（材料加工工程专业论文）镁合金挤压成形工艺及数值模拟的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = 。= = = = # = = = = = = = = g = = ：= = 一 摘要 ， f 镁合会是种越来越受到，“泛关注的新型材料，其优越性能表现如：质鼍轻； e 强度商，其比强度是工程邈料的1 8 倍；抗电磁干扰及屏蔽性好；优良的热传导性， 钉利于改善电子产品散热问题：加工成型性能好，产品外观美，质感佳；网收率离， 吓境污染小等优点。在这些优越性能中，墩突出就是镁合盒的质量轻和优良的热传 、 导，瞰崮此被广泛的应嗣予舷空舷天、汽车：l 零】毫予工照等领域。l 本文首先综述了镁合金的基本性能及特点，国内外镁合金材料的加：1 ：成形技术 受瘦弱。采蠲塑注戒形理论碜；究了疆台金热挤 歪裁形过程，归缡和总结了镁合会挤 f i 成形工艺有关挤压参数的选择原则。 应用g l e e b l e l s 0 0 热一力学模拟试验枫对_ j 二不弼的温度和变形速率下a z 3 l 镁合 金流变性能进行研究，并成照b p 裤经弼终技术建立了a z 3 l 镁会金_ 毒考料本桷关系。 自行设计制造了带有预热装置的挤压实验模具，在1 0 0 0 k n 液压机上，刘j j 心捧 、矩形嫒嚣和圆形瑟瑟静薄壁空心型孛考按豫袋形互艺与魅娆送行了实验研究。获 得了a z 3 1 镁合会挤压成形规律及工艺参数。 应雳d 嚣f o r m 一3 d 塑性有袋元软件对镁台会成形过程进行计算机模拟，对其成 眵过程中的会属流动速度场、等效应力场、等效应变场和挤胍成形力进行分柝，冀一 通过实验验证r 模拟结果的币确性。 食绍了镁合金成形技术巾最具有蘸浍一黪：魄半固淼成形技本，罄薰论述了：虽技醛 的制备、t 次加热和触变成形技术，并提出丌展镁合金半固念挤压成形技术研究的 瓣潞。 、一，k ， 0 一 关键词：镁龠会挤压成形漉变性能b p 神经网络半困惑成形技术 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y i s p a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s ei t h a s m a n yg o o d p e r l b r m a n c e s ，s u c ha sl i g h tm a s sd e n s i t y ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，w h i c hi s 1 8t i m e sa st h a t l 7 1 t h ee n g i n e e r i n gp l a s t i c s ，g o o di na n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n de l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d ，e x c e l l e n t h e a t c o n d u c t i v i t ya b i l i t y w h i c hi s a d v a n t a g e o u s t o i m p r o v e h e a t d i s s i p a t i o no fe l e c t r o n i cp r o d u c t s ，g o o df o r m a b i l i t y , g o o da p p e a r a n c e ，h i g hr e c y c l e r a t i o a n dl o wp o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t ，e t c a m o n gt h e s ea d v a n t a g e s ，l i g h tm a s sd e n s i t ya n d e x c e l l e n th e a tc o n d u c t i v i t ya r et h em o s ti m p o r t a n t ，s oi ti su s e di na e r o n a u t i c a la n ds p a c e i n d u s t r y , a u t o m o b i l ei n d u s t r y , e l e c t r o n i ci n d u s t r ya n d s oo n f i r s t ，e l e m e n t a r yp e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i s t i co ft h em a g n e s i u m a l l o y , a p p l i c a t i o n s a n df o r m i n g t e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a da r es u m m a r i z e d t h ee x t r u s i o np r o c e s so ft h e m a g n e s i u ma l l o y i ss t u d i e da c c o r d i n gt ot h em e t a l p l a s t i ct h e o r y , a n d t h ee x t iu s i o n t e c h n i c so ft h em a g n e s i u m a l l o ya n dc h o i c er u l eo fe x t r u s i o np a r a m e t e r a r es u m m e d u p t h ec o m p r e s s i o nb e h a v i o ro fm a g n e s i u m a l l o ya z 3 1i ss t u d i e do nt h ed i f f e r e n c eo f d c f i ) r m a t i o n t e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o nv e l o c i t yb yu s i n gt h e g l e e b l e15 0 0t h e r m a l s l r e s s s t r a i ns i m u l a t o r c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i po ft h em a g n e s i u ma l l o ya z 31i sf o u n d e d b yu s i n ga r t i f i c i a lb a c k p r o p a g a t i o n n e t w o r k t h e e x p e r i m e n t s o f t h ee x t r u s i o no nt h es o l i db i l l e t ，h o l l o ws q u a r em a g n e s i u m p l o f i l e a n dt u b ea r ec a r r i e do u tw i t h10 0 0 k n h y d r o d y n a m i cp r e s s ，f u r n a c ec o n t r o l l e da c c u r a t e l y 1 1 h et e s t i n gs y s t e mi su s e dt ow r i t ed o w nt h ee x t r u s i o nf o r c ea n dt h cd i es e t sa r ed e s i g n e d b yo u r s e l v e s 7 f h ct e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so f t u b ce x t r u s i o no f m a g n e s i u ma l l o y ，s u c ha s e m p e r a t u r e ，d i ea s s e m b l yp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，l u b r i c a n t ，r a t i o o fe x t r u s i o na n d e x t r u s i o n s p e e d ，a r e o b t a i n e d b ye x p e r i m e n t i nt h i s p a p e r t h e e x t r u s i o nf o r c ea n d l n f l u e n c ef a c t o r sa l s oa r es t u d i e d at h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nw i t hd e f o r m 一3 ds o f t w a r e i s 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = p e r f b r i n e dt os t u d yt h ef l o wv e l o c i t yf i e l d ，t h ee q u i v a l e n ts t r a i nf i e l d ，t h ee q u i v a l e n ts t r e s s f i e l da n dt h el o a d s t r o k e c u r v e s c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a ，t h e s i m u l a t i o n r e s u l t sa r eg o o dd e p e n d a b i l i t y t h es e m i s o l i dm e t a lf o r m i n go fm a g n e s i u ma l l o y , an e wf o r m i n gt e c h n o l o g y ，i s i n t r o d u c e df i n a l l y t h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sn o n - d e n d r i t i cs t r u c t u r e ，i n d u c t i o nh e a t i n g a n dt h i x o f o r m i n ga r es t u d i e d ，a n dt h ea d v a n c eo nt h ee x t r u s i o no ft h em a g n e s i u m a l l o yi n t h es e m j ，s 0 1 i dj ss t a t e d k e y w o l d s ：m a g n e s i u ma l l o y e x t r u s i o n r h e o l o g i cb e h a v i o r b a c k p r o p a g a t i o nn e t w o r k s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g i i l 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = ；一 1 绪论 本章分析了课题的来源和意义，介绍了镁合金的基本性能、产品优越性及国内 外镁合金材料的应用及其加工成形技术，最后介绍了作者的主要研究工作。 1 1 课题的来源和意义 材料作为2 1 世纪的支柱已显示出5 方面的变化趋势：即从黑色金属向有色金属 变化，从金属材料向非金属材料变化，从结构材料向功能材料变化，从多维材料向 低维材料变化，从单一材料向复合材料变化。本课题所研究的镁合金材料就是有色 金属材料中最具有，r 发和应用发展前途的金属材料。因此本课题组申请了由教育部 高等学校博士学科点专项科研基金、华中科技大学模具技术国家重点实验开放基金 ( 0 2 。0 6 ) 和江西省材料科学与工程研究中心开放基金( c l 0 2 0 7 ) 共同资助的镁合金 等温超塑性挤压工艺的基础研究。 镁合金在世界范围内的应用年增长率高达2 0 。我国是镁资源大困，总储量。i 世界总储量的5 0 以上。1 9 9 9 年全国共有8 0 多家镁厂正常生产，产量超过2 0 万吨f 约 为m 界产量的3 0 ) ，原镁产量达1 6 万吨，出口量1 3 7 万顿( 产量的8 5 ) 。但国内 庄镁合金的应用方面与国外相比还存在较大的差距，限于技术开发能力，大多原镁 只能川于出口，造成国内优势资源的极大浪费。 随着我国西部大开发战略的实施，西部十分丰富的盐湖镁资源将为镁合金产6 的丌发应用提供极为有利的物质基础 2 1 。因此，一项十分紧迫而严峻的任务摆在我们 面前：实施科技攻关，尽快形成具有独立知识产权的镁合金深加工技术体系，开发 我目、】自己的镁合金加工产业，变现在以出口原材料镁锭为主转为出口高附加值的镁 合金零件及配套产品。这无论是对传统产业的改造，形成一批新兴的高科技产业群， 促进我国汽车、电子等应用镁合金产品的工业领域的良性发展，还是对西部大开发 战略的顺利实施，迎接加入w t o 带来的挑战，都将具有重大的现实意义和深远的 历史意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 镁合金的基本性能 1 2 1 镁合金的物理和力学性能 镁合金与其它相关材料的物理和力学性能如表1 所示。 表l镁合金与相关材料的物理和力学性能比较 料名称密度 熔点守热系教抗拉强度屈服强度延伸卑比强j 盟 ( g * c m 。3 ) c w + ( i n k ) 。1 ，m p a， 嵌台盒a z 3 1i7 76 3 09 62 4 l1 6 51 61 9 3 铁青盒a z 9 il8 25 9 67 22 3 01 4 58】8 7 锚台3 8 027 05 9 51 0 03 1 5】6 031 0 6 碳钢78 61 5 2 04 25 l72 28 0 塑料a b s l0 3 9 0 ( t g ) 023 54 0 4 】 塑料i ，cl0 2 1 6 0 ( t g ) 02】0 431 0 2 从表l 可以看出，镁合金的主要力学性能接近于铝合金，但其密度却小于铝合 盒，比强度是铝合金的1 8 倍，可以说在应用金属范围内镁合金具有最高的比强度。 与工程塑料相比，镁合金的密度虽比工程塑料高，但其熔点却是工程塑料的4 6 倍， 奠比强度是工程塑料的1 8 倍左右：此外镁合金的热传导系数是工程塑料的3 0 0 倍以 f ：，在一些i 电子产品的应用上具有明显的优势。与同体积碳钢相比，其质量将大大 的减轻，减轻超过了7 5 。 1 2 2 镁合金产品的优越性能p l 1 ) 质量轻：镁合金在所有商业金属中质量最轻，其密度为1 8 9 c m 3 左右，是铁 的1 4 ，铝的2 3 ，与塑料相近； 2 ) 比强度( 强度与质量之比) 商，它高于铝合金和钢，比刚度却接近铝合金和 锏，具有一定的承载能力； 3 ) 优良的热传导性，改善电子产品散热问题： 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 4 ) 极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好； 5 ) 非磁性金属，抗电磁波干扰，电磁屏蔽性佳： 6 ) 加工成型性能好，成品外观美丽，质感佳； 7 ) 材料可1 0 0 回收，回收率高，符合环保法； 8 ) 尺寸稳定，收缩率小，不易因环境温度变化而改变( k n x j - 于塑料) 。 在这些优越性能中，最突出就是镁合金的质量轻和优良的热传导性，因此被广 泛地应用于航空航天、汽车工业和电子工业等领域。 i 3 国内外镁合金材料的应用及其加工成形技术 1 3 1 镁合金的应用 1 ) 镁合金在汽车上的应用 随着汽车工业的迅速发展，对通过降低产，钴的自重以降低能源消耗和减少污染 ( 其中包括减少汽车尾气和废弃塑料) ，提出了更迫切的要求，而镁合金的质髓轻， f ：符合了汽车的轻量化的要求。有人作出统计( 4 5 1 ，采用镁合金制造汽车零部件可大 幅度减少汽车重量，汽车燃料6 0 消耗于汽车臼重，自重减少1 0 0k g ，可节省油耗 55 ，而且减少自重可以改善汽车的加速和减速性能，悬空设计特性，进而改善驾 驶与安全性能。此外镁合金的比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合盒和锏，能 够满足汽车的负荷要求。美国福特汽车公司采辟ja m 6 0 镁合盒生产车座支架取代钢 制支架，使每个座椅重量从4 k g 降为l k g 。目f j 通用汽车公司和戴姆勒克莱斯勒、 拜驰、阿尔法特等公司生产镁合金压铸仪表板来取代原来的塑料、钢制的仪表板。1 6 - 7 1 2 ) 笔记本电脑( n b ) 的镁合金机壳 笔记本电脑使用镁合金作为机壳几乎是基于镁合金的全部优点：防震性能提高 j 电脑部件的可靠运行；抗电磁波干扰和电磁屏蔽性能保证了电脑的信息安全i 尤 雎是优良的热传导性，大大地改善了电脑的散热问题。镁合会机壳的综合性能湿著 寄于塑料机壳，因此近几年镁合金笔记本电脑机壳得到飞速发展【引。镁合金应用在 n b 机壳的比例由1 9 9 6 年的1 3 ，增加到2 0 0 0 年的1 4 5 。但根据台湾厂商所估计 的i , 筻f h 比例其实已到达3 0 。在2 0 0 1 年全球n b 总产量2 0 0 0 万台中，6 0 0 万台n b 华中科技大学硕士学位论文 将采用镁合金机壳。 1 9 9 8 年以后日本所有的笔记本电脑厂商均推出以镁合金外壳的机型，目前3 8 c m 以卜| 的机种已全面使用镁合金作为外壳。中国的联想、华硕等笔记本电脑从1 9 9 9 年 也部分采用了镁合金外壳。 台湾是全球镁合金机壳生产基地，约5 0 6 0 的镁合金机壳是由台湾企业所 _ ：产，台湾镁合金产业2 0 0 0 年合计3 6 0 万片的总产量，将足够供应全球6 0 0 万台镁 合金n b 约6 0 的需求。 3 ) 镁合金在移动电话机壳上的应用 镁合金轻量化、散热快、成型性能好和电磁屏蔽率高的特点，在获得笔记型r 乜 恼制造商的青睐之后，在更强调轻、薄、短、小的移动电话制造商中也倍受器重， 镁合金的流行大潮涌向手机市场。 镁合金具备耐震、抗磨损的特性，对手机极为重要。尤其是可屏蔽电磁波的特 殊功能，对于消费者在手机电磁波是否会影响人体健康的疑虑上，将是极佳的市场 追求点。在2 0 0 0 年下半年国际知名手机厂家陆续推出镁合金机壳的手机。 9 3 4 ) 用于相机外壳的制造 用镁合金制造相机的顶盖、前盖、反光镜箱和机身，提高了相机刚度、精度和 耐久度，并使得相机重量变轻、结构变小，且易于携带。目前主要用于数码像机的 村l 壳，击0 造。 5 ) 镁合金在白行车上的应用 利用镁合金的重量轻、比强度高和耐冲击的优点，镁合金已经丌始在自行车上 得到应用，使得自行车更轻便、更快速、 参制造的折叠式自行车车架重量仅1 ，4 k g 1 3 2 镁合金材料的加工成形技术 更舒适，并具有优良的避震性能。用镁合 总重量仪为4 k g 。 1 0 】 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、半固态 j 戈形技术、金属注射成形技术、锻造成形技术。 1 ) 压铸成形技术 华中科技大学硕士学位论文 盎= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 镁合会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 门世在欧、美已有较大规模。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。 ( 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，气体灌入少，熔铸压力较低，使用模 较小，可铸面积小，技术成熟度高，适用于薄壁及小铸件。国内厂家采用此法较 多，原因是成型周期短，废料少。 2 ) 半固态成形技术【1 2 - 1 4 1 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 、仁固态，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 0 o 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，可成形较薄件；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 f 置稳定，废品率低；凝固时间缩短，可降低成型周期。 3 ) 金属注射成形技术f 1 5 】 金属注射成形技术于2 0 世纪9 0 年代在美【日产生，由塑料注射成形技术衍，! 应 川白：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 ：投放市场。这套设备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 。 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。但在以下几方面有所差异。 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 “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，它可在挤五前经过均质化处理，减少机械性能 华申科技火学硕士学位论文 抟向性。镁台金是热的爨导体，要避免锻造时与较低温汰模矮接齄产生激冷现象两 龟袭，所以锻造温度不仅要控箭工件温震而且要预热锻模。镁合金对变形速率敏感， ：鹭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f 碚粒长大应逐次降低各次的锻造温度。镁台金的加工变形匿依设备种类而异，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。 1 4 作者的主要研究正作 乍者在硪学习除段主要开展以一f 几个方蘧蛇硬究工 乍： 1 ) 蝈皱葶鞋总结镁台金挤匿成影王艺及有关挤压参数的选择舔剐。 2 ) 歼震针对a z 3 1 镁合金韵流交往能的研究，并在j 眈基础上应用b p 神经阐络 技术建立起萁本构关系。 3 ) 开展a z 3 1 镁合垒实心棒料、矩形断面和圆形断面的薄壁空心型材的挤压成 形工艺实际应用研究。 4 ) 应用d e f o r m - 3 d 模拟软件开展镁合金管材挤压成形的数值模拟。 5 ) 探讨了镁金金半固态成形技术c l 有关非技晶的毒套、电磁感应加热孝l 触变成形， 垮提如玎展镁合金半固态按压艘形技术硪究豹思路。 6 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = ! = = = = # = = = # = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # = = = = = = = = = # = = = = = o = = = ；= = = = = ：= o 2 镁合金挤压成形工芝研究 挤压是将金属毛坯放入挤压模具模腔内，在强大的压力和一定的速度条件下， 迫使金属从模腔中接如，从藤获彳寻艇霉形状、尺寸以及具有一定力学性栽的按压l 牛。 本章主要讨论了镁台金按压成形工艺及揆匿工艺参数选铎懿琢剡。 2 1 挤压设备的选择及吨位确定 2 1 1 挤蓬设备的选撵 镁合金属于低塑性材料，所以最好是在液压机上进行挤压。液压机的行程遮度 一一般为0 1 5 o 3 m s 。由予液压枫的行程速度比较慢，可以保涯镁合金接压时有良好 的变形速度条件，所以只要变形漫度合适，不管应力状态如姆，镁含金都具有较离 的塑性。在液压极上霹默挠出鼹嚣形状、足寸懿挤压 孛。 2 1 2 挤鹾力的计算及盹彼的确定 参照热挤压工艺时按压力的计算，取图2 。1 所示正揍压时微元 本，建立微分方程 闰2 1 正挤压变形瞬时的受力情况 彩：2 z r r h 三d t 1 赋2 ( 2 。1 ) 华中科技大学硕士学位论文 ：二= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = 一 生：2 _ d t p r 1 n 口：丝，+ i n c 1 尺 2 “ o o p = c e 8 与f = 0 时，p = p 。= c 代入式( 2 2 ) 得 ( 2 2 ) p = e ”p o f = 4 。p = 爿8 8 p o ( 2 _ 3 ) 式中p 一在一个半径为r 的挤压筒中挤压长度为，。的毛坯所需要单位 挤压应力( m p a ) ： a ，一挤压简内腔横截面积( m m 2 ) ； e 一自然对数的底； “一金属与挤压筒底摩擦系数； p 。一一f = 0 时挤压应力，即挤压结束时的挤压应力( m p a ) ； f 一毛坯的长度( r a m ) 。 西拜勒氏认为进行一次变形所需要的力等于断面变化比的对数与变形抗力的乘积。 f o 刊，叫n 砉 嗍可山丢 沼。， - 中j 。一挤压温度下材料的抗拉强度( m p a ) ； a 一挤压筒内腔横截面积( m m 2 ) ； a 。一金属挤出模口的横截面积( m m 2 ) 。 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 3 ) ，即得总挤压力 华中科技大学硕士学位论文 ，叫n 丢e 等 s ， 同理，可得出挤压内半径为r 的管子挤压力公式 f = 丌( r 2 - r 2 m 导e 警 ( 2 _ 6 ) 式中r 一挤压筒内半径( m m ) 。 r 一芯棒的半径( m m ) ； a ，一挤压筒内腔横截面积( m m 2 ) a ，一挤压管子的横截面积( m m 2 ) 。 2 2 挤压毛坯的准备 2 2 i 毛坯尺寸的选择 镁合金挤压时，主要采用实心或空心圆截面毛坯。毛坯尺寸决定了挤压制品的 质量和挤压过程的技术经济指标。对挤压一定类型尺寸的挤压件来说，毛坯的直径 越大、长度越长，即毛坯的体积越大，则所得到的挤压件就越长。增加挤压件的长 度，可以减少制品末端的切头部分，有助于提高成品率。因此，在选择毛坯尺寸时， 最基本的要求是使毛坯的体积达到最大值。 但是，消耗在挤压残料中的金属部分对成品率的高低也有很大影响。当毛坯的 体移 一定时，增加直径d 和长度l 对消耗在挤压残料中的金属有不同影响。比如， 、刍增大毛坯的直径并相应地减小其长度时，则消耗在挤压残料中的金属量相对增力， 成。锅率就下降。当增加毛料的长度并相应地减小直径时，则消耗在挤压残料中的金 属量就相对减少。这是由于减小了挤压残料的相对长度( 挤压残料的长度包括在毛坯 的长度之中) ，又减小了残料的绝对长度。后者是因为在减小了毛坯直径时，既减小 r 变形的不均匀性，又减少了第一类缩尾形成的深度。 因此，在毛坯体积一定时，为了保证成品率最高和挤压力最小，增加毛坯的氏 度比增大其直径更为合理。在这种情况下，受到限制的因素不是挤压力，而是单位 华中科技大学硕士学位论文 f i 力的最大值。 毛坯的体积可以按照变形前后体积不变的假设来计算，即毛坯的体积等于挤压 毛成后挤压件的体积。 毛坯的体积确定后，其高度可按下式计算 驴鲁 协， 式中 一毛坯的高度( m m ) ； v o 一毛坯的体积( r a m 3 ) ； a 。一毛坯的横截面积( r a m 2 ) 。 为了保证挤压件的质量和模具寿命，毛坯的直径尺寸要基本上接近凹模模腔直 径的尺寸，但要考虑到毛坯加热后直径会因膨胀及毛坯表面涂加润滑剂层的厚度而 增加，否则毛坯在加热后可能会放不进凹模模腔或破坏润滑膜层。毛坯加热以后的 随径d ，可按下式计算 z = d o ( 1 + 口，口) 式中d 。一常温下的毛坯直径( r a m ) ( 2 8 ) 口一线膨胀系数( o ) ； 口一毛坯高于室温的温差，可大致用毛坯温度来代替( ) 。 2 2 2 毛坯的下料 镁合金下料常用的设备是圆盘锯、车床或专用的快速端面铣床，而不采用剪床 f 料因为剪切时，可能在切口处形成显微裂纹，这在随后变形时会造成废品。 镁合金下料，一般是在冷态下进行。若原材料表面有压伤等缺陷，则表面应车 光琶r a 2 5 左右。 由于镁屑易燃，所以下料速度应缓慢。在车床上下料时，切削速度一般不超过 4 ( t o 6 5 0 m m i n 的范围。进刀量则应在1 1 5 r a m 范围内。为了避免毛坯表面质量道 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 刮损害，要用橡皮或牛皮等软垫将毛料夹住。由于润滑剂容易引起镁屑燃烧，肥皂 水、乳浊液又易使镁合金腐蚀，因此与其他合金下料不同，既不润滑，也不使用冷 却液。切屑要单独存放，勿与其他切屑混在一起。要防止尘土、铁屑和水分混入。 要严禁烟火，保持工作地的清洁，以防引起爆炸和燃烧。 用圆盘锯下料时，切割速度可以比在车床上的切削速度稍高一点，达到4 0 0 10 0 0 m m i n 。 1 8 j 2 3 挤压前毛坯的加热 2 3 1 加热温度 镁具有密排六方晶格，室温下只有基面 o001 ) 产生滑移，因此镁及镁合金常温 f 塑性很低，进行塑性成形加工很难；2 0 0 以上时第一类角锥面 l011 ) 产生滑移， 塑性得到很大的提高；2 2 5 c 以上时第二类角锥面 1012 ) 也可能产生滑移，塑性进 一步提高。因此镁合金宜在2 0 0 。c 以上成形。镁合金状态图是确定镁合金挤压温度的 首要依据。从镁合金状态图中可以得到某种镁合金的熔化温度和合金中有第二相丰斤 b 时温度。于是可以得到挤压温度范围在这两个温度范围内，但这只是一个粗略的 温度范围。为了比较准确的确定该种镁合金的挤压温度范围，需要对这种镁合金的 塑性圈和变形抗力图以及再结晶图加以分析研究。从镁合金的塑性图可以得到在某 个温度范围内其塑性最高。于是坯料的加热温度范围可以选择在这个温度范围之内。 2 3 2 加热设备及方法i ”i 镁合金毛坯通常是在电炉中加热，最好带有空气强制循环的装胃，以保持炉温 均匀。炉内温度差不应超过i o6 c 。炉温用热电偶测量，热电偶装在距被加热坯料 1 0 0 1 5 0 毫米处。炉子应装上自动调节炉温的仪器，仪器应能保证温度的测量精确 度在8 。c 之内。 装入炉中的坯料，应清除掉油渍、镁屑、毛刺及其他脏物。在加热镁合金时， 必须严格地做到在炉中没有钢料，而且不使镁合金与加热元件接触，应当使其相隔 。定的距离。而且经常加热镁合金的电炉，其电阻丝旁最好装有保护板，以免过热 华中科技大学硕士学位论文 和弓j 起燃烧。 坯料应均匀地放置在炉底上，并保持一定的间隔，不要堆放。坯料装炉前，应 将炉子预热到规定的温度再装炉。因为镁合金的导热率高，这样可缩短加热时间， 避免晶粒长大。如果炉子刚刚在更高的温度下加热过坯料，则应先冷却炉子，使低 于规定的温度5 0 1 0 06 c ，然后再于 高到该种合金所规定的温度，保持2 0 3 0 分钟 后，再装入坯料。加热时间应从坯料入炉后炉子温度升高到规定温度时算起。 2 3 3 加热速度及时间 镁合金的导热性良好，故任何尺寸的镁合金毛坯，都可以直接高温装炉，但是 镁合金中的原子扩散速度慢，强化相的溶解需要较长时间。为了获得均匀组织，保 证在良好塑性状态下挤压，因此实际所采用的加热时问还是较长的。 通常，镁合金挤压前加热时间，可以参照镁合金锻造时加热时问的计算方法 束计算。即直径小于5 0 m m 的毛坯，按每毫米直径或厚度加热1 5 m i n 计算；直符大 于1 0 0 m m 的毛坯，按每毫米直径2 5 r a i n 计算：对直径在5 0 1 0 0 m m 范围内的毛坯， 可按照如下推荐的加热速度计算公式确定 t = ( 1 5 + 0 o l + ( d 一5 0 ) ) + d ( 2 - 9 ) 式中l 、一加热所需要时间( m i n ) ； d 一毛坯的直径( m l n ) 。 如果挤压过程被迫中断的时间不超过2 小时，毛坯可以留在炉内，但应降低炉 温( 约1 2 0 。c ) 。当继续挤压时，毛坯应重新加热到挤压温度上限，这时的加热时间的 计算，是按炉温达到规定的温度时算超，每毫米( 直径或厚度) 所需的加热时间为上述 汁算日, j - f h j 的一半。若挤压过程中断超过2 小时，则需将毛坯从炉内取出，置于静止 4 空气中冷却，以后再重新加热挤压。 2 4 模具预热温度 镁合金变形温度范围狭窄，而导热性能良好，遇到冷模会产生激冷而造成裂纹。 昕以挤上k 日口要对模具进行预热，其目的有两个：一是使挤压毛坯放入模具时毛坯降 温不致过快，以免使塑性降低，变形抗力增加，同时可避免毛坯表面和中心层温差 华中科技大学硕士学位论文 过火，致使变形不均匀性增加，以至造成挤压件和模具的损坏；二是可以减小模具 t ，j 毛坯接触时的温差。由于坯料与模具接触面积大，接触时间长，模具必须加热到 比坯料低的不太多的温度，故模具预热温度范围为2 6 0 3 0 0 。 模具预热的方法有在模具上安装专门的电阻预热器，或者可用喷灯直接喷射加热。 2 5 润滑剂 为了减轻镁合金坯料与挤压筒及凹模工作带之间的摩擦，防止粘模，减低摩擦 力，有利于金属流动，必须使用润滑剂进行润滑。此时润滑剂还可以起到隔热作用， 从而提高模具寿命。生产中常使用的润滑剂石墨水剂和玻璃润滑剂。 1 ) 石墨水剂将石墨水剂润滑剂均匀地涂在挤压筒内壁，在加热的状态下，水 份蒸发，于是在挤压筒内壁形成一层致密石墨薄膜，从而起到润滑效果。 2 ) 玻璃润滑剂玻璃润滑剂的优点f 2 1 j ： ( 1 ) 绝热性好，从而使模具寿命提高及防止毛坯迅速冷却。 ( 2 ) 可提高挤压比。 ( 3 ) 不会产生增碳现象。 ( 4 ) 挤压件表面可保持清洁。 ( 5 ) 在工作温度下玻璃成胶粘状，因而可以不断通过模具间隙进行润滑。这就 崽味着有可能进行长时间的挤压，进而提高了生产效率。 ( 6 ) 挤压型材和空心断面时，可得到比较清晰的棱角形状。 2 6 挤压比和挤压速度 2 6 1 挤压比的计算与选择 棒材挤压时的挤压比按下式计算 g：墅(2-10) d j 巾d 。一挤压简直径( r n m ) ； d 一挤眶棒料直径( m i t t ) 。 华中科技大学硕士学位论文 管材挤压时的挤压比按下式计算 g ：韪二堑+ l ( 2 1 1 ) 4 ( d s ) s 式中d 。一挤压简直径( 脚) ； d 一挤压管材直径( n u n ) ； s 一挤压管材壁厚( m m ) 。 挤压型材时挤压比按下式计算 g ：上( 2 1 2 ) 时i 式中f 一挤压筒的断面积( m m 2 ) ； 只一单根型材断面积( m m 2 ) ； h 一模孔数( 型材根数) 。 挤压比g 太高时随着挤压力的增大材料的温度也剧烈上升。因此一般镁合金挤 压时允许的最大挤压比g 一6 0 。 2 6 2 挤压速度 挤压速度对变形抗力及塑性的影响决定于切应变( 或硬化) 与软化过程( 恢复 与再结晶) 之间的相互关系。当变形速度较高时，因变形引起的热效应，会使挤压 毛坯的温度升高，从而流动应力明显降低；当变形速度再增高时，虽然毛坯的升温 很明显，但是由于变形过程中金属的加工硬化速度比再结晶过程中的软化速度快， l 丕料的流动应力不但不减小，反而明显增大。因此挤压过程中必须认真控制挤压速 度。挤压速度对变形热效应，变形均匀性，再结晶和固溶过程，制品力学性能及制 ，吊表面质量均有重要影响。挤压速度过快，制品表面会出现麻点、裂纹等倾向。同 时挤压速度过快，增加了金属变形的不均匀性。同时要注意到有些镁合金如a z 3 1 镁合金对对挤压速度特别敏感，因此成形应以较低的挤压速度进行挤压。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 3 镁合金流变性能的研究 本章主要讨论镁合金在不同的温度、变形速率下的应力应变关系，并在此基 础七应用b p 神经网络技术来建立镁合金的本构关系。 3 。1 实验材料和方法 实验使用的材料为a z 3 1 镁合金( 对应国内标准m b 2 ) ，其化学成分为：25 3 5 a l ：0 1 5 o5 m n l0 6 1 4 z n ；0 0 5 c am a x ：0 0 0 5 n im a x ；0 0 0 5 f em a x ： 0 1 s im a x ：其他总量o 3 m a x ：余量为m g 。 采用g l e e b l e l 5 0 0 热一力学模拟试验机对于不同的温度和变形速率下a z 3 1 镁合 金变形性进行研究。该机为计算机控制的电液伺服闭环系统，主要由主机、液压源、 电控柜、计算机系统、真空系统以及急冷系统等部分组成。根据该设备的功能，可 以将其分为三个系统：计算机控制系统、热控制系统以及力学控制系统。用计锌机 i ，j 实现两个闭环控制其中热控制系统采用电阻法加热试样，即用低频电流通过 试样将其加热，整个加热区温度均匀，径向温度梯度很小。力学控制系统可对载衙、 f 、_ j = 移、应力及应变等进行实时检测。 由于存在形状效应，试样一般选取高径比小。 ：1 5 ，此时其对实际单向抗压慢度 的g 响最小。因此，选择试样的原始高度h 0 为1 2 r a m 、直径d o 为1 0m i l l ，同州在 两端加工有直径d l 为9 m m 、深度h 1 为o 5 m m 的凹坑，试样如图31 所示。 试样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。此外， 为了降低试样与夹头之间的摩擦力，在试样两端凹坑填入石墨粉，以尽量减少端而 j 擎撩力对真实应力的影响。压缩实验示意图如图3 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 图3 1 试样示意图 图3 2 压缩实验示意图 实验变形温度区间为3 6 0 4 4 0 。c ，变形速率为0 0 1 o i s ，应变小于o 7 。 3 2 实验结果与讨论 3 2 1 加热工艺 实验时，加热工艺曲线如图3 3 所示，加热速度为2 0 。c s ，但是在加热到接近预 变形温度i 对，由于加热系统的惯性，这样高的加热速度会使试样的实际温度猛然超 出预定变形温度很多。因此，在实际的实验过程中，当试样的温度加热到3 5 0 c 时， j h 热速度减为2 c s ，这样可以减少热冲击的影响。为了使试样温度分布均匀，在加 热到预定变形温度之后，再保温l o s ，然后进行压缩实验。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = =