鎂合金管材熱擠壓過程數值模擬研究

陳增奎, 周衛衛, 范新中

(1. 中國運載火箭技術研究院 北京 100076； 2. 北京精密機電控制設備研究所 北京 100076)

0 引言

鎂合金是目前可應用的最輕的金屬結構材料,是一種無污染的金屬，被譽為21世紀的“綠色材料”。目前，鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產品主要采用擠壓方法加工成形。鎂合金的擠壓是鎂合金塑性變形研究的一個重要方向,具有省料、節能和節省機械加工工時、工件性能高等一系列優點。鎂合金擠壓產品的組織和力學性能與模具溫度、擠壓速度、擠壓比等密切相關。然而擠壓變形過程十分復雜,采用有限元模擬擠壓過程的溫度場和應力變化是有效方法之一[1-7]。

本文采用DEFORM-3D對鎂合金的擠壓過程進行了模擬, 定性分析熱擠壓AZ31坯料溫度場的變化及等效應力的分布規律, 以便指導工藝實驗和生產。

1 擠壓模擬的基本假設與模型參數

1.1 擠壓模擬的基本假設

數值模擬的材料為AZ31鎂合金, 選擇黏塑性數學模型, 對黏塑性材料的基本假設包括不計材料的彈性變形，不計體積力和慣性力，材料是均質且各向同性，材料滿足體積不可壓縮，材料的變形流動服從Levy-Mises流動理論[4-9]。

本文將變形坯料與周圍介質(環境)之間相互關系做出如下假設[5-8]：

1) 假設坯料外側表面溫度在擠壓過程中始終保持不變；

2) 擠壓過程中坯料是絕熱封閉系統, 不與外界熱交換；

3) 假設變形區擠壓產生的熱量向未變形區和已變形區的熱傳導忽略不計。

1.2 擠壓模擬的模型與參數

由于DEFORM-3D不具備實體造型能力, 所以本文中鎂合金擠壓的三維模型的擠壓模具與坯料均在PRO-ENGINEER軟件中建立, 然后通過DEFORM提供的數據接口傳送到軟件的前處理器中, 整合成管材擠壓的三維立體模型。

圖1為AZ31鎂合金管材擠壓三維模型網格圖, 采用四面體單元, 同時為減少計算分析量, 數值模擬模型簡化為擠壓芯、擠壓筒和擠壓坯料的1/4結構。其主要幾何尺寸為：擠壓筒內徑為Φ40mm, 高為60mm, 定徑帶長為8mm, 錐角為60°；擠壓芯棒長為45mm, 擠壓墊為Φ41mm, 其尺寸略大于擠壓筒內徑, 目的是使擠壓坯料不外流, 模擬過程能夠順利進行。

圖1 擠壓數值模擬模型示意圖Fig.1 Model of extrusion for AZ31 magnesium alloy tube

為了提高管材變形過程中計算的準確度，從而提高模擬變形的精度和效率, 應確定鎂合金在實際變形過程中的一些參數, 如摩擦系數、界面換熱系數、應力與應變、應變速率和溫度的關系等。根據已發表文獻中的數據確定[9-10]：

1)AZ31鎂合金在塑性成形中的摩擦系數, 當有石墨油作為潤滑劑時, 摩擦系數為0.05；當無潤滑劑時, 干摩擦系數為0.35；確定了試樣-工具間導熱系數為10W/(m·℃)。

2)AZ31鎂合金與空氣之間的對流換熱系數是0.016W/(m2·℃), 與模具之間的界面換熱系數為11 W/(m2·℃)。

數值模擬使用的參數如表1～表3所示, 分別表示了有限元的計算條件, AZ31鎂合金比熱容和AZ31鎂合金熱傳導系數。

（2）工程施工工序的制定。將施工目標制進行制定之后，還應該對目標做出細化安排。通過對關鍵施工與永久性工程之間的關系進行分析我們得到：建設工程的工期越短，對于建筑工程施工進度的加快有著積極的促進作用。因此為了讓工程的順利完工得到保障，在施工的前期就應該將各方面的因素進行科學且詳細的分析，制定出科學合理的施工方案。這些因素主要包含了季節以及氣候對施工進度的影響；建筑材料的保存以及質量對施工進度的影響；機械設備的維護與保養對施工進度的影響等。

表1 有限元計算條件

表2 AZ31鎂合金比熱容

表3 AZ31鎂合金熱傳導系數

2 擠壓模擬結果與分析

2.1 擠壓力變化曲線

根據實驗情況, 模擬選取了擠壓筒與擠壓芯溫度20℃、擠壓坯料溫度300℃, 圖2為管材擠壓的擠壓力隨擠壓行程的變化曲線。

從圖2可見, 擠壓力變化曲線呈“Π”字形, 擠壓力在18mm～45mm行程時最大, 峰值擠壓力接近2×105N。根據擠壓力與行程變化曲線特點, 擠壓過程可大致分為3個階段：6mm～18mm為初始擠壓階段，18mm～45mm為穩定的連續擠壓階段，45mm～58mm為終了擠壓階段。在擠壓初始時, 坯料在擠壓墊的帶動下, 被壓縮鐓粗, 坯料與擠壓筒壁摩擦力小, 故擠壓力較小。在18mm～45mm階段, 坯料與擠壓筒壁接觸, 隨著接觸面積的逐漸變大, 坯料填滿整個擠壓筒和模孔, 管材不斷地從模口擠出, 擠壓力達到最大值。45mm～58mm為終了擠壓階段, 坯料長度減少, 坯料與擠壓筒壁的摩擦面積減少, 同時由于擠壓熱效應的作用, 坯料和模具的溫度上升, 使擠壓力下降。

擠壓過程中加工硬化與動態再結晶軟化相互作用, 使擠壓力出現波動。

圖2 擠壓力-行程曲線Fig.2 Curve of extrusion stress-extent for AZ31 magnesium alloy tube

2.2 擠壓過程溫度場模擬

對AZ31鎂合金管材的擠壓過程進行模擬計算, 得出不同階段的溫度場, 如圖3所示。

圖3 擠壓過程中四個不同階段的溫度場分布Fig.3 Temperature distribution of extrusion AZ31 magnesium alloy tube

在第1階段到第2階段，坯料中心溫度明顯高于表面溫度, 等高線呈上凸曲線, 中心溫度與表面溫度二者之差最大為35℃。這是因為坯料外表面與擠壓筒接觸面積大, 熱傳導速率大, 外表面溫度降幅劇烈, 而坯料內表面與擠壓芯棒接觸面積較小;所以溫度的分布是中心溫度大于內表面溫度, 內表面溫度大于外表面溫度。在變形區內, 中心溫度與外表面溫度差在等溫線E～H范圍(248℃～299℃)內, 到模口附近溫度升高到I線，達到316℃。

第3階段是穩定擠壓階段, 中心溫度與內表面溫度趨于相等, 仍均高于外表面溫度, 但三者的溫度差明顯減小。

到擠壓終了的第4階段, 三者的溫度在變形區內趨于相等, 溫度從等溫線E～H均是平直的等溫線。可見擠壓終了階段, 坯料是以等溫擠壓的方式從變形區內至出模口擠出。熱擠壓前3個階段在模口區域溫度梯度大, 分布明顯不均勻。

2.3 擠壓過程坯料最高溫度變化

設置的初始坯料溫度為300℃, 擠壓開始后, 溫度快速升高。擠壓過程中坯料最高溫度約為450℃。雖然數值模擬計算結果不十分準確, 但定性地反映出：擠壓熱效應是擠壓過程坯料溫度場變化的主要影響因素。

圖4 擠壓過程最高溫度變化Fig.4 Max-temperature for extrusion AZ31 magnesium alloy tube

2.4 擠壓過程穩態階段應力場模擬

圖5為擠壓變形進入穩態階段的等效應力場。從擠壓等效應力分布比較可以看出, 擠壓的應力在變形區與出模口處應力分布不均勻。擠壓模口處應力與應力梯度較大, 高達32MPa。擠壓的等效應力在擠壓模角的拐彎處應力集中嚴重, 此處容易產生擠壓裂紋等缺陷, 在出變形區與模口附近應力分布極為不均勻, 從內至外, 應力逐漸減少。

圖5 擠壓過程穩態階段的等效應力場Fig.5 Stress distribution of extrusion AZ31 magnesium alloy tube

2.5 擠壓過程最大拉應力模擬計算

軸向拉應力過大易產生橫向裂紋, 徑向拉應力過大易產生縱向裂紋。圖6分別模擬計算了熱擠壓的Z向、X向與Y向的最大拉應力。由圖6中可以看出, 熱擠壓的Z向平均約為280MPa,X向和Y向約為210MPa﹑200MPa。X向與Y向的最大拉應力曲線相似, 均小于Z向的最大拉應力分布。所以熱擠壓易產生縱向與橫向裂紋, 橫向裂紋產生的可能性更大。

(a) 擠壓X向

(b) 擠壓Y向

(c) 擠壓Z向圖6 擠壓最大附加拉應力曲線Fig.6 Max-stress of extrusion AZ31 magnesium alloy tube

3 結論

1)熱擠壓的前3個階段溫度場分布不均勻, 溫度梯度大, 接近終了時進入等溫擠壓階段。

2)熱擠壓的等效應力在模角拐彎處應力集中嚴重, 在出變形區與模口附近應力分布極為不均勻, 從內至外, 應力逐漸減少。

3)熱擠壓的Z向、X向與Y向的拉應力容易引起縱向與橫向裂紋, 相比而言,Z向最大附加拉應力最大, 因此管材熱擠壓的橫向裂紋產生的可能性更大。