 a i 3 己头.的的。祠的山n一 4 - 0 . 2 住0 0 .2 0 . 4 0 .6 0日 1 .0 t r u e s t r a i n 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 . 0刁 2 0 . 0 0 . 2 o a 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 6 2 0 t r u e s t r a i n c ) 4 0 0 c d ) 4 2 5 - c i - i x 1 0 1 y - i 2 - .9 x 1 0 - % _ 1 3 - 5 x 3020 侨的叨。祠的 3 4 60砧幻454035302520巧伯50 川兔谊仍。衬的。n1 。洲。 1 0 刃 z 0 . 0 0 . 2 让4 0台 0白 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 .e 1 . e 2 .0 s t r a i n 1 0 -0.2 0 .0 红 2 0 4 0 名 0 .e 1 .0 1 .2 1 .4 1 旧 1 .8 2 .0 t r u e t r u e s t r a i n e ) 4 3 0 0c04 7 0 c 图2 - 2 e c a e 的a z 9 1 d镁 合金高温固 态压缩真应力缠变曲 线 1 2 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) e c a e的a z 9 1 d镁合金材料 在高 温变形 阶段具 有应变 速率敏感性。 随 着应变速率的增加，材料变形抗力增大，应力一 应变曲线上移。 ( 3 ) e c a e的a z 9 1 d镁合金材料在高温变形阶段具有温度敏感性。随 着变 形温度的增加，材料的变形抗力明显下降，应力应变曲线下移。 e c a e的a z 9 1 d镁合金材料高温固态等温压缩变形过程可以由图2 - 3 示意 的表示，它主要分为四个阶段。第一阶段为压缩试样的弹塑性变形阶段。当应 变量很小时，材料处于弹性状态，应力随应变的增加呈线性增加。随着压缩的 进行，试样各部分先后进入塑性状态，压缩应力的增长速度减小，当应变达到 0 . 0 5左右时，变形产生的硬化作用和材料的动态再结晶作用相互抵消，压缩应 力达到最大值。第二阶段为应力下降阶段。此时的动态再结晶作用大于应变强 化作 用， 材料变形抗力下降，出 现 “ 软化” 现象3 4 ,3 5 。 第三阶段为稳 定塑性变 形阶段。在这一阶段中，应变硬化作用与动态再结晶作用相平衡，材料的变形 抗力处于稳定状态。第四 阶段为应力增加阶段。此时的压缩量已 经很大， 试样 中的 难变形区 互相插入， 从而引 起的 变形抗力的 增加3 6 i 。当 应变速率很低时， 第一阶段和第二阶段合并成一个阶段，即首先出现真应力随真应变增加而急速 增加，然后出现稳定塑性变形，之后由于难变形区相互插入而导致真应力又有 所增加。 iii iin 到。.。 阴的。抽尸的on t r u e s t r a i n 图2 - 3 e c a e 的a z 9 1 d高 温固态 等温压缩时的 真实 应力 一 应变规律示意图 2 .3 .2 e c a e的a z 9 1 d镁合金半固 态等温压缩流动 应力 图2 - 4 是保温时间为4 m i n时不同温度和变形速度下e c a e的a z 9 1 d半 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 - 1 x l o 1 s i 2 - 5 x 1 (i 2 s l 3 - 5 x 1 o - , ., - , 4 - 5 x 1 0 4 s - l 1 2 3 4 4d35302520朽la50石 .兔，的的。护5。已 1 0_ - a2 0. 0 0 . 2 0 . 4 0石0吕1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 8 1 . 8 2 . 0 t r u e s t r a i n 8 ) 5 0 0 1 1 - 1 x 1 0 - 1 5 - 1 2 - 5 x 1 0 - 2 . - 1 2 5 x 1 0 7 3 s 一 1 4 - 5 x 1 0 - 4 , - l 1 - 1 x 1 0 i s 1 2 - 5 x 1 0 2 .i 3 - 5 x 1 0 - 3 . - 1 1 户乙n内吕6j马 勇六的的。尸仍。己卜 2 44 - 5 x 1 0 4 s l _ 2 22加18佑1412伯 3 4 20刃 4 山芝.朗明。户的。口卜 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 0 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 t r u e s t r a i n 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 5 0 . 7 t r u e s t r a i n b ) 5 1 5 0cc ) 5 3 0 0c 1 o 1 - 1 x t o - . - 2 - 5 x 1 0 2 s n : 1 - 1 x 1 0 - 1 . - , 2 - 5 x 1 0 2 ., - 3 - 5 x 1 0 3 s l 4 - 5 x 1 0 4 6 1 2 4 认认山沁衬5 3 9日产65432 月袅，的的.尸的当卜 4 一-o1og01 ，六之月. 山乃自、 0 . 10 00 1 0 ,2t r u e 0 s 0 . e 0 3 0 2 0 .3 0 .a t ru e st r ai n 0s0