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有限元分析锥台转角对镁合金板材成形性的影响

来源期刊：稀有金属2018年第5期

论文作者：尹振入卢立伟盛坤伍贤鹏伦越刘楚明

文章页码：470 - 476

关键词：镁合金;有限元模拟;锥台转角;成形性;

摘要：采用锥台剪切变形新工艺制备镁合金板材,通过DEFORM-3D软件进行有限元模拟仿真,分析了锥台转角对锥台剪切变形镁合金板材成形性的影响,数值模拟了105°,120°,135°和150°4种不同锥台转角的模具对挤压镁合金板材的平均应力、等效应变、金属流速的影响规律。研究结果表明:不同锥台转角对挤压板材成形性能有着显著影响。当锥台转角逐渐增加时,锥台转角为120°的挤压模具,挤压后板材上拉应力出现的比例最小。随着锥台转角的增大,挤压后板材的等效应变随之减小,由2.63减小至1.88,但在锥台转角为120°时等效应变分布相对其他锥台转角较均匀。增加锥台转角,金属流速在120°时相对均匀,其不均匀程度参数值为0.007。此外,实验验证了锥台转角为120°时,锥台剪切变形镁合金板材表现出优越的成形性。

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网络首发时间: 2017-07-28 18:53

稀有金属 2018,42(05),470-476 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17040002

有限元分析锥台转角对镁合金板材成形性的影响

尹振入卢立伟盛坤伍贤鹏伦越刘楚明

湖南科技大学高温耐磨材料及制备技术湖南省国防科技重点实验室

中南大学材料科学与工程学院

摘要：

采用锥台剪切变形新工艺制备镁合金板材, 通过DEFORM-3D软件进行有限元模拟仿真, 分析了锥台转角对锥台剪切变形镁合金板材成形性的影响, 数值模拟了105°, 120°, 135°和150°4种不同锥台转角的模具对挤压镁合金板材的平均应力、等效应变、金属流速的影响规律。研究结果表明:不同锥台转角对挤压板材成形性能有着显著影响。当锥台转角逐渐增加时, 锥台转角为120°的挤压模具, 挤压后板材上拉应力出现的比例最小。随着锥台转角的增大, 挤压后板材的等效应变随之减小, 由2.63减小至1.88, 但在锥台转角为120°时等效应变分布相对其他锥台转角较均匀。增加锥台转角, 金属流速在120°时相对均匀, 其不均匀程度参数值为0.007。此外, 实验验证了锥台转角为120°时, 锥台剪切变形镁合金板材表现出优越的成形性。

关键词：

镁合金;有限元模拟;锥台转角;成形性;

中图分类号： TG146.22

作者简介：尹振入 (1991-) , 男, 湖南邵阳人, 硕士研究生, 研究方向:轻合金塑性加工工艺及变形机理研究;E-mail:cquyzr@163.com;;卢立伟, 副教授;电话:0731-58290782;E-mail:cqulqyz@126.com;

收稿日期：2017-04-01

基金：国家自然科学基金项目 (51505143);湖南省教育厅优秀青年基金项目 (17B089);中国博士后科学基金项目 (2016T90759&2014M562128) 资助;

Finite Element Analysis of Magnesium Sheet Formability with Different Frustum Angles

Yin Zhenru Lu Liwei Sheng Kun Wu Xianpeng Lun Yue Liu Chuming

Hunan Provincial Key Defense Laboratory of High Temperature Wear-Resisting Materials and Preparation Technology, Hunan University of Science and Technology

School of Materials Science and Engineering, Central South University

Abstract：

A new process of frustum shear deformation was introduced to produce magnesium alloy sheet. Effect of frustum angle on the formability of magnesium alloy sheet during frustum shearing deformation was simulated and analyzed by using DEFORM-3 D software. The influence law of frustum angle ( 105°, 120°, 135° and 150°) on mean stress, effective strain and metal flow velocity of extruded magnesium alloy plate was numerical simulated. The research results showed that the frustum angle had a significant impact on the formability of magnesium alloy plate during extrusion. As the frustum angle gradually increased, minimum proportion of tensile stress presented in plate after extrusion with frustum angle of 120°. Besides, with the increase of frustum angle, the effective strain value decreased from 2. 63 to 1. 88. However, the effective strain distribution was relatively uniform distributed, and the metal flow velocity was also homogeneous at the frustum angle of 120°, its value of uneven degree parameter was 0. 007. Moreover, the formability of magnesium alloy sheet during frustum shearing deformation was proved to be excellent via the actual extrusion at the frustum angle of 120°.

Keyword：

magnesium alloy; finite element simulation; frustum angle; formability;

Received： 2017-04-01

目前, 镁及镁合金备受关注, 被誉为“绿色结构工程材料”, 这主要是因为其良好的强度、刚度和机械加工性, 以及低密度等优点^[1,2,3]。正是由于具备这些优点, 在很多领域具有重要的应用前景, 诸如汽车, 航空, 通讯等领域。尤其在汽车领域, 能够显著减轻汽车重量, 降低尾气的排放量^[4,5], 有助于节能减排、减少污染及产生雾霾等等。然而镁合金由于自身的晶体结构 (密排六方结构) , 在室温下能开启独立的滑移系非常有限^[6,7,8], 导致镁合金在室温下塑性变形能力偏差, 极大地限制了镁合金在很多领域的开发与应用。现有研究表明, 通过大塑性变形技术 (SPD) 来细化镁合金晶粒和弱化织构, 能有效改善镁合金综合力学性能^[9,10,11]。近年来, 很多研究者运用有限元模拟分析工艺参数和模具结构参数对镁合金塑性变形的影响, 大大缩短了实验周期, 根据其模拟的结果制订出较优的工艺参数和模具结构, 发挥出SPD技术最佳的效果。Zhou等^[12]利用反复镦粗技术和有限元相结合, 模拟了不同镦粗道次对镁合金等效应变的影响, 发现随着镦粗道次的增加可以累积更大的应变且晶粒也愈细化。姜炳春等^[13]采用变通道角挤压AZ31镁合金并数值模拟分析了宽厚比k对成型过程的等效应变、挤压载荷等的影响, 发现随着k从4增加到10时, 挤压载荷有着明显增加, k为8时等效应变相对均匀。麻晓飞^[14]采用双通道转角挤压技术, 模拟双通道转角对AZ91镁合金挤压变形过程中的挤压力和等效应变等的影响规律。结果表明:在一定范围内, 转角越大, 挤压过程中的挤压力越小, 但其总应变增加。粱书锦等^[15]模拟了挤压温度、挤压速度和摩擦条件对AZ31镁合金挤压过程的影响。Lin等^[16]运用循环挤压技术制备ZK60变形镁合金, 采用有限元软件分析了循环挤压模具角度、摩擦系数和内半径对ZK60等效应变的影响规律。Yu等^[17]通过模拟模具角度 (30°, 60°, 90°) 对AZ31镁合金在挤压过程中的影响, 发现90°的挤压模具对微观组织的不均匀性影响明显小于30°和60°。

本文提出锥台剪切变形新方法制备镁合金板材, 此工艺有两大特点:1.镁合金由棒材坯料直接挤压成形为薄板产品;2.在板材的上表面受到直角强剪切变形, 为此在模具底部附加了一个锥台结构, 可以促使坯料底部先后发生两次转角 (钝角) 剪切变形, 利于最终产品获得均匀一致的变形特性。本文的研究中主要采用有限元模拟分析锥台角度对镁合金板材的等效应变、平均应力、金属流速的影响规律, 根据较优结果进行初步的实际应用, 验证了镁合金板材的挤压成形性。可为高性能镁合金板材的加工制备提供参考。

1 模拟参数

锥台剪切变形模具结构示意图如图1所示。该模具的特点是具有圆柱型腔的上凹模与附加锥台结构的下凹模组成, 将原始棒材坯料转变为薄板且双向出料。锥台剪切在变形中不仅累积应变, 且在提高板材成形性上起到关键作用。锥台剪切变形结构主要涉及3个重要参数:锥台高度h、锥台转角θ和锥台上表面圆半径R, 如图1 (b) 所示。这3个参数对试样在挤压过程中的应力、等效应变、金属流速等具有重要的影响。由于转角剪切变形可有效开启镁合金非基面滑移系, 利于提高其挤压成形能力, 为此本文主要研究锥台转角对挤压过程中的影响。首先采用UG建立4组图1模型并转为STL格式导入到Deform-3D软件中进行模拟仿真。锥台转角θ分别为105°, 120°, 135°和150°, 上凹模的料筒直径为36 mm, 锥台高度h为2.5 mm, 锥台上表面圆半径R为14 mm, 挤压出口厚为2.5 mm, 宽为20 mm, 模具挤压比为10.18。为了切合实际加工, 将凸模和凹模定义为刚性体, 挤压的试样定义为塑性体, 凸模为主动件, 凹模静止不动。将坯料的直径和长度分别设置为36和40 mm, 划分网格数目为40000, 步长设置为0.2 mm, 并选用了40707.6 mm³的体积补偿量, 坯料与模具间的接触容差为0.0292 mm, 热摩擦系数为0.3, 挤压温度为290℃, 挤压速度为1 mm·s^-1。模拟仿真所采用的材料为AZ31镁合金。

图1 锥台剪切变形示意图Fig.1 Illustration of frustum shearing deformation

(a) Half profile of die; (b) Enlarged view of frustum structure

2 结果与讨论

2.1 锥台转角对平均应力的影响

应力分布在挤压过程中是非常重要的特征, 尤其是拉应力, 会使材料产生裂纹、断裂等缺陷。图3为不同锥台转角 (105°, 120°, 135°, 150°) 对挤压后平均应力分布影响的半剖图。从图2中可以看出, 挤压后的坯料, 平均应力呈现梯度分布, 其中压应力随着挤压的进行逐渐减小, 在锥台剪切变形时减小尤为明显, 这说明坯料经过锥台剪切变形后, 受到了较大的塑性变形, 动态再结晶开始发生, 使得坯料软化。图2中大多数拉应力出现的区域在板材成形变形后 (图2 (a) 椭圆标记处) , 当θ为105°时, 拉应力达到138 MPa。随着θ增大到120°时, 可以发现拉应力增大到153 MPa, 但是其所占的比例少。随着θ进一步增大, 拉应力有减小的趋势, 但拉应力在板材成形后所占的比例非常的大, 尤其θ为150°时, 板材成形后几乎都出现了拉应力。以往研究表明^[18], 拉应力经常出现在内转角剪切变形后, 想彻底消除拉应力是很困难的, 在挤压过程中有着摩擦和材料自身特性等因素。本研究发现通过改变锥台转角, 可以有效地改变拉应力出现的比例。当θ为120°时板材成形的拉应力所占的区域比例最少, 这对锥台剪切变形板材的成形性具有较好的影响, 可有效避免挤压过程中板材内部产生裂纹和断裂等缺陷。

2.2 锥台转角对等效应变的影响

等效应变的大小, 在对挤压过程中坯料能否发生动态再结晶起到关键作用。不同锥台转角在挤压后, 对坯料等效应变分布的影响如图3所示。可以明显看出最大等效应变主要集中在板材成形中变形部位 (图3 (a) 椭圆标记处) 。这说明, 坯料在挤压的过程中依次受到锥台剪切变形和板材成形变形, 累积了较大的等效应变, 其值高达2.63。Lin等^[19]采用循环挤压 (CEC) 技术挤压ZK60镁合金时, 当挤压2道次时等效应变才达2.43。此外, 通过增加锥台剪切变形技术的挤压比, 可更大程度地增加其等效应变。

随着锥台转角的逐渐增大, 板材成形中变形部位的等效应变逐渐减小, 当θ为150°时, 等效应变大多数为1.88且分布相对不均匀。这个现象说明锥台转角的剪切变形对试样等效应变的大小和均匀性起着重要作用。等效应变的大小及分布情况对晶粒细化程度和均匀性有着决定性作用, 直接影响到成形后板材的力学性能。虽然θ为105°时, 等效应变最大, 但其等效应变分布的情况相对θ为120°时均匀性分布较差, 等效应变分布情况对板材各向异性有着很大的影响。Wang等^[20]通过挤压Mg-5Al-2Nd-0.2Mn合金, 发现其TD-ED (挤压方向-垂直于挤压方向) 截面晶粒分布不均匀, 样品中心部位的晶粒相对细小而边缘部位相对粗大, 室温下ED方向的延伸率达到22.2%, 而TD方向的延伸率仅为16.7%。综合分析θ为120°时等效应变较大且分布较均匀, 更利于弱化板材各向异性。

图2 锥台转角对平均应力的影响Fig.2 Effect of frustum angle on mean stress (a) 105°; (b) 120°; (c) 135°; (d) 150°

图3 锥台转角对等效应变的影响Fig.3 Effect of frustum angle on effective strain (a) 105°; (b) 120°; (c) 135°; (d) 150°

2.3 锥台转角对金属流速分布的影响

金属流速对板材成形的形貌有着重要的影响, 金属流速不均匀会导致板材的弯曲, 均匀的流速分布是判断模具结构是否合理的一个重要标准。图4为不同锥台转角对金属流速分布影响的半剖图。从图4中可以看出, 随着挤压的进行流速逐渐增大, 最小流速出现在原始棒料处, 流速为1 mm·s^-1。金属流速受到流动空间的限制和变形程度的影响, 特别是棒料竖直挤压过程中, 坯料塑性变形不剧烈, 加工硬化占主要地位。

相反, 在板材成形中变形部位 (图4 (a) 椭圆标记处) 金属流速最大约14 mm·s^-1。这种现象归因于板材成形中变形部位累积了较大的等效应变, 变形较剧烈, 动态再结晶开始发生, 极大地软化了加工硬化效应。板材成形中变形部位的金属流速虽然大, 但板材的上层、中层和下层的流速均匀性对判断最终板材是否弯曲具有决定性作用。为了更加清晰地判断锥台转角对金属流速均匀性的影响, 在不同锥台转角的板材成形中变形部位, 在沿挤压方向的横截面中, 在其中心部位到边缘处取20个参数点, 然后对板材流速的大范围参数点进行统计分析如图5所示。

从图5中可以看出不同锥台转角对板材成形流速有着明显的差异。为了定量标准化分析锥台转角对板材成形金属流速均匀性的影响, 引入不均匀程度参数SDV来计算说明, SDV值越小说明金属流速越均匀^[21]。

式中v_i为板材成形横截面上每个点的速度 (mm·s^-1) , v_ave为横截面上所有点的平均速度 (mm·s^-1) , N为点的数量。通过公式 (1) 计算得出不同锥台转角挤压板材横截面的SDV值, 如表1所示。从表1中可以看出θ为150°时, SDV值最大 (0.472) , 说明板材成形中变形部位的流速极不均匀, 将导致板材的弯曲以及板材外形的不规则等缺陷。而θ为120°时, SDV值最小 (0.007) , 利于改善板材的成形能力。因此, 合理设计锥台转角, 可有效调控板材流速均匀性, 提高挤压板材成形性。

图4 锥台转角对金属流速的影响Fig.4 Effect of frustum angle on metal flow velocity (a) 105°; (b) 120°; (c) 130°; (d) 150°

图5 不同锥台角的板材成形中变形部位横截面流速分布Fig.5Flow velocity distribution on cross-section of sheet ex-truded at different frustum angles

表1 不同锥台角的板材成形中变形部位截面流速不均匀参数值Table 1Non-uniformity parameter value of flow velocity on cross-section of sheet extruded with different frustum angle 下载原图

表1 不同锥台角的板材成形中变形部位截面流速不均匀参数值Table 1Non-uniformity parameter value of flow velocity on cross-section of sheet extruded with different frustum angle

2.4 工艺实验

结合有限元分析不同锥台转角对板材的平均应力、等效应变、金属流动速度的影响, 可知相对于其他锥台转角 (105°, 135°, 150°) 来说, 锥台转角θ为120°时挤压出来的板材较理想。为验证有限元模拟结果, 我们加工制造出圆柱型腔直径为36 mm、板材成形出口厚为2.5 mm、宽为20 mm、模具挤压比为10.18、锥台高度h为2.5 mm、锥台上表面圆半径R为14 mm、锥台转角θ为120°的模具, 并采用和有限元分析相同的工艺参数在压机上进行了实际挤压实验, 获得样品如图6所示。挤压样品的形状尺寸规格理想, 且无裂纹、弯曲等缺陷, 显示出了优越的成形性, 该实验结果与有限元分析结果一致。以上的有限元模拟分析为实际生产提供了有利的参考价值。