连续变截面挤压成形数值模拟研究

连续变截面挤压成形数值模拟研究

轻量化是航空航天、汽车、武器等领域节能减排的首选之一。实现方法主要通过材料和结构。采用高性能轻结构材料是制造这些零件的理想方法，但其强度和性能很难满足高应用要求。如果采用塑料薄膜加工方法进行加工，其颗粒的质量比以前有明显改善。然而，现有的方法存在明显的不足。例如，等通道旋转压平法（ceap）制备的材料具有明显的编织结构方向，因此轴向和径向方向是各向的异向性。在复压法（re）中制作样品时，由于长径大，界面容易折叠，导致材料恶化。累积压平法（arb）的表面处理和制造要求条件较高，导致焊接不良、混合等缺陷。针对上述问题,本文提出了能够实现金属材料制备及成形一体化的挤压成形新方法——连续变截面直接挤压成形技术,并对挤压成形过程的受力状态、流线分布和成形载荷等规律性特征进行了深入研究.1工艺原理和研究计划1.1压-再粗连续变截面直接挤压成形法是在挤出模口前增设一定数量的芯模,即可形成一个连续变化的变曲率挤压型腔面,工艺原理如图1所示.在冲头施加载荷作用下,金属流经变曲率型腔时,先后发生多次先镦粗-后挤压-再镦粗等连续大塑性变形,并最终被挤出成形.与传统挤压相比,制品经过连续多道次的类“镦-拔-镦”特征的大塑性形变,组织将会发生显著变化,性能也会相应得到提高.由图1可知,连续变化的型腔模面是由多个特定曲率和尺寸的芯模组成.芯模数量不能过多,否则将会有大量残料留在变截面型腔内部;芯模数量也不易太少,否则,将因变形量不够而达不到晶粒细化要求,通常为2～5个为宜,本文以3个芯模为例进行研究.芯模结构和尺寸对挤压成形过程也有着重要影响.图1中,α是芯模定径带部位的夹角,β是芯模半锥角,L是相邻芯模定径带尺寸的差值,三者共同决定了连续变截面模腔结构形式和复杂程度.1.2有限元模型因连续变截面直接挤压是典型的轴对称结构,为了减小计算量和提高精度,本文采用有限元软件DEFORMTM-2D对挤压成形过程进行数值模拟.考虑到对称性,仅取坯料子午面的1/2作为模拟研究对象,对称面上的点施加径向约束,使沿法向速度为零,有限元模型如图2所示.实验材料为AZ31镁合金,坯料尺寸为Φ50mm×120mm,采用四节点四面体单元对坯料进行离散,初始网格为2000个.成形速度为2mm/s,坯料初始温度350℃,工具初始温度300℃,挤压比为9.8.通过圆环的热压缩试验测得摩擦因子为0.8.本文中取L=3mm,β=53°,为了便于研究,固定其他工艺参数,对α分别为90°、120°和140°等情况进行对比分析.2对结果的评论和分析2.1模口处应力值的变化图3所示为压下量为20mm时不同挤压成形过程中等效应力和挤压模出口处轴向应力分布对比.从图3(a)可以看出,随着模角的增大,挤压筒内发生塑性变形的区域范围明显扩大.由不同挤压成形中模口处轴向应力值对比可知(图3(b)),挤压模出口处各部位应力值均呈逐渐增大趋势分布,其中,轴心处均为压应力,而靠近模口侧都为拉应力.当模角由90°增大至140°时,轴心处应力值由-48.8MPa增加至-37.6MPa,靠近模口侧拉应力值则由50.5MPa减小至40.4MPa.说明随着模角的增大,模口处的轴向附加拉应力值显著降低,进而减小了表面产生开裂缺陷的可能性.2.2巷道金属挤出成形难度大时发生的改变一般在其图4为压下量为20mm时不同挤压成形过程中流速矢量场分布对比.由图4(a)中流速矢量场分布特征可知,当模角为90°时,金属流经变截面部位时的速度矢量场发生了显著改变,即在该区内发生了较大地回转变形流动,才能转向模口方向并被逐次挤出成形.且当润滑条件不好或变截面处侧凹较大时,该部位金属挤出成形的难度陡然增大;而当模角分别为120°或140°时,变截面型腔部位金属均能较顺畅地向模口方向流动,并被逐次挤出成形.从图4(b)的挤速较小时的死区特征分布对比可以看出,与模角为120°和140°的情况相比,由于模腔结构的约束和限制,模角为90°时,连续变截面处各型腔的内侧角部均存在部分难于被挤出成形的死区.2.3模角对变截面型腔流变形貌的影响因模具结构形式存在差异,对挤出金属的流线分布有着重要影响.图5所示为不同模角对连续变截面挤压成形中流线分布的影响对比.从图5中流线分布对比可知,当模角为90°时,由于成形时连续变截面型腔部位流线弯曲程度过大,最终形成显著地折叠缺陷,并随着冲头的不断施载而从模口处挤出成形;当模角增大至120°时,该部位流线仍呈现出一定程度的弯曲倾向,并最终形成折叠缺陷.但流线产生弯曲的程度及范围较前者要小得多;当增角增大至140°时,变截面型腔部位的流线呈变缓趋势分布,该区内流线仅在靠近模面部位附近发生微小弯曲趋势变化,而其余部位流线均大致沿着挤出成形方向呈合理分布.这说明随着模角的增大,产生弯曲程度和折叠缺陷可能性均明显减小.变截面型腔部位特殊的结构形式,不仅会使金属的流动行为发生改变,并可对贴合程度产生重要影响,图6为不同挤压成形中变形坯料与模面贴合程度的影响对比,可以看到,当模角分别为90°和120°时,在挤出成形过程中坯料与模腔面贴合情况良好.说明采用此两种模腔结构时,被挤出金属能够充满变截面模腔部位并可被逐次从模口处挤出成形;而当模角为140°时,变形坯料与连续变截面型腔之间存在间隙,即未充满,与前两者相比,极易引起变形不充分,达不到所需变形量的效果.2.4冲头双向冲压阶段图7所示为不同挤压成形过程中位移-载荷曲线变化的对比.由图7载荷值变化对比可知,与传统挤压相比,连续变截面挤压成形时载荷峰值呈阶段性上升趋势变化,随着金属的挤出成形,位移-载荷随之呈减小趋势变化.当变截面部位模角分别为90°和120°时,挤压时的极限载荷峰值为912kN,而当模角增大至140°时,挤压载荷峰值则降至836kN,降幅为7.8%.图8为模角140°时连续变截面挤压成形中位移-载荷曲线上特征点及对应的挤出成形阶段.由图8(a)可以看出,随着冲头的下移施载,载荷值总体呈增大趋势变化,且当达到峰值D点后呈减小趋势.但与传统挤压相比,由于金属挤出成形前在连续变断面型腔内顺次发生先镦粗-后挤压-再镦粗等连续多次的变形模式,因此,位移-载荷值也呈现出阶段性的上升趋势变化,中间分别出现A、B、C3个拐点.结合图8(b)所示各阶段材料的变形情况可知,当冲头初次加载时,坯料受压发生塑性变形并逐渐充满挤压筒.当继续施载后,坯料在第1阶模口处发生挤出成形,此阶段中载荷值从零点开始迅速增大并达到A点;而被挤出金属达到第2阶模面后开始发生镦粗变形,此阶段中载荷值上升趋势明显变缓;当被挤出坯料因镦粗而充满第2个模腔后,从模口处被顺次挤出成形,此时载荷上升速度显著加快并达到B点,当挤出金属达到第3阶模面上并发生镦粗变形时,载荷值呈第2个变缓平台;随后,按此变形特征,金属顺次经第3个模腔并从模口处被挤出成形,载荷值经第3个拐点C处并迅速达到载荷峰值D点后,随着金属不断地挤出成形,载荷值逐渐呈减小趋势变化.3连续变断面直接挤压成形初期载荷变化特点1)提出了一种能够实现材料制备及成形一体化的挤压成形新方法——连续变截面直接挤压成形技术.金属流经变截面型腔时经过连续多次“镦-拔-镦”的大塑性形变.2)随着模角由90°增大至140°,挤压筒内塑性区范围随之扩大,金属变形流动的均匀性明显提高,而模口处轴向附加拉应力则减小了20%,降低了产生表面开裂的可能性.3)连续变断面直接挤压成形初期