AZ31鎂合金薄板溫軋工藝的數值模擬

鄧小虎，李立云，曲周德

（1.天津職業(yè)技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222；2.天津職業(yè)技術師范大學天津市模具數字化制造技術工程中心，天津300222；3.天津天德減震器有限公司，天津200480）

AZ31鎂合金薄板溫軋工藝的數值模擬

鄧小虎1，李立云2，3，曲周德2

（1.天津職業(yè)技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222；2.天津職業(yè)技術師范大學天津市模具數字化制造技術工程中心，天津300222；3.天津天德減震器有限公司，天津200480）

利用ABAQUS軟件對不同工藝條件下AZ31鎂合金薄板溫軋過程進行了模擬，探究軋制溫度、軋制速度及壓下量等工藝參數對溫軋過程中溫度場、等效應力及應變場的影響規(guī)律，旨在為使用溫軋工藝生產優(yōu)質鎂合金薄板提供理論指導。

AZ31鎂合金；薄板；溫軋；工藝參數；數值模擬

鎂合金是目前工程應用中最輕的金屬結構材料，具有較高的比強度及比剛度、良好的減震性及導熱性、絕佳的電磁屏蔽性和易切削回收等優(yōu)點，被譽為“21世紀最具發(fā)展前景的綠色工程材料”［1-2］。鎂合金板材特別是高性能鎂合金薄板的發(fā)展前景尤為廣闊。但傳統(tǒng)方法制備的鎂合金薄板在質量和產量上均已無法滿足現代工業(yè)的需求［3-4］，溫軋作為一種新型的軋制工藝是目前優(yōu)質變形鎂合金薄板研發(fā)的重要方向之一，許多學者對鎂合金溫軋工藝進行了研究。盧楊［5］經實驗發(fā)現采用鑄軋-溫軋工藝所得薄板組織均勻、力學性能較好，抗拉強度比鑄軋-熱軋薄板好，塑性比鑄軋-冷軋薄板好。王川川［6］研究了鎂合金板帶溫軋過程中影響板形及板凸度的各種因素的作用規(guī)律。盡管在鎂合金溫軋工藝方面取得了一定成果，但對鎂合金溫軋的成形規(guī)律及工藝參數的影響等方面研究還不夠透徹，且傳統(tǒng)的實驗手段費用高、周期長。本文基于有限元的方法研究鎂合金薄板溫軋過程的成形規(guī)律，為使用溫軋工藝生產優(yōu)質鎂合金薄板提供理論指導。

1　溫軋模型的建立

ABAQUS是一個基于有限元法的專業(yè)仿真軟件，計算速度快，具有較強的重劃網格能力，尤其適用于像金屬塑性成形這樣的復雜非線性分析。因此本文利用ABAQUS軟件進行溫軋模擬。為使模型在ABAQUS軟件中順利模擬溫軋過程，在建立溫軋模型時，結合實際軋制做出如下假設：

（1）軋板為變形體，不考慮AZ31鎂合金板材不均勻性帶來的影響，假設板材質地均勻，各向同性。

（2）在軋板長度方向進行相應簡化，即縮短軋件長度至滿足穩(wěn)定軋制階段的要求。

（3）為節(jié)約計算時間，軋輥設為解析剛體，無變形，僅存在熱量交換，其邊界條件和場變量輸出等均定義在參考點上。

1.1溫軋模型

鎂合金薄板厚度通常在0.2～4 mm之間，本文采用遼寧科技大學生產的3 mm厚度的AZ31鎂合金鑄軋板進行研究。采用溫軋工藝進行軋制以研究鎂合金超薄板技術，溫軋采用的鎂板長為40 mm，軋輥直徑為80 mm，軋輥長為200 mm（軋輥的尺寸均為遼寧科技大學實驗所用軋輥尺寸），其二維溫軋模型如圖1所示。

圖1　二維溫軋模型

1.2工藝參數的選擇

本文主要研究的板材為鑄軋后3 mm的薄板，采用的溫軋工藝參數如表1所示。

表1　溫軋工藝參數

2　工藝參數對鎂合金薄板溫軋過程的影響

2.1工藝參數對溫度場的影響

2.1.1壓下量對溫度場的影響

選取的工藝參數為：固定板厚3 mm、軋板溫度300℃、軋輥溫度20℃、溫軋速度80 mm/s，壓下量分別選取10%、20%、30%和40%。

4種壓下量下軋板的溫度場分布如圖2所示。由圖2可知，溫軋時在板厚方向上軋板表面到心部的溫度場呈階梯狀，心部溫度高于表面溫度。隨壓下量的增大，同一位置軋板表面的溫度下降，中心溫度上升，軋板的變形越大，溫度梯度越明顯。

圖2　不同壓下量下板材的溫度場分布

2.1.2軋制速度對溫度場的影響

分別選取溫軋速度為40 mm/s、80 mm/s、120 mm/s、200 mm/s，固定板厚3 mm，軋件溫度300℃，軋輥溫度20℃，壓下量20%。

圖3　不同軋制速度下板材的溫度場分布

4種軋制速度下軋板的溫度場分布如圖3所示。溫度場在板厚方向上呈階梯分布。隨軋制速度的增大，軋板的溫度分布逐漸減小，但由于軋板和軋輥間的傳熱始終高于塑性功及摩擦產生的熱量，所以軋板溫度始終小于初始溫度。

2.2工藝參數對等效應力場的影響

2.2.1軋制溫度對等效應力場的影響

（1）軋制溫度對軋板等效應力場的影響。

為研究軋制溫度對軋板等效應力場的影響，軋板溫度分別選取250℃、300℃及350℃，固定壓下量為20%，溫軋速度為80 mm/s，板厚為3 mm，軋輥溫度為20℃。不同溫軋速度下軋板的等效應力場分布如圖4所示。

圖4　不同軋制溫度下板材的等效應力場分布

由圖4可見，軋板和軋輥接觸位置的等效應力最大，在軋制方向上，由變形區(qū)中部往兩邊遞減，最大等效應力值產生在前滑區(qū)或后滑區(qū)部分；在板厚方向上，等效應力值由軋板表面向軋板中心遞減。隨軋制溫度的升高，等效應力值不斷減小，該結論與AZ61鎂合金軋制過程變化規(guī)律一致［7］。

（2）軋輥溫度對AZ31鎂合金薄板溫軋過程等效應力場的影響。

為研究軋輥溫度對AZ31鎂合金薄板溫軋過程等效應力場的影響，根據實際軋制時的軋輥溫度，分別取20℃、100℃及200℃的軋輥溫度，軋件溫度300℃，壓下量20%，溫軋速度80 mm/s，板厚3 mm。

3種軋輥溫度下等效應力場分布情況如圖5所示。由圖5可知，軋板和軋輥接觸位置等效應力最大，在軋制方向上，由變形區(qū)中部往兩邊遞減，最大等效應力值產生在前滑區(qū)或后滑區(qū)部分，且隨軋輥溫度的升高，等效應力值不斷減小。

圖5　不同軋輥溫度下板材的等效應力場分布

2.2.2壓下量對等效應力場的影響

壓下量分別選取10%、20%、30%和40%，固定軋板厚度為3 mm，軋板溫度為300℃，軋輥溫度為20℃，溫軋速度為80 mm/s。4種壓下量下軋板等效應力場分布如圖6所示。由圖6可見，在板厚方向等效應力由軋板表面向軋板中心減小，沿軋制方向等效應力的分布由變形區(qū)中間向兩邊逐漸減小，最大等效應力產生在軋板的前滑區(qū)。隨壓下量的增大，等效應力值不斷增大。

圖6　不同壓下量下板材的等效應力場分布

2.2.3軋制速度對等效應力場的影響

軋制速度分別選取40 mm/s、80 mm/s、120 mm/s和200mm/s，固定板材厚度為3mm，軋板溫度為300℃，軋輥溫度為20℃，壓下量為20%。

不同軋制速度下軋板等效應力場分布如圖7所示。由圖7可知，在軋制方向上，等效應力由變形區(qū)中部往兩邊逐漸降低；在板厚方向上，變形區(qū)表面的等效應力高于軋板中部的等效應力值，等效應力由軋板表面往軋件中心遞減。隨軋制速度的上升，等效應力值不斷減小。

圖7　不同軋制速度下軋板的等效應力場分布

2.3工藝參數對等效應變場的影響

壓下量分別選取10%、20%、30%、40%，固定軋板厚度為3 mm，軋板溫度為300℃，軋輥溫度為20℃，溫軋速度80 mm/s。4種壓下量下等效應變場的分布如圖8所示。

由圖8可知，隨壓下量的增大，沿軋制方向等效應變由已變形區(qū)域向非變形區(qū)域漸漸變小，沿軋板厚度方向應變值由表面向心部遞減，最大應變值產生在軋板表面的前滑區(qū)。隨壓下量的增大，等效應變值不斷增大。

圖8　不同壓下量下板材的等效應變場分布

3　結束語

本文運用ABAQUS軟件，系統(tǒng)研究了AZ31鎂合金薄板的溫軋變形規(guī)律，在不同工藝條件下進行溫軋模擬，探究了工藝參數對溫度場、應力應變場等的作用規(guī)律。研究表明，軋板溫度隨壓下量的增大而降低，隨軋制速度的上升而升高；等效應力值隨軋制溫度的上升而減小，隨壓下量的增大而增大，隨軋制速度的上升而減小；等效應變值隨著壓下量的增大而增大。

［1］BUSK R S.Magnesium Production Design［M］.New York：Marcel Dekker Inc，1986.

［2］MORDIKE B L，EBERT T.Magnesium properties，application，potential［J］.Materials Science and Engineering A，2001，302（1）：37-45.

［3］馬鴻文，曹瑛，蔣蕓，等.中國金屬鎂工業(yè)的環(huán)境效應與可持續(xù)發(fā)展［J］.現代地質，2008，22（5）：829-837.

［4］張文毓.鎂合金及其加工技術研究進展［J］.稀有金屬快報，2007，26（8）：15-19.

［5］盧楊.AZ31鎂合金薄板軋制及組織性能的研究［D］.鞍山：遼寧科技大學，2013.

［6］王川川.AZ31B鎂合金板帶溫軋板形影響因素及板凸度控制研究［D］.秦皇島：燕山大學，2013.

［7］曹宏偉.AZ61鎂合金薄板軋制過程的數值模擬與實驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2015.

Numerical simulation of warm rolling technology in AZ31 magnesium alloy sheet

DENG Xiao-hu1，LI Li-yun2，3，QU Zhou-de2
（1.Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Engineering Center of Digital Manufacturing of Die and Mould，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；3.Tianjin Tiande Suspension Systems Co Ltd，Tianjin 300480，China）

The ABAQUS software is used to simulate the warm rolling process of magnesium alloy sheet under different process conditions.The influence rule of the process parameters such as rolling temperature，rolling speed and reduction on the temperature field，equivalent stress and strain field is investigated in this paper.The simulated results provide theoretical guidance for using warm rolling to product high-quality magnesium alloy sheet.

AZ31 magnesium alloy；sheet；warm rolling；process parameters；numerical simulation

TG399

A

2095－0926（2016）02－0001－04

2016-05-10

天津市自然科學基金一般項目（13JCYBJC38900）；遼寧科技大學省級工程技術研究中心開放課題基金（USTLKEC201409）；天津市高等學校創(chuàng)新團隊培養(yǎng)計劃（TD12-5043）；天津市高等學校科技發(fā)展基金項目（20130408）.

鄧小虎（1984—），男，副教授，博士，研究方向為金屬材料固態(tài)加工過程數值模擬.