AZ31鎂合金管材擠壓成型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

孫穎迪，陳秋榮

(中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 輕合金技術(shù)工程中心，上海 200050)

AZ31鎂合金管材擠壓成型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

孫穎迪，陳秋榮

(中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 輕合金技術(shù)工程中心，上海 200050)

運(yùn)用基于AZ31鎂合金本構(gòu)方程與ALE算法的HyperXtrude軟件對典型AZ31薄壁管材的擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過調(diào)整焊合室高度、焊合室大圓角及焊合室坡度3個結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析不同條件下應(yīng)力分布與速率分布的變化情況。結(jié)果表明：焊合室內(nèi)近工作帶處壓力隨焊合室高度增加不斷減小，分流孔與焊合室壓力的最大值與平均值均隨焊合室大圓角增大發(fā)生降低，分流孔與焊合室壓力隨焊合室入口坡度增大不斷增大，并在焊合室高度為16mm、大圓角為18mm以及入口坡度為15°時金屬流速均方差達(dá)到最小值。優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)緩解了應(yīng)力集中與流速不均等問題，在實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)中得到合格產(chǎn)品，型材組織均勻細(xì)化。

AZ31鎂合金；擠壓模具；有限元分析；數(shù)值模擬

鎂合金是結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，具有密度小、生物兼容性好、比強(qiáng)度和比剛度高以及易于二次使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車與通訊工業(yè)[1-5]。其中，變形鎂合金因避免了鑄造鎂合金顯著的成分偏析與力學(xué)性能偏低等缺陷而成為眾多領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料。在鎂合金塑性成型工藝中，擠壓成型以其高精度、高性能及良好表面粗糙度等優(yōu)勢被廣泛接受，空心型材則以其顯著的低耗材性，同時滿足產(chǎn)品輕量化的結(jié)構(gòu)使用要求，而具有比實(shí)心型材更明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價值。然而，空心鎂型材分流模具固有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與對內(nèi)部金屬應(yīng)力場流動規(guī)律研究的匱乏性使試模周期普遍偏長，試模成本偏高[6-8]。

隨著計算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸應(yīng)用到材料加工領(lǐng)域，減少了昂貴的現(xiàn)場試模成本，提高了工模具設(shè)計效率，在型材加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9-11]。據(jù)此，本工作以典型的鎂合金空心管材為研究對象，通過建成的AZ31鎂合金本構(gòu)方程，用目前穩(wěn)定性較高的基于ALE算法的有限元軟件HyperXtrude(HX)對鎂合金管材的擠出過程進(jìn)行模擬，研究了焊合室結(jié)構(gòu)設(shè)計對擠出過程中金屬流動速率以及應(yīng)力應(yīng)變場分布的影響，對后期復(fù)雜型材的模具設(shè)計起到一定的指導(dǎo)意義。

1 研究方案

1.1 模具設(shè)計方案

圖1為型材截面結(jié)構(gòu)與模具三維圖。圖1(a)為鎂合金空心管材截面形狀與主要尺寸。從圖1(a)可以看到，該型材壁厚僅有 1.2mm，橫截面積為70.46mm2。圖1(b)，(c)分別為模具設(shè)計方案中上模與下模三維結(jié)構(gòu)，其中，上模外形尺寸為φ149mm×66.5mm，采用三扇形分流孔，下模外形尺寸為φ149mm×57mm，分流比為46。為強(qiáng)化金屬流動與焊合，將分流橋截面設(shè)計為水滴形。根據(jù)型材完全對稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊合室的結(jié)構(gòu)參數(shù)是擠壓模具設(shè)計的關(guān)鍵，需從焊合室高度、焊合室大圓角與焊合室坡度3個方面考慮，具體設(shè)計方案如表1所示。其中，模具三維模型與數(shù)值分析模型是按照方案中的焊合室高度H為16mm、大圓角R為18mm以及坡度α為0°設(shè)計而成。

圖1 型材截面結(jié)構(gòu)與模具三維圖(a)型材截面結(jié)構(gòu)；(b)上模；(c)下模Fig.1 Structure of cross-section of the profile and the 3D model of the extrusion die(a)structure of cross-section of the profile;(b)upper die；(c)bottom die

表1 焊合室設(shè)計方案

1.2 分析模型建立

將UG中建立的模具三維模型導(dǎo)入HyperXtrude有限元分析軟件，根據(jù)管材對稱性取1/3模型進(jìn)行計算，幾何清理后劃分網(wǎng)格，如圖2所示。模型分為坯料、分流孔、焊合室、工作帶與出口型材5個部分，其中，工作帶與型材部分網(wǎng)格采用三棱柱單元，其他各部分網(wǎng)格采用四面體單元，網(wǎng)格最小尺寸約為0.2mm，網(wǎng)格總量約90000。由于坯料部分變形較小，網(wǎng)格單元尺寸從工作帶到坯料逐漸增大，既不影響計算精度，又可節(jié)省計算時間，提高效率。另外，AZ31鎂合金材料模型采用課題組前期基于Arrhenius型方程計算得到的數(shù)理統(tǒng)計本構(gòu)方程，如式(1)所示[12-14]：

(1)

圖2 數(shù)值分析模型Fig.2 Mesh generation of whole numerical model

在擠壓過程中，坯料在擠壓筒內(nèi)壁、分流孔及焊合室模面附近變形劇烈，摩擦條件設(shè)為黏著摩擦；在模具工作帶部分金屬獲得一定的速率，變形過程的摩擦條件緩和，設(shè)定為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)為0.3。模擬中所采用的具體工藝參數(shù)(包括坯料長度L，坯料直徑d，坯料初始溫度θb，模具初始溫度θd，擠壓筒初始溫度θc與擠壓速率v)見表2。

表2 擠壓工藝參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

該實(shí)驗(yàn)前期模型分析與數(shù)值模擬在CPU為Intel(R)Core(TM)i7-4770、主頻為3.4GHz、內(nèi)存為16G的工作站上求解完成，確定最佳方案后在630T臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行擠出實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 焊合室高度對圓管擠壓的影響

焊合室高度H對管材擠壓具有重要影響，分別設(shè)置H為12，14，16mm與18mm，焊合室在近工作帶處的應(yīng)力分布如圖3所示。表3是對近工作帶處最大壓力Pmax與隨機(jī)20節(jié)點(diǎn)壓力平均值Pav的總結(jié)。從以上數(shù)據(jù)可以看出，隨著焊合室高度的增大，焊合室近工作帶處材料所受到的最大壓力與平均壓力均不斷減小，不利于焊合室內(nèi)金屬的焊合成型，因此，焊合室高度不應(yīng)取太高，一般取12～16mm即可。

表3 焊合室近工作帶處壓力最大值與平均值

在不同焊合室高度下，焊合室近工作帶處金屬流動速率分布圖如圖4所示，其流速均值vav與均方差vSD總結(jié)于表4中。由表4可以看出，隨著H增大，焊合室近工作帶處金屬流速均值逐漸增大，并在焊合室高度為16mm時達(dá)到最大值444mm/s，而后發(fā)生降低；流速均方差則表現(xiàn)為相反的趨勢，隨H增大，流速均方差先不斷降低而后快速增加，并在16mm時降到最小值25.10。由于均方差能夠反映流速分布的均勻性，故焊合室高度為16mm時，焊合室在近工作帶截面的金屬流速分布最為均勻，且此時金屬流速也相對較快，有利于金屬的焊合成型，故焊合室高度采用16mm較為合理。

圖4 管材擠壓焊合室內(nèi)近工作帶處金屬流速分布圖(a)H=12mm；(b)H=14mm；(c)H=16mm；(d)H=18mmFig.4 Flowing velocity distributions of the part near the work bearing of the weld chamber for the tube extrusion(a)H=12mm；(b)H=14mm；(c)H=16mm；(d)H=18mm

表4 焊合室近工作帶處金屬流速均值與均方差

2.2 焊合室大圓角對圓管擠壓的影響

為消除焊合室邊緣與?？灼矫娼雍咸幍乃绤^(qū)，對蝶形焊合室經(jīng)常采用大圓角(R=5～20mm)[15]，如圖5(a)中標(biāo)示。在本設(shè)計中，大圓角R采用10，14，18mm和20mm 4種方案。擠壓過程中分流孔與焊合室部分的應(yīng)力分布如圖5所示，其中，分流孔與焊合室壓力最大值Pmax以及焊合室內(nèi)壓力均值Pav與均方差PSD總結(jié)于表5中?？梢钥吹?，隨著焊合室大圓角的增大，壓力的最大值與平均值均發(fā)生降低，并在圓角為18mm時達(dá)到最小值，焊合面上近工作帶處材料所受壓力也呈縮減趨勢，繼續(xù)增加焊合室圓角，壓力有所升高；同時，根據(jù)焊合室內(nèi)壓力均方差值的分布，大圓角取18mm時各處壓力分布更均勻，有利于坯料焊合與擠出成型。

2.3 焊合室坡度對圓管擠壓的影響

將焊合室入口處做成一定角度能夠改善金屬的流動與焊合效果，提高焊縫質(zhì)量。本設(shè)計中，設(shè)置焊合室坡度α為0°，15°，30°，其分流孔與焊合室部分應(yīng)力分布如圖6所示，分流孔與焊合室的壓力最大值Pmax以及焊合室內(nèi)壓力平均值Pav如表6所示?？梢钥闯觯S著焊合室坡度增大，分流孔與焊合室壓力最大值隨之增大，從609MPa增加到657MPa，金屬流動性加強(qiáng)，焊合室內(nèi)的平均壓力也不斷增大，有利于材料的焊合。因此，模具的焊合室可以適當(dāng)增加入口坡度。

焊合室入口坡度對擠壓成型過程中金屬流動速率也有一定影響，其中，不同入口坡度下分流孔與焊合室部分金屬流動速率分布如圖7所示，焊合室內(nèi)金屬流動速率分布情況總結(jié)于表7中。從圖7與表7中可以看出，改變焊合室入口坡度對分流孔與焊合室部分的金屬流動速率影響較小，但從焊合室內(nèi)的速率均方差可以看出，改變焊合室入口坡度對金屬流速均勻性會有一定影響，較小的入口坡度能夠改善焊合室內(nèi)金屬流動均勻性，有利于擠壓成型。因此，綜合考慮焊合室壓力與金屬流速，焊合室入口坡度取15°較合理。

圖5 管材擠壓分流孔焊合室部分壓力分布圖(a)R=10mm；(b)R=14mm；(c)R=18mm；(d)R=20mmFig.5 Pressure distributions of the port holes and weld chamber for the tube extrusion(a)R=10mm；(b)R=14mm；(c)R=18mm；(d)R=20mm

表5 分流孔與焊合室壓力最大值以及焊合室內(nèi)壓力均值與均方差

2.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的金屬流動分析

金屬流速不均會導(dǎo)致擠壓管材質(zhì)量差、力學(xué)性能偏低等。根據(jù)對焊合室高度、大圓角以及入口坡度的優(yōu)化設(shè)計，確定各參數(shù)分別為H=16mm，R=18mm，α=15°，對該優(yōu)化結(jié)構(gòu)下型材擠出過程金屬流動性分析可依據(jù)工作帶處的金屬流速分布。圖8為上述優(yōu)化結(jié)構(gòu)中工作帶部分金屬流動速率分布圖，可以看到，心部金屬流速最快，最高達(dá)到464.3mm/s，遠(yuǎn)大于管材內(nèi)外表面的金屬流動速率，而在金屬流動方向上速率分布比較均衡。

表6 分流孔與焊合室壓力最大值與焊合室內(nèi)平均壓力

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)加工模具并開模，在630t臥式擠壓機(jī)上擠壓型材，模具實(shí)物與型材照片如圖9(a)，(b)所示，型材表面質(zhì)量較好，硬度、強(qiáng)度等指標(biāo)經(jīng)質(zhì)檢均合格，表明數(shù)值模擬結(jié)果為實(shí)際模具設(shè)計與型材生產(chǎn)提供了可靠參考。同時，從圖9(c)管材擠壓態(tài)組織可以看出，AZ31鎂合金晶粒組織經(jīng)擠壓變形已明顯細(xì)化，并伴有少量孿晶組織。

圖7 管材擠壓分流孔焊合室部分金屬流動速率分布圖 (a)α=0°；(b)α=15°；(c)α=30°Fig.7 Flowing velocity distributions of the port holes and weld chamber for the tube extrusion (a)α=0°；(b)α=15°；(c)α=30°

表7 焊合室內(nèi)金屬流速均值與均方差

圖8 管材工作帶金屬流動速率分布圖Fig.8 Metal flowing velocity distribution of the work bearing for the tube

圖9 擠壓模具圖(a)，型材(b)與其金相組織(c)Fig.9 Pictures of extrusion die(a),profile(b) and metallurgical structure(c)

4 結(jié)論

(1)隨焊合室高度增加，焊合室內(nèi)近工作帶處壓力不斷減小，在焊合室高度為16mm時金屬流速均方差達(dá)到最小值，金屬流動最為均勻，綜合考慮焊合效果與流速均勻，焊合室高度取16mm。

(2)隨焊合室大圓角增大，分流孔與焊合室壓力的最大值與平均值均發(fā)生降低，根據(jù)焊合室內(nèi)壓力均方差分布，大圓角取18mm時各處壓力分布更均勻，有利于坯料焊合與擠出成型。

(3)分流孔與焊合室壓力隨焊合室入口坡度增大不斷增大，金屬流動性加強(qiáng)，有利于材料的焊合，但流速均方差不斷降低，不利于金屬流動均勻性，故入口坡度取15°較為合理。

(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后金屬在工作帶部分流速分布更為均衡，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，組織均勻細(xì)化，說明基于HyperXtrude有限元分析能夠?yàn)閷?shí)際模具設(shè)計與AZ31鎂合金型材生產(chǎn)提供可靠參考。

[1] 陳振華. 變形鎂合金[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

CHEN Z H. Wrought magnesium alloy[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005.

[2] AKYUZ B. Influence of Al content on machinability of AZ series Mg alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(8): 2243-2249.

[3] 劉正, 董陽, 毛萍莉, 等. 軋制AZ31鎂合金板材(4mm)動態(tài)壓縮性能與失效行為[J]. 材料工程, 2015, 43(2): 61-66.

LIU Z, DONG Y, MAO P L, et al. Dynamic compressive properties and failure behaviour of rolled AZ31 magnesium alloy sheet (4mm)[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(2): 61-66.

[4] 劉守法, 周兆鋒, 李春風(fēng). 熱輸入對AZ31鎂合金FSP試樣力學(xué)性能的影響[J]. 航空材料學(xué)報, 2015, 35(1): 39-44.

LIU S F, ZHOU Z F, LI C F. Effects of heat input on mechanical properties of AZ31 Mg alloy fabricated by FSP [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2015, 35(1): 39-44.

[5] HERRERA-SOLAZ V, LIORCA J, DOGAN E, et al. An inverse optimization strategy to determine single crystal mechanical behavior from polycrystal tests: application to AZ31 Mg alloy[J]. International Journal of Plasticity, 2014, 57: 1-15.

[6] CHEN H, ZHAO G Q, ZHANG C S, et al. Numerical simulation of extrusion process and die structure optimization for a complex aluminum multicavity wallboard of high-speed train[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2011, 26(12): 1530-1538.

[7] ZHANG C S, ZHAO G Q, CHEN Z R, et al. Effect of extrusion stem speed on extrusion process for a hollow aluminum profile[J]. Materials Science and Engineering B, 2012, 177(19):1691-1697.

[8] KUMAR S, VIJAY P. Die design and experiments for shaped extrusion under cold and hot condition[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 190(1-3): 375-381.

[9] GUAN Y J, ZHANG C S, ZHAO G Q, et al. Design of a multihole porthole die for aluminum tube extrusion[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2012, 27(2): 147-153.

[10] ZHANG C S, ZHAO G Q, CHEN H, et al. Numerical simulation and metal flow analysis of hot extrusion process for a complex hollow aluminum profile[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 60(1-4): 101-110.

[11] SUN Y D, CHEN Q R, SUN W J. Numerical simulation of extrusion process and die structure optimization for a complex magnesium doorframe [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 80(1): 495-506.

[12] 孫穎迪, 李光振, 陳秋榮. AZ31鎂合金方管擠壓成型的數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械工程材料, 2015, 39(10): 84-89.

SUN Y D, LI G Z, CHEN Q R. Numerical simulation of square tube extrusion for AZ31 magnesium alloys [J]. Materials for Mechanical Engineering, 2015, 39(10): 84-89.

[13] 李光振, 孫穎迪, 陳秋榮, 等. 基于HyperXtrude的鎂型材擠壓數(shù)值模擬與模具優(yōu)化研究[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(13): 118-123.

LI G Z, SUN Y D, CHEN Q R, et al. Numerical simulation and die optimization of magnesium profile extrusion based on HyperXtrude[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(13): 118-123.

[14] 孫文君, 孫穎迪, 沈鈺, 等. AZ31鎂合金薄壁空心型材擠壓過程數(shù)值模擬與模具優(yōu)化[J]. 輕合金加工技術(shù), 2014, 42(10): 40-45.

SUN W J, SUN Y D, SHEN Y, et al. Numerical simulation of extrusion process and optimization of the die structure for a hollow AZ31 magnesium alloy profile with the thin wall[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2014, 42(10): 40-45.

[15] 劉靜安. 輕合金擠壓工模具手冊[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2012.

LIU J A. Handbook of light alloy extrusion die[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2012.

(本文責(zé)編：楊 雪)

Numerical Simulation and Experiment Study onExtrusion of AZ31 Magnesium Alloy Tube

SUN Ying-di，CHEN Qiu-rong

(Light Alloy Engineering Center,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

The extrusion process of typical AZ31 magnesium alloy tube was simulated by using the constitutive model of AZ31 alloys and ALE-based HyperXtrude software. The changes of stress distribution and velocity distribution were analyzed under different conditions, through the adjustment of three structural parameters, including the height, big round corner and gradient of weld chamber. The results show that the pressure near the work zone in the weld chamber decrease with the increase of the height of weld chamber, the maximum value and average value of the pressure in the weld chamber are decreasing with the increase of big round corner of weld chamber, and the pressure in the port holes and weld chamber increases with the increase of the gradient of weld chamber. The minimum variance of metal flow rate is achieved in the height of weld chamber with 16mm, big round corner with 18mm and gradient of weld chamber with 15°. The optimized structure alleviates the issues of stress concentration and non-homogeneous flowing velocity. The final die is proved to be capable of producing the qualified products and the microstructure after extrusion is uniform and fine.

AZ31 magnesium alloy；extrusion die；finite element analysis；numerical simulation

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000635

TG379

A

1001-4381(2017)06-0001-07

嘉興市重大科技專項(xiàng)(2010AZ2001)

2015-05-19;

2016-11-15

孫穎迪(1983-)，女，助理研究員，博士，輕質(zhì)鎂合金加工與仿真研究，聯(lián)系地址：上海市長寧路865號(200050)，E-mail: yingdisun@mail.sim.ac.cn