AZ31镁合金管材挤压过程的数值模拟used

1、锻压技术2005年第2期计算机应用A Z31镁合金管材挤压过程的数值模拟3夏巨谌33王新云程俊伟胡国安(华中科技大学模具技术国家重点实验室, 湖北武汉430074摘要:采用G leeble1500热模拟机对于不同温度和变形速率下的AZ31镁合金的变形性能进行了研究。通过实验得到真实应力的关系式及真实应变关系式, 进而得到真实应力-应变曲线。以此为基础, 采用DEFORM 23D 软件, 对不同壁厚管材的成形的过程进行模拟, 发现在挤压时, 管材内壁的金属比外壁的金属流动快, 挤压筒与圆锥面过渡处的等效应变值最大等现象, 分析了产生的原因, 并通过工艺试验验证了模拟分析的正确性。关键词:AZ31

2、镁合金; 管材; 挤压过程; 数值模拟中图分类号:TG 379文献标识码:A 文章编号:3940Numerical simulation of of tubesXIA , w ei , HU G uo 2an(of , Huazhong University of Science &T echnology ,Wuhan Hubei 430074China Abstract :The rheology performance of AZ31magnesium alloy under different temperature ranges and at differentforming rate

3、s is explored in the experiments using G leeble1500thermo 2simulator. Through the experiment , the rela 2tion formula of real stress , real strain and the curve of stress and strain are achieved. Based on this , using DEFORM 23D software , the simulation of tube forming process of different wall thi

4、ckness are carried out. It is found that the met 2al flow of the inner wall is faster than that of the outer wall during the tube extrusion and the equivalent strain value is the biggest at transition place from the extruded section to taper face. The correctness of simulating analysis is verified b

5、y analyzing the reason and through the process experiment.K eyw ords :AZ31magnesium alloy ; tubes ; extrusion process ; numerical simulation1A Z31镁合金力学模型的建立力学模型即本构关系是金属塑性加工有限元模3高等学校博士点学科专项科研基金资助课题(20010487002 33男, 63岁, 教授博导收稿日期:2004204206拟的前提条件。在应用D EFORM 23D 塑性有限元软件对A Z31镁合金成形过程进行数值模拟前, 要对A Z31镁合金的

6、材料属性进行描述, 由于D EFORM 23D 塑性有限元软件的材料库中尚无这种材料, 所以首先要建立AZ31镁合金的力学模型1, 2。111研究方法采用Gleeble1500热力学模拟试验机对不同可通过正交试验法来构造变量组, 减少有限元仿真次数, 通过分析较少的变量组而尽快地找到较佳的甚至是最佳的模具机构参数和变形工艺参数组合, 从而实现模具结构优化。参考文献:1吴诗工业出版社, 199315廖永平, 严宇1正交试验法在机械工业中的应用M 1北京:中国农业机械出版社, 198416正交试验法编写组1正交试验法M 1北京:国防工业出版社, 197617Duggirala R , Shivpu

7、ri R , K ini S , Ghosh S , Roy S 1Computeraided approach for design and optimization of cold forging se 21冷温挤压技术M1北京:国防工业出版社, 19951quences for automotive part s J1Journal of Materials Pro 2cessing Technology , 1994, 46(12 :18519818Roy S , Ghosh S , Shivpuri R 1A new approach to optimal de 2sign of m

8、ulti 2stage metal forming processes wit h micro genetic algorit hms J1International Journal of Machine Tools and Manufact ure , 1997, 37(1 :294412张质良1温塑性成形技术M 1上海:上海科学技术文献出版社, 198613林新波1基于特征的精密冷温锻工艺智能设计系统关键技术研究D 1上海交通大学博士学位论文, 200314中国机械工程学会锻压学会编1锻压手册M 1北京:机械49温度和变形速率下A Z31镁合金变形性进行研究。根据该设备的功能, 可以将其分

9、为3个系统:计算机控制系统、热控制系统以及力学控制系统。用计算机可实现两个闭环控制, 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荷、位移、应力及应变等进行实时检测。实验用材料为A Z31镁合金(国内标准MB2 , 化学成分为:215%315%Al; 0115%015%Mn; 016%114%Zn; 0105%Camax ; 01005%Nimax ; 01005%Femax ; 011%Si max ; 其他总量013%max ; 余量为Mg 。式中S 试样瞬时平均截面面积(mm 2 ;h 0试样原始高度(

10、mm ; h 压头位移(mm ; p 形变抗力(N ; 真应力(M Pa 真应变。经上述换算, 可得到如图2所示的真实应力应变曲线 , 其中真实应变值为实际值的绝对值。由于存在形状效应, 试样一般选取高径比小于115, 此时对实际单向抗压强度的影响最小选择试样的原始高度H 0为D 010mm , 1015mm 的凹坑, 1图2AZ 31镁合金在不同温度下的真实应力应变曲线(=0101s -1Fig 12Stress vs 1strain curves of AZ31at different temperature(2 变形速率对A Z31镁合金变形性的影响在变形温度恒定为380时, 在不同的变

11、形速率下进行压缩实验, 同样可以得到试样的变形抗力p 与压头位移h 之间的关系曲线, 经上述公式变换可得到真实应力 应变曲线如图3所示。图1试样示意图Fig 11Schematic drawing of simple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, 以尽量减少端面摩擦力对真实应力的影响。实验变形温度区间为360440, 变形速率为0101011s -1, 应变小于017。112真实应力应变关系(力学模型 的建立(1 变形温度对AZ31镁合金变形性的影响1图3AZ 31镁合金在不同的变形速率下的

12、应力应变曲线(T =380Fig 13Stress vs 1strain of AZ31at different extrusion rate2管材挤压过程的数植模拟211有限元几何模型的建立在变形速率恒定为0101s-1时, 在不同的变形温度在Pro/e 三维造型软件中分别建立工件、凸模和凹模的三维实体模型, 并保存为STL 或者IGES文件格式, 通过D EFORM 23D 前置处理器中的模型输入接口得到有限元软件中的三维实体模型。由于不考虑凸模和凹模的受力和变形情况, 故把凸模和凹模定义为刚性体, 把工件定义为塑性体。其运动关系定义为凹模静止不动, 凸模为主动件(Primary Die

13、, 工件视为从动件(Slave 。如图4、5所示。下进行压缩实验, 可得到试样的变形抗力p 与压头位移h 之间的关系曲线, 经变换可得到真实应力-应变曲线, 变换如下:试样瞬时平均截面面积:2S =r h 0/(h 0-h 瞬时的真实应力: =918p/S 瞬时的真实应变: =ln h 0-h /h 050(1 (2 (3 图4工件的网格划分Fig 14Deformed mess of t he simple图6AZ31镁合金管材挤压成形时金属流动速度场Fig 16Distribution of speed t he extrusion process图5模拟用几何模型Fig 15。图6给出了

14、, 从图7a 到图7f 表示压下行程不断增加的应变分布情况。当挤压进行到图7a 时, 应变分布主要集中在挤压筒内壁与圆锥面结合处; 当挤压进行到图7b 时即金属进入到凹模模口时, 应变分布扩大, 其等效应变值也增大; 当挤压进行到图7c 时, 即金属即将流出凹模模口, 其等效应变分布于凹模模壁与圆锥面结合处分布, 等效应变值增大; 随着挤压继续进行, 其等效应变分布将进一步扩大, 等效应变值也将进一步的增大, 如图7d 、e 、f 所示。212物理模型、成形温度、凹模和工件之间的摩擦规律等方面。坯料的材料特性主要就是定义其本构关系, 在这里采用AZ31镁合金的本构关系。凹模和工件、工件和凸模之

15、间的摩擦关系采用剪切摩擦模型:(4 f =m f k 式中f 摩擦力;m f 摩擦因子; k 材料的剪切屈服应力213结果分析(1 管材挤压过程的虚拟速度场图5所示为AZ31镁合金管材挤压成形时金属流动速度场的数值模拟结果, 从图6a 图6e 分别是压下行程不断增加时的金属流动速度场。其挤压过程是:工件首先被挤压进入凹模的圆锥面, 金属流动速度场如图6a 所示; 挤压继续进行, 金属流动进入到凹模模口, 金属流动速度增大如图6b 所示; 金属即将流出凹模模口时的速度场如图6c 所示, 其流动速度进一步增大; 金属流出凹模模口时的速度场分布如图6d 所示, 此时金属流动速度达到最大并保持稳定到变

16、形结束, 见图6e 。从图中我们还可以看到, 管内壁图7AZ31镁合金管材挤压成形时等效应变场Fig 17Distribution of the effective strain during the extrusion process(3 管材挤压过程的等效应力场图8给出了AZ31镁合金挤压成形过程中等效应力场的数值模拟结果, 从图8a 图8h 分别表示压下行程不断增加的应力分布情况。由于凸凹模与工件之间存在摩擦力, 等效应变从工件外层到内壁逐渐减小如图8a 所示; 当挤压进行到图8b 、c 时,51由于在挤压筒圆锥过渡面形成“死区”, 同时由于金 属内壁流动速度快, 造成管材外壁与凹模模壁

17、产生脱离的趋势, 因此变形金属与凹模壁间的接触摩擦变得很小甚至为零, 故不存在等效应力的分布; 当挤压继续进行, 金属流出凹模模腔, 由于金属流动速度大于凸模下压速度, 因此在凸模与管材内壁存在摩擦力, 故等效应力主要沿管材内壁分布, 如图8d 、e 、f 、g 、h , 其等效应力最大值为112M Pa ,小于其强度应力214M Pa , 故能保持稳定b (b n 变形。3管材挤压工艺试验作者设计了AZ31镁合金圆形管材试样, 其外径D =12mm , 壁厚分别为016, 018, 110和112(mm 。设计制造了相应的挤压试验模具。试验设备为1000kN 油压机, 挤压速V =12mm/

18、s , 所得管材试样如图9所示 。图9AZ31镁合金管材试样Fig 19Tube simples of AZ31图10给出了成形实验和数值模拟计算得到的力-行程曲线, 从图中我们可以看到实验结果和数值模拟计算结果都能真实反映A Z31镁合金管材挤压成形的变化过程。实验结果和数值模拟结果大小上存在一定的差异, 这主要是由于在设定模拟计算时剪切摩擦系数值比实际摩擦系数偏大的原因造成 。图10数值模拟和实验结果的力行程曲线Fig 110Comparison of forming 2load vs 1stroke curve for t he simulation and experiment in t he