AZ40M鎂合金方形孔軸類零件熱擠壓數(shù)值模擬

甘樹(shù)德，夏 華，杜長(zhǎng)華，郭小龍

(重慶理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.重慶市特種焊接材料與技術(shù)工程中心，重慶 400054)

目前，在工程應(yīng)用領(lǐng)域中鎂及鎂合金占據(jù)著重要的位置，被公認(rèn)為是最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料。由于鎂及其合金在比強(qiáng)度、抗電磁屏蔽性能、機(jī)械加工等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，使它在汽車、電子電器、交通、航天航空以及國(guó)防科工領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景［1－2］。

但相對(duì)于鋁，鎂合金的研究和開(kāi)發(fā)還很不充分，而且其產(chǎn)量也只有鋁合金的0.17%左右，所以它有著很大的發(fā)展?jié)摿?。由于鎂是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，只有1個(gè)滑移面和3個(gè)滑移系，導(dǎo)致其室溫塑性很差，很難加工成板、帶、棒型材，因此目前應(yīng)用的大部分都是鎂合金鑄件［3］。但與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金組織細(xì)小均勻，綜合力學(xué)性能好，適合于多樣化結(jié)構(gòu)件的要求［4］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)變形鎂合金擠壓、軋制、超塑性變形等研究相對(duì)較多。但由于鎂合金塑形差、鍛造難度大，沒(méi)有找到合適的應(yīng)用方向，國(guó)內(nèi)外鮮有鎂合金復(fù)雜形狀零件鍛造的研究［5］。因此研究鎂合金熱變形特性及復(fù)雜形狀零件的熱鍛成形工藝具有重要的意義。

本文對(duì)AZ40M鎂合金方形孔軸類零件的熱擠壓成形工藝進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析成形過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變、微觀組織的演變［6］，以期為AZ40M鎂合金復(fù)雜零件鍛造工藝提供科學(xué)的依據(jù)。

1 擠壓成形工藝方案

圖1為方形孔軸類零件。零件材料為AZ40M鎂合金，該零件要求左端邊長(zhǎng)15 mm、深16mm的方孔的表面光潔度 Ra≤0.8 μm。

圖1 方形孔軸類零件

根據(jù)方形孔軸類零件的零件圖繪出了其擠壓件圖，如圖2所示。確定其具體的成形工藝方案為:選用φ35mm的棒料，利用正反復(fù)合擠壓成形工藝將方孔和右端φ30mm臺(tái)階軸同時(shí)成形，其余部分車削加工完成。

圖2 方形孔軸類零件擠壓件

2 有限元模擬結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變模擬

由圖3可以看出:在擠壓初期，由于坯料的上下端面邊緣先與擠壓模具接觸，因此在這些部位的變形量較大;在整個(gè)成形過(guò)程中，方形孔部位材料變形較大，最大應(yīng)變出現(xiàn)在方孔拐角處，在軸下方部分應(yīng)變較小且變化相差不大，應(yīng)變基本上呈左右對(duì)稱分布。

圖3 擠壓過(guò)程的等效應(yīng)變分布

2.2 應(yīng)力模擬

由圖4可以看出:擠壓過(guò)程中等效應(yīng)力發(fā)生了較大的變化。擠壓初期，坯料與凸模接觸區(qū)的等效應(yīng)力較大，隨著變形量的增加，與凸模先接觸的金屬由于等效應(yīng)變達(dá)到了發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變，從而發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使等效應(yīng)力降低。整個(gè)擠壓過(guò)程中方形孔部位由于上下模打靠應(yīng)力顯著增大，而下方軸類部分由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用所以應(yīng)力較低。

圖4 擠壓過(guò)程的等效應(yīng)力分布

2.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)模擬

由圖5可以看出:在擠壓初期，由于坯料的上下端面邊緣先與擠壓模具接觸，所以在方形孔部位和臺(tái)肩部位的應(yīng)變量大于臨界應(yīng)變而先發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而其余絕大部分由于應(yīng)變量還沒(méi)有達(dá)到臨界應(yīng)變所以沒(méi)有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;擠壓結(jié)束時(shí)，隨著應(yīng)變的變化，大部分區(qū)域都發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，只有上部邊緣部位僅發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再晶。

圖5 擠壓過(guò)程再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)分布

2.4 晶粒尺寸模擬

由圖6可以看出:在擠壓初期，由于坯料的上下端面邊緣先與擠壓模具接觸，所以在方形孔部位和臺(tái)肩部位的應(yīng)變量大于臨界應(yīng)變而先發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而導(dǎo)致這些部位的晶粒細(xì)化;在擠壓結(jié)束時(shí)，隨著應(yīng)變的變化，大部分區(qū)域都發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，只有上部邊緣部位僅發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再晶，所以這一部位的晶粒尺寸較其它部位較大。

圖6 擠壓過(guò)程的晶粒尺寸分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)AZ40M鎂合金方形孔軸類零件的熱擠壓成形工藝進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析了AZ40M鎂合金在熱鍛成形過(guò)程中應(yīng)變、應(yīng)力、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸的變化，為AZ40M鎂合金復(fù)雜零件鍛造工藝提供了理論依據(jù)。

［1］Diem W.Magnesium in Different Applications［J］.All to Technology，2001，l:40 －41.

［2］Kamado S，Koike J，Kondoh K，et al.Magnesium Research Trend in Japan［J］.Materials Science Forum，2003，419 －422:21 －34.

［3］曾榮昌，柯偉，徐永波，等.Mg合金的最新進(jìn)展及應(yīng)用前景［J］.金屬學(xué)報(bào)，2001，37(7):673 －685.

［4］陳振華.鎂合金［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］王晨.鎂合金AZ61熱變形特性及錐齒輪熱鍛成形研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2012.

［6］劉娟.鎂合金鍛造成形性研究及數(shù)值模擬［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.