基于成形均勻性控制的等通道雙轉角擠壓工藝研究

文/薛克敏，周玉峰，易成坷，李萍·合肥工業大學材料科學與工程學院杜飛·合肥工業大學智能制造技術研究院

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金屬于超高強變形鋁合金，同時具有較高的強韌性和較好的耐腐蝕性，是航空、航天、兵器、交通運輸等行業最重要的結構材料之一。現代航空航天工業的發展，對高強鋁合金的綜合性能提出了更高的要求，需要在保持高強度的同時具有較大的塑性。等通道轉角擠壓工藝（ECAP）是細化晶粒、制備超細晶材料的一種有效方法，其原理是經過反復多道次的剪切變形累積大的應變，從而實現晶粒細化。但是，對于變形抗力大的試樣在通過剪切區時容易出現開裂的問題，同時ECAP模具內角磨損嚴重，沖頭受到大的偏載力，容易斷裂，即使是傳統的ECAP模具（φ=90°，ψ=37°）也存在這一問題。

等通道雙轉角擠壓（ECDAP）（圖1）是對傳統90°轉角的ECAP模具的改進，將90°剪切變形效果轉化為兩個剪切角的累積變形，其主要參數包括兩個內角φ1、φ2，即相鄰兩通道的交角，外角ψ1、ψ2，即外角圓弧與內側交點組成的角，根據幾何關系得出φ1+φ2=270°。ECDAP工藝使材料經過一次擠壓，完成兩次大塑性變形。本文采用數值模擬的方法，系統研究了ECDAP和傳統的ECAP工藝變形過程中Al-Zn-Mg-Cu合金的變形行為，重點對比分析了變形過程、應變均勻性及模具受力情況。

有限元模型的建立

本文采用UG NX 8.5軟件建立三種不同轉角的模具結構模型如圖2所示，然后利用有限元軟件DEFORM-3D進行熱力耦合模擬，材料為自行建立的7A60鋁合金模型。三種模具結構轉角分別為：90°、雙135°、135°，具體參數見表1。三種模具采用相同的模擬參數：坯料尺寸為20mm×20mm×70mm，采用四節點、四面體等參數單元對變形坯料進行離散，模具和坯料溫度均為350℃、擠壓速度為1mm/s、模具和坯料間的摩擦接觸采用常剪切模型，摩擦因數為0.12。

圖1 ECDAP原理示意圖

圖2 不同轉角模具模型

網格實驗驗證

在金屬塑性加工中，物體受力后發生變形，這種變形是物體內各點位移的不同而使各點的相對位置發生變化。下面通過研究單道次ECDAP變形后，材料剖截面網格的變化來驗證模型及模擬的正確性。首先在DEFORM軟件中，劃分3mm×3mm的網格進行模擬，分析變形結果。

采用3A21鋁合金進行物理實驗，切割成2塊10mm×20mm×70mm的長方體，在其中一塊20mm×70mm的面上用等高線刻畫3mm×3mm的物理網格，將兩塊坯料合在一起在室溫下進行ECDAP實驗，結果如圖3所示，物理實驗跟實驗模擬基本一致。根據圖3(b)網格的變化情況，可以將擠壓后的試樣分為頭部、中部、尾部。其中試樣頭部和尾部的網格幾乎未變形，中間部分的網格變形劇烈，由正方形變成了不規則的四邊形，朝著擠出方向發生了傾斜，并且上表面的網格畸變嚴重。由金屬的流動性和對比結果可知，本文所采用的模型及模擬結果準確可行。

表1 三種轉角模具參數

圖3 網格實驗模擬及實物圖

模擬結果分析

不同轉角單道次載荷及變形過程分析

圖4為經過不同轉角模具單道次擠壓的載荷和等效應力圖，從載荷圖上可以看出：單90°和135°模具結構沖頭載荷先快速上升后穩定，在成形末期載荷快速下降；雙135°模具結構沖頭載荷曲線與另外兩種模具部分重合。取重合處的等效應力圖進行分析，雙135°模具中試樣在通過第二個轉角前，跟單135°的擠壓過程相似，在經過兩個轉角穩定變形時與單90°模具載荷曲線重合。在載荷的重合部分，試樣頭部和尾部的交角相同，分別為135°和90°。可以得出：擠壓載荷的大小與擠壓中的頭部和尾部的夾角有關，跟通道內模具轉角的大小關系不大。同時從試樣的等效應力圖可以看出，單轉角模具結構中的試樣只經過了一個剪切變形，而雙轉角中經過了兩次剪切變形，說明了雙轉角模具結構起到了兩次剪切變形的效果。

圖4 三種轉角模具下擠壓載荷和等效應力圖

不同轉角等效應變分析

等通道轉角是通過累積大的應變量從而實現晶粒細化，圖5是試樣經過三種模具一道次擠壓之后的等效應變云圖。

可以看到經過三種模具擠壓后試樣的頭部和尾部等效應變最小，試樣中間部分等效應變較大，其中試樣的頭部下端面和上下表面處等效應變最大，頭部下端面的最大等效應變是試樣接觸到水平通道時載荷迅速升高產生的，試樣上下表面的最大等效應變是與通道表面的摩擦引起的。為了更好地觀察擠壓后三種試樣的等效應變分布情況，在試樣截面的中軸線上等間距地取了10個點，得到等效應變變化曲線如圖5(b)所示。由曲線可知三種試樣的等效應變值從頭部到尾部都是先快速升高，穩定一小段時間后再次升高，而經雙轉角擠壓后試樣比單轉角的等效應變的升幅大，最后三種試樣的等效應變值均迅速降低，因為雙轉角模具的試樣尾部受到第二個轉角的影響，其尾部的等效應變值降低較緩。從等效應變曲線可以看出試樣經過三種模具擠壓后，試樣中間部分的等效應變值由大到小分別對應90°、雙135°、135°的模具，最大等效應變值分別達到了1.14、0.87、0.43。

圖5 三種擠壓試樣的等效應變圖

不同轉角多道次均勻性分析

ECDAP工藝加工前后的試樣橫截面形狀保持不變，因此可以保證重復擠壓的順利進行，在鋁合金成形過程中為獲得足夠大的應變累積量，一般需要進行多道次擠壓以實現大的塑性變形，試樣隨著變形道次的增加，累積應變的均勻性也會有相應的變化，圖6為三種轉角模具下1到4道次后試樣的等效應變情況。

由網格實驗可知經過三種不同模具擠壓后的試樣，根據試樣變形情況可以分為頭部、中部、尾部，其中部等效應變較大并且分布較均勻，因此，在三種試樣1道次和4道次擠壓后，在圖6試樣中部黑色方框內均勻地畫10條直線，每條直線上取20個點，共200個點，為了反映試樣變形均勻性的情況，將200個點的等效應變值用公式(1)表示離散程度大小的變異系數進行估算，變異系數越大，離散程度越大，均勻性越差。

圖6 三種轉角模具1-4道次試樣等效應變云圖

其中ε為等效應變值，CVε為變異系數，Stdevε為標準差，Avgε為平均數。

由變異系數計算公式得到表2，試樣經過一道次90°轉角模具擠壓后的平均等效應變為0.955，略高于雙135°的擠壓試樣，遠高于135°轉角擠壓的試樣，但擠壓后三種試樣的等效應變離散程度中90°的最高，達到了0.2，其次為雙135°轉角結構，離散程度最小的為135°的轉角結構。四道次后三種模具結構的擠壓試樣平均等效應變均大幅提升，增幅分別為366%、324%、279%，對應的變異系數都有了不同程度的降低，其中四道次后90°試樣的變異系數降幅最大，達到了37%。

表2 三種轉角模具擠壓試樣中部等效應變值

不同轉角模具應力分析

由于等徑角擠壓的工藝特點，在成形過程中會出現沖頭受力不均衡、模具轉角磨損嚴重的問題。對于變形抗力大的金屬，在擠壓過程中容易出現沖頭斷裂的情況，圖7為三種模具結構變形過程中最大載荷步數下的模具等效應力圖。

可以看出模具應力主要集中在沖頭和內轉角上。為了分析沖頭上應力的分布情況，在與試樣接觸的面上從靠近內轉角到外轉角的地方均勻地選取20個點得到如圖8的曲線，從圖中看出三種模具沖頭上等效應力從靠近內角處都是先降低后升高，在沖頭兩端處等效應力較大，其中90°轉角和雙135°轉角模具的沖頭應力值相近，但均比135°的高。利用變異系數公式對20個點的等效應力值進行統計，計算結果見表3，從表中知道90°轉角和雙135°轉角的沖頭平均等效應力基本相同，在470MPa左右，90°模具和雙135°模具最大擠壓載荷基本相同，沖頭截面均為20mm×20mm，平均應力也基本相同。由三種模具沖頭應力的變異系數可知模具不均勻性由大到小為135°、90°、雙135°。由圖7中看出三種模具內角處最大等效應力分別為676MPa、398MPa、426MPa，并且由圖7(b)應力云圖可知雙轉角模具中，第一個轉角處的應力比第二個轉角的大。通過采用雙轉角的結構，改善等徑角工藝中沖頭受力不均勻、內角磨損嚴重的問題，一定程度上有利于難變形金屬的大塑性變形過程。

圖7 三種模具的等效應力云圖

圖8 沖頭截面的等效應力分布曲線

表3 三種模具沖頭等效應力值

結論

1)對單道次ECDAP進行了網格模擬和物理實驗，根據變形效果將擠壓后的試樣分為三個部分，分別為頭部、中部和尾部，物理實驗和模擬結果基本一致，說明了模型及模擬過程準確可行。

2)對ECDAP、ECAP變形過程進行了數值模擬，發現擠壓載荷和變形過程中坯料頭部與尾部的夾角有關，ECDAP變形中出現了兩個剪切帶，實現了“一次擠壓，二次剪切”的變形效果。

3)經過三種模具擠壓后的試樣，中部的應變最大并且均勻，1和4道次后坯料中部等效應變由大到小為90°、雙135°、135°，4道次后，三種坯料的變形均勻性都有所提升，90°轉角模具擠壓后的試樣均勻性提高最多。

4)由最大載荷處模具應力可知，90°和雙135°模具的平均應力基本相同，135°的最小，但雙135°模具沖頭受力最均勻，ECDAP較90°ECAP模具內角磨損小，并且第一個轉處的應力比第二個轉角的大。