c6钛合金筒形件反挤压过程数值分析

c6钛合金筒形件反挤压过程数值分析

钛粉为t6-它是一种含糊不清、强钛和黄金的复合金。具有强度高、耐腐蚀性好、耐高低温等特点。可在400440下使用长期保险，广泛应用于航空、航空航天、国防、汽车等领域。虽然国内外学者对TC6钛合金的锻造成形工艺和性能开展了大量的研究工作。但关于TC6的反挤压工艺研究较少,而钛合金热导率低,其挤压热变形比铜合金、铝合金等挤压变形过程复杂。本文基于刚塑性有限元理论和DEFORM3D软件,建立了筒形件反挤压过程热—力耦合有限元分析模型,研究了TC6合金筒形件反挤压过程中温度、挤压速度、摩擦等工艺参数对载荷变化以及应力、应变场分布规律,本研究对TC6钛合金反挤压工艺参数优化和实际生产具有一定的理论指导意义。1初步建模理论与建模1.1初始速度场的选择刚塑性材料的变分原理是有限元法求解的理论基础,它依据能量泛函取驻值时的真实速度场求解场变量,Markov变分原理可表述为:设变形体的体积为V、表面积为S,在力面S取得极小值所得的速度场则为满足要求的精确解刚塑性有限元计算需要选择初始速度场,在选择初始速度场时,速度边界条件容易满足,而体积不可压缩条件则比较难以满足。对于体积不可压缩条件,常见的处理方法有Lagrange乘子法、罚函数法和体积不可压缩法。本文采用Lagrange乘子法求解反挤压变形过程,Lagrange乘子法是用附加的Lagrange乘子λ,将体积不可压缩条件引入泛函式(1),然后求泛函的一阶变分等于零从而寻求真实应力分布。1.2有限元模型建立筒形件具有轴对称性,因而采用1/4坯料进行建模分析。反挤压过程属于金属体积大变形,因而网格容易发生畸变,为提高计算精度,采用网格局部重划分技术。建立的有限元模型如图1所示。有限元模型的单元数为52934,节点数为10989。数值计算中采用的其它参数为:模具预热温度300℃;环境温度为20℃;凸模速度为1、10、50mm/s;摩擦因子为0.1、0.3、0.5;变形温度为850、900、950℃。2结果与讨论2.1局部网格划分大、变形大模型反挤压结束后网格如图2所示。由图可以看出,虽然反挤压过程是大变形过程,金属体积转移量大,但由于采取了局部网格重新划分技术,变形后网格分布较为均匀,没有出现折叠和撕裂。坯料中心轴向特征点P1、P2、P3(图1)发生轴向变形,坯料中心区域特征点P4发生轴向和径向变形,特征点P7变形量最大,而特征点P5的金属直接转移到筒壁顶端,变形量最小。2.2稳态变形初始阶段不同挤压参数下反挤压过程载荷—位移曲线如图3所示。由图可以看出,各种工艺条件下的载荷—位移曲线分布趋势基本相同,变形过程大概可分为三个阶段:接触阶段、初始变形阶段、稳定变形阶段。接触阶段凸模下行与坯料接触,坯料在凸、凹模之间充分接触和定位,该阶段坯料变形量极小,载荷增加缓慢;随着凸模继续下行,金属试件开始发生变形,由于需要克服点阵阻力和加工硬化的作用,所需的载荷急剧增加,即为变形的初始阶段;变形发生后,由于变形温度较高,因而发生动态回复和动态再结晶使其变形抗力减小,软化过程和加工硬化过程几乎平衡,变形进入稳定阶段,载荷变化幅度不大,即为变形稳定阶段;稳定变形阶段后期,由于坯料与凹模接触面积增加较多,摩擦力阻力增大,载荷又略有增加。由图3(a)可以看出,随着摩擦增加,稳态变形时挤压力增加,摩擦因子越大,稳定变形后期挤压力增加愈明显;摩擦因子为0.5时,稳态变形初始阶段挤压力约为1.1MN,相比摩擦因子0.1和0.3增加了0.3和0.1,由于摩擦热效应,变形过程抗力降低使其继续增加对稳态变形挤压力增加影响减弱。由图3(b)可以看出,当凸模速度较小时,稳态变形载荷约为0.9MN;随着凸模速度增加,软化速度小于加工硬化速度使其挤压载荷增加;当凸模速度较大(50mm/s)时挤压力又反而降低,这主要是由于瞬态热效应使金属变形过程软化速度大于硬化速度。由图3(c)可以看出,挤压载荷随着温度的升高而降低,相比摩擦和变形速度,在热传导和接触换热作用下,温度易于趋于一致,因而温度对稳定变形阶段后期的挤压载荷影响较小。2.3圆角和筒壁变形特点图4所示为不同工艺参数条件下的等效应力分布。由图可以看出,整个变形过程,应力没有发生明显的应力集中,变形结束后,等效应力主要集中在坯料底部和凸凹模圆角处,而筒壁部分在变形结束后的应力值较小,表明变形主要是圆角部位的剪切变形和底部的压缩变形。随着摩擦增加,底部中心粘着区增加,圆角部位应力分布梯度增加;凸模变形速度较小时,圆角和筒壁区域应力分布梯度较大,底部应力分布梯度较小,较小的凸模变形速度有利于压缩变形,不利于剪切变形;随着变形温度升高,圆角部位应变梯度先减少后增加。2.4凸模下行温度和等效应变图5所示为不同工艺参数下等效应变分布。由图可以看出,不同工艺参数条件下,等效应变分布规律基本相同,筒壁顶端金属位于自由变形区,没有产生明显塑性变形和加工硬化,应变值达不到所需要求,造成筒形壁轴向变形不均匀;凸模圆角部位金属发生较大的转移和塑性变形,在剪切和摩擦作用下应变值最大;底部金属内外侧均受到挤压和模具接触摩擦作用,应变值位于中间,而底部中心金属受到摩擦作用属于粘着区,变形较小。由图5(a)~(c)可知,随着摩擦因子增加,筒壁轴向分布梯度增加,厚度方向应变分布梯度减小,摩擦因子过大时,应变分布梯度明显增加,变形不均匀。由图4(d)、(b)、(e)可以看出,凸模下行速度对变形均匀性影响较为复杂,一方面随着凸模速度增加,瞬间热效应增加,从而使金属流动性增强,有利于变形均匀性;另一方面由于摩擦作用使内外层金属流动速度差值增加,而且变形速度增加有可能使动态再结晶不能顺利完成,反而不利于均匀变形。由图5(f)、(b)、(g)可知,整体等效应变分布梯度较小,适合均匀性变形,主要原因是变形温度过低时,由于模具和坯料之间换热作用使部分区域动态再结晶不能完全进行,而温度较高时,部分区域容易发生动态再结晶后的晶粒长大。各特征点(图2)等效应变随时间变化曲线如图6所示。由图可知,凸模下行与坯料接触,此时坯料没有变形,随着凸模继续下行,坯料底部边缘区域(P7)在凸、凹模作用下首先产生微小变形,然后随着变形量增加,该区域应变值一直增加,直到变形终了阶段,应变趋于平稳,该区域产生较大的剪切变形,累积应变较大,组织性能较好;变形进行的初始阶段,坯料边缘的中心区域(P6)应变值急剧增加,金属转移进入筒壁后,应变值基本不发生变化,不产生进一步塑性变形;坯料顶部边缘(P5)开始进行变形时,发生微小应变,然后进入凸、凹模间隙,不产生塑性变形,组织性能较差。坯料中心区域上下表面(P1、P3)处于粘着区,发生压缩变形,由于摩擦存在,变形量较小,而中心区域(P2、P4)属于易变形区,应变较大。3筒壁变形规律(1)基于三维刚塑性有限元热—力耦合模型和局部网格重划分技术,分析了TC6钛合金筒形件不同工艺参数下载荷变化和应力应变分布规律,变形后网格分布较为均匀。由于摩擦作用坯料轴心上下表面属于难变形区,金属主要产生轴向压缩变形,坯料径向中心区域属于易变形区,金属发生轴向和径向压缩变形,坯料边缘金属属于自由变形区,特别是边缘底部金属变形量最大。(2)反挤压变形分为三个阶段:接触阶段、初始变形阶段、稳定变形阶段。接触阶段坯料变形量极小,载荷增加缓慢,变形的初始阶段载荷急剧增加,变形发生后,动态回复和动态再结晶使其变形抗力减小,软化过程和加工硬化过程几乎平衡,变形进入稳定阶段,载荷变化幅度不大。摩擦因子和凸模速度增加以及温度降低使得稳定变形阶(下转第103页)(上接第100页)段增加,当变形速度过大时,瞬态热效应显著,反而导致载荷降低。(3)等效应力主要集中在坯料底部和凸、凹模圆角处,而筒壁部分变形结束后的应力值较小,整个变形过程,应力没有发生明显的应力集中。不同工艺参数条件下,等效应变分布规律基本相同,筒壁顶端金属位于自由