AZ40M鎂合金方形孔軸類零件熱擠壓數值模擬

甘樹德，夏 華，杜長華，郭小龍

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

目前，在工程應用領域中鎂及鎂合金占據著重要的位置，被公認為是最輕質的金屬結構材料。由于鎂及其合金在比強度、抗電磁屏蔽性能、機械加工等方面具有顯著的優點，使它在汽車、電子電器、交通、航天航空以及國防科工領域具有巨大的應用前景［1－2］。

但相對于鋁，鎂合金的研究和開發還很不充分，而且其產量也只有鋁合金的0.17%左右，所以它有著很大的發展潛力。由于鎂是密排六方晶體結構，只有1個滑移面和3個滑移系，導致其室溫塑性很差，很難加工成板、帶、棒型材，因此目前應用的大部分都是鎂合金鑄件［3］。但與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金組織細小均勻，綜合力學性能好，適合于多樣化結構件的要求［4］。

國內外對變形鎂合金擠壓、軋制、超塑性變形等研究相對較多。但由于鎂合金塑形差、鍛造難度大，沒有找到合適的應用方向，國內外鮮有鎂合金復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雜形狀零件的熱鍛成形工藝具有重要的意義。

本文對AZ40M鎂合金方形孔軸類零件的熱擠壓成形工藝進行有限元數值模擬，分析成形過程中應力、應變、微觀組織的演變［6］，以期為AZ40M鎂合金復雜零件鍛造工藝提供科學的依據。

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，利用正反復合擠壓成形工藝將方孔和右端φ30mm臺階軸同時成形，其余部分車削加工完成。

圖2 方形孔軸類零件擠壓件

2 有限元模擬結果與分析

2.1 應變模擬

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;在整個成形過程中，方形孔部位材料變形較大，最大應變出現在方孔拐角處，在軸下方部分應變較小且變化相差不大，應變基本上呈左右對稱分布。

圖3 擠壓過程的等效應變分布

2.2 應力模擬

由圖4可以看出:擠壓過程中等效應力發生了較大的變化。擠壓初期，坯料與凸模接觸區的等效應力較大，隨著變形量的增加，與凸模先接觸的金屬由于等效應變達到了發生動態再結晶的臨界應變，從而發生了動態再結晶，使等效應力降低。整個擠壓過程中方形孔部位由于上下模打靠應力顯著增大，而下方軸類部分由于動態再結晶的軟化作用所以應力較低。

圖4 擠壓過程的等效應力分布

2.3 動態再結晶分數模擬

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肩部位的應變量大于臨界應變而先發生動態再結晶，而其余絕大部分由于應變量還沒有達到臨界應變所以沒有發生動態再結晶;擠壓結束時，隨著應變的變化，大部分區域都發生了動態再結晶，只有上部邊緣部位僅發生部分動態再晶。

圖5 擠壓過程再結晶百分數分布

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肩部位的應變量大于臨界應變而先發生動態再結晶，從而導致這些部位的晶粒細化;在擠壓結束時，隨著應變的變化，大部分區域都發生了動態再結晶，只有上部邊緣部位僅發生部分動態再晶，所以這一部位的晶粒尺寸較其它部位較大。

圖6 擠壓過程的晶粒尺寸分布

3 結束語

本文通過對AZ40M鎂合金方形孔軸類零件的熱擠壓成形工藝進行有限元數值模擬，分析了AZ40M鎂合金在熱鍛成形過程中應變、應力、動態再結晶分數和晶粒尺寸的變化，為AZ40M鎂合金復雜零件鍛造工藝提供了理論依據。

［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合金的最新進展及應用前景［J］.金屬學報，2001，37(7):673 －685.

［4］陳振華.鎂合金［M］.北京:化學工業出版社，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，2012.

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