模具結(jié)構(gòu)對鎂合金板材連續(xù)擠壓成形性能的影響

劉學(xué)，郭麗麗，符蓉

(大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)

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模具結(jié)構(gòu)對鎂合金板材連續(xù)擠壓成形性能的影響

劉學(xué)，郭麗麗，符蓉

(大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)

根據(jù)連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形的特點(diǎn)，利用 HyperXtrude軟件建立了160 mm×8 mm的 AZ31鎂合金雙桿連續(xù)擠壓的有限元模型.分析了擠壓輪轉(zhuǎn)速為4 r/min時模具腔角和匯合模長度對板材連續(xù)擠壓成形的影響.結(jié)果表明：隨著焊合室腔角的減小坯料焊合壓力增加，金屬流動均勻性好，板材成形性能好；隨著匯合模長度增加坯料焊合壓力降低，金屬橫向擴(kuò)展能力提高，模具出口定徑帶處的金屬流動均勻性提高，利于AZ31鎂合金板材連續(xù)擠壓成形.

雙桿連續(xù)擠壓；模具結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；成形性

0 引言

鎂合金具有質(zhì)量輕、污染小、減振性好、導(dǎo)熱性能高、電磁屏蔽性好等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，然而，由于鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)，常溫下變形困難，所以傳統(tǒng)方法生產(chǎn)鎂合金板材的過程中，需要反復(fù)加熱.由此可見，變形鎂合金的生產(chǎn)中存在的問題是耗能大且材料利用率低.

連續(xù)擠壓具有低能耗、材料利用率高、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)以及以自身摩擦力為動力和熱能供應(yīng)系統(tǒng)這一最突出的特點(diǎn)[2-3]，使其在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛使用，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于銅、鋁寬板帶的生產(chǎn)[4].應(yīng)用HyperXtrude軟件可準(zhǔn)確高效地模擬鎂合金擠壓成型[5].因此，本文利用HyperXtrude軟件模擬了160 mm× 8mm 的AZ31鎂合金雙桿連續(xù)擠壓板材成形過程，并分析模具中的匯合模長度和模具腔角度對金屬流動和焊合壓力的影響.

1 連續(xù)擠壓有限元模擬

1.1 有限元模型的建立

以TLJ400連續(xù)擠壓機(jī)為原型，基于HyperXtrude軟件，建立AZ31鎂合金連續(xù)擠壓模型如圖1所示.

圖1 雙桿連續(xù)擠壓有限元模型

1.2 材料模型

模擬所采用的原材料為AZ31鎂合金擠壓桿料，HyperXtrude軟件材料數(shù)據(jù)庫中未提供AZ31鎂合金的本構(gòu)模型，模擬中選用帶有Z參數(shù)的雙曲正弦函數(shù)修正的Arrhenius 關(guān)系作為本構(gòu)方程來描述AZ31 鎂合金高溫壓縮變形時的流動應(yīng)力[6]，如下：

(1)

式中各參數(shù)及物理意義如表1所示.

表1 AZ31B鎂合金的反雙曲正弦模型的參數(shù)

1.3 模擬參數(shù)的設(shè)定

連續(xù)擠壓過程中，需要將腔體和模具預(yù)熱到一定溫度，并考慮在擠壓過程中坯料與工模具之間的熱傳導(dǎo)作用.數(shù)值模擬中的初始參數(shù)如下：坯料材料為AZ31鎂合金，坯料直徑Φ為20 mm，擠壓輪轉(zhuǎn)速為4 r/min，坯料不預(yù)熱，腔體、模具預(yù)熱溫度為350℃，坯料與擠壓輪的滑動摩擦因子為0.2，坯料與腔體、模具的滑動摩擦因子為0.7，坯料與工模具的傳熱系數(shù)為3 000 W/(m2· ℃).

模具定徑帶處金屬流動的均勻性可用其截面速度場標(biāo)準(zhǔn)偏差值SDV來衡量，流速均方差SDV的計算公式如式(2)[7], SDV值越小，說明材料的流動越均勻.

(2)

2 模擬結(jié)果分析

圖2為匯合模長度(模具進(jìn)料口入口到擴(kuò)展腔起始邊緣的距離)分別為25、35、45 mm，擠壓輪轉(zhuǎn)速為4 r/min，板材寬度為160 mm×8 mm的連續(xù)擠壓數(shù)值模擬的速度場.腔體在兩進(jìn)料口中部切開，Z方向?yàn)榘宀某隹诜捶较?由圖2可知，匯合模長度為45 mm時，因金屬流體在模腔內(nèi)有足夠的時間、空間促使其達(dá)到均勻混合的效果，在擴(kuò)展腔內(nèi)部可以看出流體在橫向及縱向的流動速度相差較小，平均數(shù)值在5～10 mm/s左右，而金屬流體到達(dá)焊合室時，受到焊合室兩側(cè)擠壓作用，橫向以及縱向速度加快，數(shù)值達(dá)到了50 mm/s，但各區(qū)域流體流動比較平衡，速度差值很小，流體內(nèi)部無明顯的區(qū)域劃分現(xiàn)象.匯合模長度為最短的25 mm時，由于匯合模長度較短，以致其給予流體匯合的空間減小，匯合時間也縮短，由進(jìn)料口注入腔體的金屬流向兩側(cè)的橫向擴(kuò)展能力較差，容易形成更大的金屬流動死區(qū).

(a) 45 mm

(b) 35 mm

(c) 25 mm

圖3為匯合模長度對鎂合金焊合室壓力的影響(焊合室取點(diǎn)位置如圖4)，可以看出，匯合模長度由25 mm延長至45 mm，焊合室內(nèi)焊合壓力整體降低.隨著匯合模長度的增加，腔體內(nèi)部金屬流體匯合空間越大，流體相互協(xié)調(diào)時間越充足，內(nèi)部各處相互作用力整體更加均衡，這才使出口處流速越均勻，因此整體流動速度平緩.由于匯合模長度縮短，減小了金屬匯合空間，金屬流動主要集中在出口對應(yīng)進(jìn)料口區(qū)域部位，匯合模長度越短，其焊合壓力值越大.

圖3 匯合模長度對鎂合金焊合室壓力的影響

圖4 焊合室取點(diǎn)位置示意圖

圖5是模腔角分別為10°、20°、30°的速度場.隨著模具腔角增大，金屬在板材出口處的速度分布越均勻，在30°時可以看到，流體橫向擴(kuò)展幅度已達(dá)到板材尺寸需求，中間向兩側(cè)擴(kuò)展良好；而在最小的10°時，則可以看到金屬在出口處主要集中在對應(yīng)兩進(jìn)料口及中間部位，而出口兩側(cè)則形成了死區(qū).這主要是由于模腔角越大，對金屬流體的阻礙作用越大，并且在腔角邊緣部位產(chǎn)生金屬回流，加強(qiáng)了流體在焊合室內(nèi)部的橫向擴(kuò)展流動性.模具腔角越小，則產(chǎn)生的阻力越小，且由于角度減小，模具向內(nèi)側(cè)的壓力降低，導(dǎo)致回流效果減小，金屬橫向擴(kuò)展變差，在邊緣部位，流體受到阻力作用，速度逐漸減小乃至停滯，形成死區(qū).

(a) 10°

(b) 20°

(c) 30°

圖6為模具腔角對焊合室壓力的影響，隨著模具腔角的增大，焊合室內(nèi)成形焊合壓力明顯減小.角度由10°增加到30°焊合室內(nèi)橫截面的壓力整體降低了14%左右，同時可以看到，模具腔角度較小時，焊合室內(nèi)部兩側(cè)區(qū)域較中心區(qū)域焊合壓力高.這主要是由于模腔角較小時，腔體內(nèi)部形成了更大區(qū)域的金屬流動死區(qū)，間接相當(dāng)于減小了腔體內(nèi)部空間，致使內(nèi)部作用力整體增大，流體主要集中在出口中部區(qū)域擠出，速度加快，造成了中間高兩邊低的焊合壓力狀態(tài)；而模具腔角較大時，金屬流動整體較均勻，內(nèi)部壓力相對減小，且在焊合室邊部區(qū)域存在回流，致使焊合室內(nèi)中間焊合壓力較小對應(yīng)進(jìn)料口的兩側(cè)區(qū)域則相對增大.

圖6 模具腔角對焊合室壓力的影響

3 結(jié)論

(1)在AZ31鎂合金板材連續(xù)擠壓擴(kuò)展成形中，隨著匯合模長度增加，焊合室內(nèi)橫截面整體壓力降低，金屬橫向擴(kuò)展能力提高，模具出口定徑帶處的金屬流動均勻性提高，利于板材連續(xù)擠壓成形.

(2)隨著模具焊合室腔角的增大，坯料在模具出口受到的阻力加大，金屬橫向流動擴(kuò)展能力提高，金屬流動的均勻性提高；另一方面，隨著模具焊合室腔角減小，焊合室焊合壓力增大，利于鎂合金板材連續(xù)擠壓成形.

[1]朱根松,田海霞,劉柏雄. ZK61鎂合金擠壓工藝模擬研究[J]. 有色金屬科學(xué)與工程,2010 (1) : 34- 37.

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[3]唐寧. 連續(xù)鑄軋AZ31B鎂合金板坯的組織結(jié)構(gòu)及退火行為[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2008.

[4]宋寶韞, 樊志新, 陳吉光, 等. 銅、鋁連續(xù)擠壓技術(shù)特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用[J]. 稀有金屬, 2004, 28 (1): 257- 261.

[5]郭麗麗，李永兵，裴久陽.基于Hyperxtrude的ZK60鎂合金型材擠壓成形數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，2015,40(6)：138- 143.

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The Influence of Die Structure on the Continuous Extrusion Ability of AZ31 Magnesium Sheets with Double Billets

LIU Xue,GUO Lili,FU Rong

(Engineering Research Center of Continuous Extrusion, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Based on the characteristics of the continuous extrusion forming, the FEM model of continuous extrusion with double AZ31 magnesium alloy billets by using HyperXtrude is established. The simulation product size is 160 mm×8 mm.The influence of the mold cavity angle and convergence mold length on sheet formability in double-pole feed continuous extrusion are analyzed. Simulation results show that the flow uniformity and the welding pressure are increased with the mold cavity angle, and the sheet formability of continuous extrusion are improved. The flow uniformity of the magnesium alloy at the position of the die exit is increased with the increasing the length of convergence mold, and the sheet formability is improved, but the welding pressure is reduced.

continuous extrusion with double billets；die structure；numerical simulation；formability

1673- 9590(2016)03- 0079- 04

2015- 03- 27

劉學(xué)(1990-)，男，碩士研究生;符蓉(1965-)，女，教授，博士，主要從事摩擦制動材料的研究E- mail:guolili0822@hotmail.com.

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