（材料加工工程专业论文）az31镁合金连续挤压工艺试验及数值模拟.pdf

摘要 摘要 连续挤压是一种特殊的变形方式 是利用挤压轮和工件之间产生的摩擦力使材料产 生塑性变形的一种方法 其特殊性在于 这是一种集多种变形方式于一体的过程 这种 复杂的变形模式有利于实现组织的晶粒细化 提高材料的综合性能 从而得到性能优良 的线材产品 本文创新性地将连续挤压技术用于制造a z 3 1 镁合金线材 探讨a z 3 1 镁合金连续 挤压的可行性 通过工艺实验和数值模拟 研究工艺参数对产品组织性能的影响 探索 a z 3 1 镁合金连续挤压成型的特点 为a z 3 1 镁合金连续挤压工艺和模具设计制造提供 参考数据 有望为加工a z 3 1 镁合金线材提供一种新方法 本文应用2 5 0 型连续挤压机 对铸态a z 3 1 镁合金坯料进行连续挤压试验 分析了 挤压变形区组织变化规律以及挤压轮转速和挤压比对组织和力学性能的影响 采用 d e f o r m 软件作为计算机模拟分析的工具 建立了a z 3 1 镁合金连续挤压变形的有限元 模型 针对腔体和坯料初始温度及挤压轮转速进行连续挤压过程的模拟 分析这些工艺 条件对各工模具温度 连续挤压各变形区的温度 等效应力和等效应变产生的变化 结 果表明 连续挤压技术可以应用于a z 3 1 镁合金线材的成型 可实现将粗大的铸态组织直接 挤压变形为细小的等轴晶组织 晶粒细化程度与挤压比有关 挤压比增大 晶粒尺寸降 低 晶粒的均匀程度增加 最小晶粒尺寸达到2 u m 挤压轮转速提高 晶粒尺寸的均匀 性提高 高的挤压轮转速可以使变形温度增加 有利于组织的软化 有助于组织均匀 在压实区 金属最高温度随坯料初始温度的升高而提高 腔体初始温度和挤压轮转 速对其影响不明显 在弯曲挤压区 金属最高温度随挤压轮转速的提高而升高 腔体初 始温度3 0 0 时 金属最高温度发生在挡料块位置 最大等效应力发生在金属粘着区上 方 腔体初始温度2 0 时 金属最高温度发生在模具入口处 最大等效应力和等效应变 同时发生在金属粘着区上方和模具入口处 关键词 连续挤压 a z 3 1 镁合金 数值模拟 大连交通大学一f 学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t i n u o u se x t r u s i o ni sas p e c i a lk i n do fd e f o r m a t i o n i ti st h em e t h o dt h a tu s e st h e f r i c t i o nf o r c e w h i c hb e t w e e ne x t r u s i o nw h e e la n dm e t a lt oc a u s et h em a t e r i a lh a v ep l a s t i c d e f o r m a t i o n i t sp a r t i c u l a r i t yl i e si nt h ef a c tt h a tt h i si sam u l t i d e f o r m a t i o np r o c e s si no n e p r o c e s s t h i sk i n do fc o m p l e xd i s t o r t i o np a t t e r ni sa d v a n t a g e o u si nr e t r m i n gg r a i n e n h a n c i n g t h eo v e r a l lp r o p e r t i e s t h u so b t a i n st h ew i r er o dp r o d u c t sw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l ei n n o v a t i v e l yp r o d u c ea z 31m a g n e s i u ma l l o yw i r eb yu s i n gc o n t i n u o u s e x t r u s i o n d i s c u s s e si t sf e a s i b i l i t y s t u d yt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so np r o d u c tp e r f o r m a n c eo f o r g a n i z a t i o n st h r o u g he x p e r i m e n t s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y e x p l o r e t h e c h a r a c t e r i s t i co fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o yb yc o n t i n u o u se x t r u s i o n p r o v i d e st h er e f e r e n c ed a t a f o rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dd i e sd e s i g n i n g i ti se x p e c t e dt op r o v i d ean e wm e t h o do f p r o c e s s i n ga z 31 m a g n e s i u ma l l o yw i r e c o n t i n u o u se x t r u s i o no fa s c a s ta 2 31m a g n e s i u ma l l o yc a r r i e so n2 5 0c o n t i n u o u s e x t r u s i o nm a c h i n e r y m i c r o s t r u c t u r ec h a n g e si nd e f o r m a t i o na r e aa r ea n a l y z e d a sw e l la st h e i n f l u e n c eo fe x t r u s i o ns p e e da n de x t r u s i o nr a t i oo nm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f i n i t ee l e m e n tm o d e o fc o n t i n u o u se x t r u s i o np r o c e s si se s t a b l i s h e db vd e f o r ms o f t w a r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a r r i e so nd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s s u c ha st e m p e r a t u r e so f c a v i t ya n dr a wm a t e r i a la n dr u ns p e e d n ec h a n g e so ft e m p e r a t u r e e f f e c t i v es t r e s sa n d e f f e c t i v es t r a i na r ea n a l y z e do nt h e s et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c o n t i n u o u se x t r u s i o nc a nb eu s e dt oa z 3 1m a g n e s i u ma l l o yw i f ef o r m i n g t h e 也i e k c a s ts t r u c t u r ei sd i s t o r t e dd i r e c t l yi n t ot i n ye q u i a x e dg r a i no r g a n i z a t i o n 弧ed e g r e eo fg r a i n r e f i n e m e n th a sr e l a t i o nw i t he x t r u s i o nr a t i o w h e ne x t r u s i o nr a t i oi n c r e a s e d t h eg r a i ns i z e d e c r e a s e d t h eu n i f o r m i t yo fg r a i ni n c r e a s e d n eg r a i ns i z ec a na c h i e v e 犁m w h e ne x t r u s i o n s p e e di n c r e a s e d t h eu n i f o r m i t yo fg r a i ns i z ei n c r e a s e d h i g l ls p e e dc a nm a k et h ed i s t o r t i o n t e m p e r a t u r ei n c r e a s q s ot h a ts o f t e na n du n i f o r mt h eo r g a n i z a t i o n i nc o m p a c t i o na r e a t h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h em e t a li si n c r e a s e dw i t hi n i t i a l t e m p e r a t u r e c a v i t y si n i t i a lt e m p e r a t u r ea n de x t r u s i o ns p e e da r en o to b v i o u s l yi n f l u e n c e d i n c u r v i n ge x t r u s i o na r e a t h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h em e t a li si n c r e a s e dw i t ht h ee x t r u s i o n s p e e di n c r e a s e d w h e ni n i t i a lt e m p e r a t u r eo ft h ec a v i t yi s3 0 0 t h em a x i m u mt e m p e r a t u r e o c c u r r e dn e a rt h eb l o c k w h e ni n i t i a lt e m p e r a t u r eo ft h ec a v i t yi s2 0 t h em a x i m u m t e m p e r a t u r eo c c u r r e da tt h ee n t r a n c eo ft h ed i e t h el a r g e s te f f e c t i v es t r e s sa n de f f e c t i v es t r a i n o c c u r r e db o t hi nt h ea r e aa b o v et h em e t a la d h e s i o na n de n t r a n c eo ft h ed i e k e yw o r d s c o n t i n u o u se x t r u s i o n a z 3 1m a g n e s i u ma l l o y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬銮通太堂有关保护知识产权及保 留 使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董交通太堂 本人保证毕业离校后 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档 允许论文被查 阅和借阅 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所 中国学位论文全文数据库 等相关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论 又 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者毕业后去向 2 e 作单位 通讯地址 电子信箱 如哆脚 仍 别 觫幺 s 好 导师签名 乞 v 日期 多年广月多9 日 电话 f 邸 占帖了搬 邮编 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外 论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 本人完全意识到本声明的法律效力 申请学位论文与资料若有不 实之处 由本人承担一切相关责任 学位论文作糍 袅往叛 魄羽7 每s 疑弓乞b 第一章绪论 1 1 镁及镁合金 第一章绪论 1 1 1 镁及镁合金的特点 在元素周期表中 镁的原子序数为1 2 属i i a 族金属 纯镁的密度为1 7 3 6 1 0 3 k g m 3 熔点为6 5 1 普通镁合金的密度为 1 3 1 9 1 0 3 k g m 3 最轻的镁合金 m 9 2 u 合 金 的密度仅为o 9 5 x1 0 3 k g m 3 镁的晶体结构为密排六方 h c p 结构 如图1 1 所示 这就限制了镁及镁合金在室温下成型 a l 码惯 b h y e r c h y c r c 图1 1 金属镁的晶体结构 f i g 1 1 u n i tc e l lc r y s t a lo fm a g n e s i u m 1 0 0 0 1 1 f i 2 0 i o l o 口l l o 窝惑剔1 篙 赢 鹩是 2 i i 0 i o l 0 1 镁及镁合金具有如下特点 1 密度小 镁的密度大约是铝的2 3 是铁的1 4 是目前最轻的金属结构材料 2 高比强度 高比刚度 3 传热能力强 导电性好 4 电磁屏蔽性能好 5 机械加工性能好 6 对振动 冲击的吸收性高 7 抗蠕变性能好 8 具有可再生性 易于回收 i i 2 镁合金的应用 镁合金是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三大金属结构材料 是目前可应用的最 轻的结构材料 具有铝和钢不可替代的性能 被广泛应用于航空 航天 汽车 计算机 通讯和家电等行业 被称之为 2 1 世纪绿色材料 大连交通大学t 学硕十学位论文 用镁合金制作汽车 飞机零件 可大大减轻重量 降低燃油消耗 提高效率 用镁 合金制造手机 笔记本电脑和一些家用电器的外壳 能显著增强产品的散热能力和抗震 能力 并能有效地减轻对人体和周围环境的电磁辐射危害 因此 世界上镁合金在汽车 和电子器材中的用量都在以2 0 的速度增长 这是近代金属工程材料中前所未有的i 升 尽管如此 镁合金尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金 限制镁 合金广泛应用的主要问题是 由于镁元素极为活泼 镁合金在熔炼和加工过程中极容易 氧化燃烧 因此 镁合金的生产难度很大 镁合金的生产技术还不成熟和完善 特别是 镁合金成形技术有待进一步发展 镁的电极电位较负 因而镁合金的耐蚀性较差 现有 工业镁合金的高温强度 蠕变性能较低 限制了镁合金在高n 0 5 0 c 3 5 0 c 场合的应 用 镁合金的常温力学性能 特另l 是强度和塑性有待进一步提高 镁合金的合金系列相 对很少 变形镁合金的研究开发严重滞后 不能适应不同应用场合的要求 1 1 3 国内外关于a z 3 1 镁合金成型工艺的进展 a z 3 1 镁合金是目前应用最广泛的变形镁合金 它具有较好的室温强度 良好的延 展性以及优良的抗大气腐蚀能力 由于a z 3 1 合金具有良好的强度和延展性 可以轧制 成薄板 厚板 挤压成棒材 管材 型材 加工成锻件 是一种最重要的商用镁合金 它主要是通过控制轧制 挤压或锻造等变形方式加工成形 并通过控制热处理状态来获 得需要的强度 塑性等力学性能 1 挤压成型 镁合金在室温下的塑性很低 延伸率只有4 5 所以 挤压加工是理想的方法 目前 镁合金管材 棒材 型材 带材主要采用挤压加工方法 由于液压机的行程速度 比较慢 可以保证镁合金挤压时有良好的变形速度条件 所以只要变形温度合适 不管 应力状态如何 镁合金都具有较高的塑性 在液压机上可以挤出所需形状 尺寸的挤压 件 镁合金的挤压工艺与其他金属类似 包括正向挤压和反向挤压 镁及镁合金的典型 挤压温度范围是3 0 0 4 0 0 2 挤压温度的高低取决于合金种类和挤压件形状 在挤压 时 为了减轻坯料与挤压筒及凹模之间的摩擦 防止黏模 降低摩擦力 有利于金属流 动 必须采用润滑剂 同时润滑剂还起到隔热的作用 从而提高模具寿命1 3 工件在挤 压成形过程中会生成大量的热量 从而必须充分散热 否贝i 会导致镁合金发生热裂 挤 压件脱模后 为了保持微细 均匀的显微组织 可采用强迫气冷或水冷进行淬火 挤压 具有细化晶粒的作用 同时能提高材料的强度和塑性 与其他方法相比其成形工艺简单 易于生产 且产品表面光洁度高 不必再进行打磨 2 第一章绪论 张青来等人 4 j 用工业生产的连铸a z 3 1 b 棒 经4 0 0 x 2 4 h 高温均匀化退火处理 在8 m n 卧式挤压机上挤压8 3 m m x 6 0 m m 板材和异型材 无裂纹 无烧损等缺陷 在高 温挤压过程中发生不完全动态再结晶 晶粒细小 呈等轴晶 他们为了开发生产a z 3 1 b 镁合金管材 在挤压筒温度2 5 0 3 5 0 0 镁棒温度3 2 0 3 8 0 模具预热温度3 0 0 3 8 0 挤压速度在o 5 1 5 m m i n 范围内进行了a z 3 1 b 镁合金分流挤压管材试验 用 分流挤压铝合金技术很难生产壁厚不大于1 2 r a m 的镁合金管材 无法避免管材表面烧 损 横向裂纹及挤压过程中出现 死机 现象 得出了分流挤压工艺可生产挤压比小于 4 5 壁厚大于1 5 r a m 的镁合金分流挤压管材 黄光胜等人 5 将a z 3 1 铸锭 棒材与型材铸锭尺寸为f1 0 8 m m x 2 5 0 m m 管材铸锭的 尺寸为伊1 1 7 m m f 3 5 m m x 2 6 0 m m 经4 0 0 c x l 2 h 的均匀化处理后 车外皮 进行热挤 压 其挤压温度为4 0 0 挤压速度为1 2 5 m m i n 挤压比为1 0 4 5 共挤出了1 1 种 规格的棒材 管材 型材 7 字型 槽型 角形 方形 t 形等 挤压出的棒材 管材 型材有较好的力学性能 抗拉强度s b 在2 7 5 2 8 5 m p a 之间 屈服强度s o 2 在2 2 0 2 2 5 m p a 之间 延伸率d 在1 5 1 7 之间 a z 3 1 b 镁合金在4 0 0 c 挤压时 发生了动 态再结晶 其挤压材的显微组织为细小的等轴晶 钟皓等人 6 j 用商用a z 3 1 镁合金f1 2 0 r a m 铸锭 施以了6 7 3 k x l o h 的均匀化处理 模具在7 0 3 k 下保温3 h 退火铸锭分别在6 2 3 k 6 4 3 k 下保温3 h 并在此温度下进行热 挤压 热铸锭被挤压成f1 0 r a m 的圆棒 6 2 3 k 温度下挤压后的材料分别采用空冷及风冷 两种方式冷却 6 4 3 k 温度下挤压后的采用风冷 得出了通过热挤压及由此产生的动态 再结晶 可显著细化a z 3 1 镁合金的晶粒 使得a z 3 1 镁合金的力学性能得到大幅度的 提高的结论 进一步说明a z 3 1 镁合金挤压后的组织及力学性能受挤压温度及冷却方式 的影响 柳瑞清等人 7 用a z 3 1 镁合金铸锭均匀化退火4 0 0 x 2 0 h 车皮后铸锭尺寸为 f8 2 m m x l 0 0 m m 实验在3 0 0 t 液压立式挤压机上进行 挤压筒直径为f8 5 m m 挤压温 度为4 0 0 分别采用空冷和水冷对挤出制品进行冷却 得出了在4 0 0 左右挤出的制 品具有良好的外观质量和较高的力学性能的结论 蔡薇等人 8 选用a z 3 1 b 镁合金铸锭 在3 0 0 t 立式挤压机上进行 挤压筒直径为 f8 5 r a m 考虑到镁合金加热后会膨胀 车皮后铸锭的尺寸为f8 2 m m x l 0 0 m m 分别选 择3 8 0 4 0 0 4 2 0 三组进行对比实验 冷却方式分为水冷和空冷 挤压速度设定 为1 0 2 5 m m i n 发现在3 8 0 和4 0 0 挤压出的试样无裂纹 无烧损 其表面质量良 好 而在4 2 0 挤压出的试样表面有微小裂纹 得出了a z 3 1 b 镁合金经4 0 0 x 2 0h 均 3 大连交通大学t 学硕士学位论文 匀化退火 在挤压温度3 8 0 4 0 0 挤压速度1 0 2 5 m m i n 工艺条件下 具有非常良 好的塑性 可挤压出复杂断面形状的型材 m u k a i 等 9 l 在3 5 0 c 条件下 将a z 3 1 镁合金铸锭按l o o 1 的挤压比进行大比率挤 压 其晶粒尺寸由1 跏m 细化5 a m 采用半连续铸造a z 3 1 镁合金在3 6 0 经过4 5 1 的挤压比 晶粒可以细化到1 0 2 a m 化 轧制成型 根据金属变形的主变形图 轧制属于两向延伸 一向压缩的主变形方式 因此轧制 不利于充分发挥镁合金的塑眭变形能力 一般针对合金化程度较低 塑性较高的镁合金 采用轧制工艺来生产板材 但对于有色金属材料制品而言 7 0 以上产品是板 带材 因此通过轧制获得变形镁合金板材是变形镁合金材料最重要的生产方式 1 0 1 由于密排六 方的镁变形能力有限 镁合金在室温轧制比较困难 为使锭坯获得较大的变形量和减少 裂纹的产生 轧制变形一般采用热轧工艺 1 1 l 根据合金成分的不同 热轧可以在3 0 0 4 5 0 之间进行 热轧时的道次压缩率应控制在1 0 3 0 之间 若变形过程中板料温 度降低 则需要重新加热 以保证热轧过程的进行 1 0 l 除热轧外 镁合金板材还可以进 行温轧或冷轧 但其变形量一般不大 而且冷轧的板坯一般经过热轧开坯或挤压开坯 使粗大的晶粒经过变形被破碎或发生再结晶获得细小晶粒 提高塑性变形能力后才冷轧 p 2 o 温度对镁合金轧制板材的性能影响很大 轧制温度较低时 由于应力集中会导致孪 晶形核和切变断裂 轧制温度过高时 晶粒易长大而使板材的热脆倾向提高 镁合金一 般在4 9 8 k 7 2 3 k 这个温度范围内轧制 在此温度区间和中等应变速率 0 3 s 1 条件下 易产生动态再结晶 而使轧制性能得至i j 改善 1 3 当温度达5 7 3 k 时 轧制态a z 3 1 镁合 金板材的各向异性基本消失 高温时 镁合金各向异性减弱的原因是由于温度升高激活 能增大而有更多的滑移系启动 以及板材发生再结晶综合作用的结果 这对镁合金板材 的二次成形 如深拉延等是极为有利的 镁合金板材在轧制后一般要进行退火处理 退 火后会发生再结晶 因此若要获得最高的常温力学性能 退火温度应靠近完全再结晶温 度范围内 退火温度过高会引起晶粒长大 降低材料性能 镁合金的再结晶温度取决于 压下量 热轧开始和终了温度 1 0 h o s o k w a 等 1 4 1 研究了轧制温度对a z 3 1 镁合金性能的影响 结果表明 当轧制温度 超过4 9 8 k 4 9 8 k 6 7 3 目时 压下量可达8 5 7 以上而不出现裂纹 而在4 7 3 k 以下轧制 时 成形性能差 易出现裂纹 但通过细化镁合金的晶粒度和优化加工率也可实现镁合 金的常温下塑性变形 4 第一章绪论 刘长瑞等 1 2 对通过挤压制取的a z 3 1 镁合金板坯 常温下轧制 结果表明 晶粒度 细化到1 毗m 以下 通过多道次 小道次加工率可实现镁合金的室温轧制 而且晶粒越 细 冷加工率越大 当晶粒细化到6 耻m 时镁合金的室温总加工率高达4 7 3 连续挤压成型 连续挤压用于a z 3 1 镁合金的连续挤压成型还很少有人研究 仅h u iz h a n g 等人 1 5 l 将直径为1 6 5 m m 的a z 3 1 镁合金铸锭进行机加工成f1 0 m m x 4 0 0 m m 的杆料采用i j 3 0 0 挤压机 挤压轮转速8 r m 轮槽温度3 5 0 生产出f8 m m 的杆 结果表明 连续挤压 出的杆件的晶粒比传统挤压的更均匀细化 对于a z 3 1 镁合金连续挤压 可能面临的问题是 a z 3 1 镁合金属密排六方晶格结构 在低于2 0 0 以下的温度范围内塑性较差 在高于4 5 0 时 由于镁合金极易氧化 不适 合塑性加工 因此对其塑性成型的温度 速度有严格的要求 传统挤压对于a z 3 1 镁合 金的成型工艺已经成熟 但是连续挤压有别于传统挤压 适合a z 3 1 镁合金连续挤压成 型的工艺参数目前还需要进一步探索 1 2 连续挤压技术 连续挤压技术 c o n t i n u o u se x t r u s i o nf o r m i n g 简称c o n f o r m 是1 9 7 1 年由英国原 子能管理局斯普林菲尔德实验室的格林 d 融e n 发明的1 1 棚 连续挤压技术是对传统生 产工艺的一次变革 1 2 1 连续挤压原理 连续挤压的工作原理如图1 2 所示 挤压轮的圆周上开设了一圈沟槽 轮子四分之 一左右的圆周同一个称为靴座的零件相吻合并保持一个很小的间隙 靴座上有一个断面 形状与轮槽一致的挡料块伸入轮槽内 当杆料毛坯送入轮槽内时 通过压实轮的作用 杆料在轮槽侧壁摩擦力的作用下被拽入轮槽 并随挤压轮的旋转向前运动 直到受到挡 料块的阻挡由切向运动变为径向运动进入挤压模腔 在摩擦力的作用下 坯料温度不断 升高 压力也不断增加 坯料便在挤压模腔内产生塑性变形 然后通过模具挤出 形成 各种实心或空心的产品 5 大连交通大学 学硕士学位论文 图1 2 连续挤压原理图 f i g 1 2c o n t i n u o u se x t r u s i o np r i n c i p l e 1 2 2 连续挤压的工艺特点 根据连续挤压的原理 可以看到具有如下工艺特点 1 挤压轮旋转时 挤压轮的槽底和两个侧壁与金属接触面上的摩擦力驱动金属挤 出模孔 而挡料块处于静止状态 在与金属接触面上的摩擦力则阻止金属向模孔流出 2 挤压轮的槽底和挡料块对金属的摩擦力可以近似的认为大小相同方向相反 相 互抵消 对挤压塑性变形功没有贡献 轮槽的两个侧壁上的摩擦力构成挤压变形所需的 挤压力 但是 由于挡料块处于静止状态 因而金属与挡料块之间的相对滑动量较大 使金属的温度升高 3 在挤压型腔中金属处于三向压应力状态 其应力从金属的中心向边部逐渐减小 与传统挤压相比 应力分布比较均匀 4 当挤压轮旋转时 在挤压轮槽底和两个侧壁附近区域 金属的挤压速度最快 金属的中心部分次之 而在挡料块附近区域 金属的挤压速度最慢 在挡料块至中心的 金属质点发生明显的相对滑动和剪切变形 与传统挤压相比较 挤压型腔中金属的挤压 速度分布也比较均匀 5 在挤压型腔内的挤压区中 金属呈现更为复杂的应力应变状态 承受高压和高 温的双重作用 挤压区中的金属一方面受到挤压轮轮槽和挡料块上摩擦力的作用 以及 粘着区的挤压力作用 产生大量的变形热和摩擦热 另一方面金属发生沿挤压轮径向挤 入挤压模腔 沿切向挤入挤压轮和挡料块间隙 沿轴向挤入挤压轮和腔体间隙的流动 6 第一章绪论 金属沿切向和轴向流动 是塑性变形区增大 死区减小 在挤压轮和挡料块 腔体间隙 中产生大量的摩擦热 同时在轮槽和挡料块间隙附近出现了拉应力 这一拉应力有利于 金属内部及死区内夹杂物通过间隙排出 因而有利于提高挤压制品的内部质量 金属沿径向流动 形成剧烈的剪切变形带 伴随有大量的热变形 并使金属流动更 均匀 从而提高金属的塑性变形能力 6 在挤压型腔变形区 金属的流动状态类似于传统正挤压 但是由于连续挤压工 艺具有连续向挤压模腔中充填金属的特性 挤压模腔变形区可呈扩展形状 金属在挤压 模腔内进行镦粗变形 提高了金属流动的均匀性 有效地改善挤压制品的横向性能 通 话四显著降低挤压力 1 2 3 连续挤压工艺的优点 与传统挤压相比 连续挤压成型主要具有以下特点 1 能耗低 常规挤压过程3 0 以上的能量消耗于克服挤压筒壁上的有害摩擦 而 连续挤压正是利用挤压型腔与坯料间的机械摩擦 因此仅挤压过程本身的能耗就可以比 常规挤压降低 同时 由于摩擦生热 加上塑性变形热 二者的共同作用可使挤压坯料 的温升达到很高的值 对于一些塑性好的金属挤压前无需加热 可以省去坯料加热装置 大大降低电耗 2 可以实现真正意义上的无间断连续生产 连续挤压只要连续喂料 便可连续挤 压出长度达到数千米 甚至数万米长的成卷制品 而且由于无挤压压余 切头切尾量很 少 因此材料的利用率很高 一般可达9 5 以上 此外 由于挤压过程稳定 制品的组 织 性能的均匀性也很好 3 适用范围比较广泛 坯料的形状既可以是实心盘杆 也可以是金属颗粒或粉末 还可以直接使用熔融金属 坯料的种类可以是铝及软铝合金 铜及部分铜合金等 从产 品上来看 产品的种类包括管材 线材 棒材 型材 以及以铝包钢丝为典型代表的包 覆线材等 4 设备紧凑 占地少 设备及厂房建设投资少 运行成本低 弘1 9 l 1 2 4 连续挤压工艺在国内外的发展 虽然连续挤压技术问世以来经历的时间不长 技术的理论研究还不尽系统完善 但 仍有国内外诸多学者在局部范围内进行了分析研究 并取得了一定的研究成果 c e t h e r i n g t o n h k s l a t e r j t i r o s h ds h a r p e r m b r i d g e w a t e d j h a w k e s c t r e a d w e l l t a t s u x at o n o g i 张辉 宋宝韫 刘元文 牛玉英等 2 0 3 5 1 对铜铝连续挤压及 包覆技术的理论 工艺及应用等作了研究 对连续挤压技术的推动发展提供了重要理论 7 大连交通大学工学硕七学位论文 支持 d s p e n g 张新宇 贺幼良 高飞 宋宝韫等 3 6 删采用实验方法对连续挤压过程 中金属的变形行为 流动特性 应变场 以及变形温度和挤压轮转速等对连续挤压包覆 过程的影响作了分析 3 e o r g yj r a a b 等 4 1 利用e c a p c o n f o r m 连续挤压法挤压超细晶 铝 将剧烈剪切变形 s p d 技术与等径角挤压法 e c a p 相结合 获得极其细小的超细晶 u f g 材料 1 3 有限元数值模拟技术 1 3 1 有限元数值模拟技术概述 数值模拟在塑性成形技术中的应用主要基于2 0 世纪8 0 年代发展起来的有限单元数 值计算方法 通过数值模拟 可以回答经验设计时无法回答的问题 了解金属塑性成形 的全过程 包括金属成形过程中各阶段材料的填充情况 材料变形的趋势 材料内部的 应力 应变 应变速率 成形载荷及速度矢量场 这对金属塑性成形工艺设计 模具设 计 金属毛坯的设计 压力机的选择以及成形质量的控制等具有很大的现实意义 4 孤 有限元数值模拟技术与其他塑性成形模拟技术相比 功能最强 精度最高 解决问 题的范围最广 它可以采用不同形状 不同大小和不同类型的单元离散任意形状的变形 体 适用于任意速度边界条件 能够模拟整个金属成形过程的流动规律 获得变形过程 任意时刻的力学信息和流动信息 如应力场 应变场 速度场 温度场以及预测缺陷的 形成 可以方便地处理分析模具形状 坯料与模具之间的摩擦 材料的硬化效应 速度 敏感性以及温度等多种工艺因素对塑性成形过程的影响 有限元数值模拟技术和金属塑性成形技术相辅相成 互相促进各自的发展 塑性成 形理论 材料加工工艺和实验过程分析等方面的发展为有限元模拟技术的研究提供了手 段和基础 推动了塑性有限元软件的应用和发展 有限元数值模拟技术在金属塑性成形 中的应用为创新产品种类 丰富塑性加工技术提供了有效条件 目前在国外已有不少塑 性有限元模拟软件推出 并在许多国家的研究部门和生产企业中得到应用 如 d e f o r m a b a q u s i d e a s m a r c a d i n a 等等 由于金属塑性成形过程是一个影响因素复杂的非线性变形过程 有限元数值模拟技 术本身还有待进一步完善与研究 如考虑金属材料微观 亚微观结构对成形的影响及其 本构方程的研究 三维网格系统重构技术的研究 成形过程摩擦与润滑机理及其理论模 型的研究 可视化技术的研究等都有待展开 总之 要想更加全面 更加深入地揭示金 属塑性成形过程的特性和行为 就必须将宏观数学 力学理论同金属的微观 亚微观理 论联系起来 同计算机图形技术结合起来 同金属塑性成形工艺学有机地结合起来 只 8 第一章绪论 有依靠各个学科的相互交叉渗透 才能使金属塑性成形过程数值模拟技术进入一个高 效 实用的新阶段 2 1 3 2 国内外关于连续挤压过程数值模拟技术的进展 t r e i n i k a i n e n 彭颖红 陈莉 谢玲玲 刘彬 贺幼良 赵颖等 4 3 5 3 采用三维刚塑 性有限元方法分别对铜铝连续挤压变形过程进行了数值模拟 得到了金属变形过程的应 力 应变和温度场分布规律 分析了金属流动通道长短 模具安装位置 安装阻流环和 设置促流孔等对金属流动速度差和挤压力大小的影响 y p e n g j r c h o 等 5 6 应用数 值模拟对连续挤压制品表面缺陷的原因进行了分析研究 y h k i m 等1 5 7 j 对c o n f o r m 连续挤压程序设计进行了研究 分析了不同参数对c o n f o r m 连续挤压的影响 j l u 等 5 8 1 对a a 6 0 6 1 合金连续挤压过程数值模拟进行研究 分析了流动速度 温度 有效应 力和有效应变等参数对6 0 6 1 合金连续挤压过程的影响 y h k i m 等1 5 9 1 利用上界法对 c o n f o r m 连续挤压成型过程进行了研究和分析 计算了在稳定状态下c o n f o r m 连 续挤压成型过程中需要的挤压力 j r c h o 等1 6 06 1 l 利用三维有限元分析法对c o n f o r m 连续挤压成型过程中的弯曲现象进行了研究 通过实验获得了最佳的挤压轮的转速 临 界高度和间隙尺寸等参数 1 4 本课题研究的目的 内容和技术路线 1 4 1 研究目的 随着连续挤压成型技术日益广泛的应用和人们对a z 3 1 镁合金线材产品需求的增 加 利用连续挤压成型技术生产a z 3 1 镁合金线材不失为一种明智的结合 产品的性能 是人们关注的焦点 产品成型的工艺条件是连续挤压生产a z 3 1 镁合金线材的核心问题 本课题的研究目的就是制定出一系列a z 3 1 镁合金线材连续挤压成型的工艺参数 并分 析在不同工艺参数条件下产品的组织和力学性能 结合d e f o r m 有限元软件进行a z 3 1 镁合金连续挤压过程模拟 通过分析金属在 变形的各个阶段温度 等效应力 等效应变等性能在不同阶段的变化 找出a z 3 1 镁合 金连续挤压成型的特点 为a z 3 1 镁合金连续挤压工艺和模具设计制造提供参考数据 对解决目前的研究推广问题 缩短新产品 新工艺的开发时间 降低研究成本 提高产 品质量都是很有意义的 1 4 2 研究内容 本课题研究的内容主要有以下几个方面 1 对铸态a z 3 1 镁合金进行不同方案的连续挤压试验 大连交通大学工学硕十学位论文 2 对不同方案的产品进行组织和力学性能分析 从而进一步认识和解决挤压过程中 成形规律 缺陷发生原因 工艺参数的制定等 3 利用d e f o r m 软件对没有进行的工艺实验进行数值模拟 找出工艺参数对连续 挤压过程金属坯料温度 等效应力应变的影响 对课题的延续提供帮助 1 4 3 技术路线 本课题采用工艺实验与模拟实验相结合的技术路线 具体研究流程如下图1 3 所示 具体的研究方法将在下面各节中详述 1 5 本章小结 图1 3 连续挤压变形研究方案技术路线图 f i g1 3t e c h n i c a lr o u t eo f c o n t i n u o u se x t r u s i o ne x p e r i m e n t 本章对镁及镁合金的特点及应用做了简述 介绍了连续挤压技术的原理 工艺特点 及优点 有限元数值模拟技术 概述了国内外a z 3 1 镁合金成型工艺的进展 连续挤压 技术以及连续挤压过程数值模拟技术在国内外的发展 明确了本课题研究的目的 内容 和技术路线 1 0 第二章试验材料与方法 第二章试验材料与方法 2 1 试验材料 本实验采用a z 3 1 镁合金铸杆 f8x2 8 0 m m 其化学成分为 表2 1a z 3 1 镁合金铸锭的化学成分 叭 t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fz 3 1m a g n e s i u m 材质 m g a iz nm nf es in ic u a 2 3 1余量2 9 5 3 90 8 0 5 80 3 4 9 30 0 0 2 20 0 1 1 0o 0 0 0 60 0 0 2 5 型号为s x 1 2 1 0 的箱式电阻炉一台 用于坯料和腔体模具加热 2 5 0 型连续挤压机 截面尺寸为f 7 m m f 5 m m 的圆形模具 2 2 试验方法 先对坯料 腔体和模具进行加热 加热温度为4 8 0 保温3 0 分钟 f 7 m m 产品的 挤压轮转速分别为1 2 r p m 2 0 r p m 3 0 r p m f 5 m m 产品的挤压轮转速分别为1 0 r p m 2 0 r p m 3 0 r p m 4 0 r p m 产品空冷 金相试样腐蚀采用5 9 苦味酸 5 0 m l 无水乙醇 2 0 m l 乙酸 2 0 m l 水混合酸溶液腐蚀 液 采用奥林巴斯金相显微镜金相显微观察组织 针对f 5 m m 的产品进行拉伸性能测试 拉伸试样依据国标g b 厂r 1 6 8 6 5 1 9 9 7 变形 铝 镁及其合金加工制品拉伸试验用试样 制备 图2 1 i 弋肼 一 一i d 曩i 一 己i 5 一i 6 一 一 7 2 图2 1 拉伸试样 f i g 2 1t e n s i l es a m p l e 常温拉伸试验在w d w 一1 0 0 拉伸试验机上沿挤压方向进行 实验时设定横梁运动速 度为0 5 m m m i n 大连交通大学丁学硕士学位论文 第三章a z 31 镁合金连续挤压试验研究 对铸态a z 3 1 镁合金连续挤压变形前后的显微组织进行对比分析 观察了a z 3 1 镁 合金在连续挤变形区及产品横截面的显微组织变化 对a z 3 1 镁合金的连续挤压变形行 为进行研究 利用传统的力学性能测定方法测定了不同条件下连续挤压变形后a 2 3 1 镁 合金的强度 延伸率 通过组织观察和性能测试 探讨了连续挤压前后组织和性能的变 化规律 结合连续挤压工艺参数 讨论了影响a z 3 1 镁合金组织性能的因素 实验过程中测得的温度和电流的数值如表3 1 所示 表3 1 实验数据 t a b l e3 1e x p e r i m e n t a ld a t a 编号 挤压轮转速r p m 温度 电流a f 7 11 21 8 83 0 f 7 22 o1 8 03 0 f 7 33 02 1 93 0 f 5 1 1 01 9 04 0 f 5 22 o2 1 43 5 f 5 3 3 02 3 8 3 3 f 5 44 02 5 03 0 可以看出 随着挤压轮转速的提高 测试区的温度有上升的趋势 电流有下降的趋势 3 1 组织分析 3 1 1 原材料组织 图3 1 为试样挤压前的铸态组织 由图可以看出 基体组织晶粒粗大 直径约为 5 0 m a m g 基体的晶界处以不连续网状形态上分布着a m g 与6 m 9 1 7 a 1 1 2 的离异共晶 体组织 根据m g a i 二元合金的平衡相图 m g a i 合金在4 3 7 c 将发生由液相转变为 a m g 和1 3 m 9 1 棚1 2 的共晶反应 共晶点成分含3 2 3 的m 在4 3 7 c 共晶反应温度处 砧在m g 中的溶解度达到最大 随着温度下降溶解度降低 越在m g 中的最大溶解度降 低 1 0 0 时降为2 a z 3 1 镁合金中砧含量约为3 固 液两相区的温度范围较大 由于a m g 是密排六方结构 使得合金元素在a m g 基体中固溶率低 容易发生非平衡 凝固而形成离异共晶体组织 共晶体组织中的b m g l 7 a 1 1 2 相分布在共晶体中先析出的 a m g 相的晶粒边界上 1 2 结论 斟32 企心流线分砧小意吲 f i g32s c h e m a t i c d i s t r i b u t i o no f t h e m e l a l f l o w l i n e s 图3 3 腔体内金属纵截面组织 f 幢33 m i c r o s t r u c l n r e s o f l o n g i t u d i n a ls e c t i o n o f t h e m e t a l i nc a v i t y 图34 是腔体内各区域和挤出后相应区域内的组织状态情况 可见 在腔体内 位于 上部和下部的会属流线致密 流动变形剧烈 变形程度大 图3 4 a d 在中部 金属流 线相大 晶粒的完整程度较好f 图34 b c 表明变形程度要明显小于边部 当金属挤出 腔体后 由于再结品的作用 变形组织得到进一步的恢复 比较挤出后各部分的组织状 态可见 在边缘处的组织 流线致密 表明具有细小的品粒组织 图34 e 0 这种细