AZ31鎂合金薄板溫軋工藝的數(shù)值模擬

鄧小虎，李立云，曲周德

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市模具數(shù)字化制造技術(shù)工程中心，天津300222；3.天津天德減震器有限公司，天津200480）

AZ31鎂合金薄板溫軋工藝的數(shù)值模擬

鄧小虎1，李立云2，3，曲周德2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市模具數(shù)字化制造技術(shù)工程中心，天津300222；3.天津天德減震器有限公司，天津200480）

利用ABAQUS軟件對不同工藝條件下AZ31鎂合金薄板溫軋過程進(jìn)行了模擬，探究軋制溫度、軋制速度及壓下量等工藝參數(shù)對溫軋過程中溫度場、等效應(yīng)力及應(yīng)變場的影響規(guī)律，旨在為使用溫軋工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鎂合金薄板提供理論指導(dǎo)。

AZ31鎂合金；薄板；溫軋；工藝參數(shù)；數(shù)值模擬

鎂合金是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度及比剛度、良好的減震性及導(dǎo)熱性、絕佳的電磁屏蔽性和易切削回收等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)最具發(fā)展前景的綠色工程材料”［1-2］。鎂合金板材特別是高性能鎂合金薄板的發(fā)展前景尤為廣闊。但傳統(tǒng)方法制備的鎂合金薄板在質(zhì)量和產(chǎn)量上均已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求［3-4］，溫軋作為一種新型的軋制工藝是目前優(yōu)質(zhì)變形鎂合金薄板研發(fā)的重要方向之一，許多學(xué)者對鎂合金溫軋工藝進(jìn)行了研究。盧楊［5］經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用鑄軋-溫軋工藝所得薄板組織均勻、力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度比鑄軋-熱軋薄板好，塑性比鑄軋-冷軋薄板好。王川川［6］研究了鎂合金板帶溫軋過程中影響板形及板凸度的各種因素的作用規(guī)律。盡管在鎂合金溫軋工藝方面取得了一定成果，但對鎂合金溫軋的成形規(guī)律及工藝參數(shù)的影響等方面研究還不夠透徹，且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段費(fèi)用高、周期長。本文基于有限元的方法研究鎂合金薄板溫軋過程的成形規(guī)律，為使用溫軋工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鎂合金薄板提供理論指導(dǎo)。

1　溫軋模型的建立

ABAQUS是一個(gè)基于有限元法的專業(yè)仿真軟件，計(jì)算速度快，具有較強(qiáng)的重劃網(wǎng)格能力，尤其適用于像金屬塑性成形這樣的復(fù)雜非線性分析。因此本文利用ABAQUS軟件進(jìn)行溫軋模擬。為使模型在ABAQUS軟件中順利模擬溫軋過程，在建立溫軋模型時(shí)，結(jié)合實(shí)際軋制做出如下假設(shè)：

（1）軋板為變形體，不考慮AZ31鎂合金板材不均勻性帶來的影響，假設(shè)板材質(zhì)地均勻，各向同性。

（2）在軋板長度方向進(jìn)行相應(yīng)簡化，即縮短軋件長度至滿足穩(wěn)定軋制階段的要求。

（3）為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，軋輥設(shè)為解析剛體，無變形，僅存在熱量交換，其邊界條件和場變量輸出等均定義在參考點(diǎn)上。

1.1溫軋模型

鎂合金薄板厚度通常在0.2～4 mm之間，本文采用遼寧科技大學(xué)生產(chǎn)的3 mm厚度的AZ31鎂合金鑄軋板進(jìn)行研究。采用溫軋工藝進(jìn)行軋制以研究鎂合金超薄板技術(shù)，溫軋采用的鎂板長為40 mm，軋輥直徑為80 mm，軋輥長為200 mm（軋輥的尺寸均為遼寧科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)所用軋輥尺寸），其二維溫軋模型如圖1所示。

圖1　二維溫軋模型

1.2工藝參數(shù)的選擇

本文主要研究的板材為鑄軋后3 mm的薄板，采用的溫軋工藝參數(shù)如表1所示。

表1　溫軋工藝參數(shù)

2　工藝參數(shù)對鎂合金薄板溫軋過程的影響

2.1工藝參數(shù)對溫度場的影響

2.1.1壓下量對溫度場的影響

選取的工藝參數(shù)為：固定板厚3 mm、軋板溫度300℃、軋輥溫度20℃、溫軋速度80 mm/s，壓下量分別選取10%、20%、30%和40%。

4種壓下量下軋板的溫度場分布如圖2所示。由圖2可知，溫軋時(shí)在板厚方向上軋板表面到心部的溫度場呈階梯狀，心部溫度高于表面溫度。隨壓下量的增大，同一位置軋板表面的溫度下降，中心溫度上升，軋板的變形越大，溫度梯度越明顯。

圖2　不同壓下量下板材的溫度場分布

2.1.2軋制速度對溫度場的影響

分別選取溫軋速度為40 mm/s、80 mm/s、120 mm/s、200 mm/s，固定板厚3 mm，軋件溫度300℃，軋輥溫度20℃，壓下量20%。

圖3　不同軋制速度下板材的溫度場分布

4種軋制速度下軋板的溫度場分布如圖3所示。溫度場在板厚方向上呈階梯分布。隨軋制速度的增大，軋板的溫度分布逐漸減小，但由于軋板和軋輥間的傳熱始終高于塑性功及摩擦產(chǎn)生的熱量，所以軋板溫度始終小于初始溫度。

2.2工藝參數(shù)對等效應(yīng)力場的影響

2.2.1軋制溫度對等效應(yīng)力場的影響

（1）軋制溫度對軋板等效應(yīng)力場的影響。

為研究軋制溫度對軋板等效應(yīng)力場的影響，軋板溫度分別選取250℃、300℃及350℃，固定壓下量為20%，溫軋速度為80 mm/s，板厚為3 mm，軋輥溫度為20℃。不同溫軋速度下軋板的等效應(yīng)力場分布如圖4所示。

圖4　不同軋制溫度下板材的等效應(yīng)力場分布

由圖4可見，軋板和軋輥接觸位置的等效應(yīng)力最大，在軋制方向上，由變形區(qū)中部往兩邊遞減，最大等效應(yīng)力值產(chǎn)生在前滑區(qū)或后滑區(qū)部分；在板厚方向上，等效應(yīng)力值由軋板表面向軋板中心遞減。隨軋制溫度的升高，等效應(yīng)力值不斷減小，該結(jié)論與AZ61鎂合金軋制過程變化規(guī)律一致［7］。

（2）軋輥溫度對AZ31鎂合金薄板溫軋過程等效應(yīng)力場的影響。

為研究軋輥溫度對AZ31鎂合金薄板溫軋過程等效應(yīng)力場的影響，根據(jù)實(shí)際軋制時(shí)的軋輥溫度，分別取20℃、100℃及200℃的軋輥溫度，軋件溫度300℃，壓下量20%，溫軋速度80 mm/s，板厚3 mm。

3種軋輥溫度下等效應(yīng)力場分布情況如圖5所示。由圖5可知，軋板和軋輥接觸位置等效應(yīng)力最大，在軋制方向上，由變形區(qū)中部往兩邊遞減，最大等效應(yīng)力值產(chǎn)生在前滑區(qū)或后滑區(qū)部分，且隨軋輥溫度的升高，等效應(yīng)力值不斷減小。

圖5　不同軋輥溫度下板材的等效應(yīng)力場分布

2.2.2壓下量對等效應(yīng)力場的影響

壓下量分別選取10%、20%、30%和40%，固定軋板厚度為3 mm，軋板溫度為300℃，軋輥溫度為20℃，溫軋速度為80 mm/s。4種壓下量下軋板等效應(yīng)力場分布如圖6所示。由圖6可見，在板厚方向等效應(yīng)力由軋板表面向軋板中心減小，沿軋制方向等效應(yīng)力的分布由變形區(qū)中間向兩邊逐漸減小，最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在軋板的前滑區(qū)。隨壓下量的增大，等效應(yīng)力值不斷增大。

圖6　不同壓下量下板材的等效應(yīng)力場分布

2.2.3軋制速度對等效應(yīng)力場的影響

軋制速度分別選取40 mm/s、80 mm/s、120 mm/s和200mm/s，固定板材厚度為3mm，軋板溫度為300℃，軋輥溫度為20℃，壓下量為20%。

不同軋制速度下軋板等效應(yīng)力場分布如圖7所示。由圖7可知，在軋制方向上，等效應(yīng)力由變形區(qū)中部往兩邊逐漸降低；在板厚方向上，變形區(qū)表面的等效應(yīng)力高于軋板中部的等效應(yīng)力值，等效應(yīng)力由軋板表面往軋件中心遞減。隨軋制速度的上升，等效應(yīng)力值不斷減小。

圖7　不同軋制速度下軋板的等效應(yīng)力場分布

2.3工藝參數(shù)對等效應(yīng)變場的影響

壓下量分別選取10%、20%、30%、40%，固定軋板厚度為3 mm，軋板溫度為300℃，軋輥溫度為20℃，溫軋速度80 mm/s。4種壓下量下等效應(yīng)變場的分布如圖8所示。

由圖8可知，隨壓下量的增大，沿軋制方向等效應(yīng)變由已變形區(qū)域向非變形區(qū)域漸漸變小，沿軋板厚度方向應(yīng)變值由表面向心部遞減，最大應(yīng)變值產(chǎn)生在軋板表面的前滑區(qū)。隨壓下量的增大，等效應(yīng)變值不斷增大。

圖8　不同壓下量下板材的等效應(yīng)變場分布

3　結(jié)束語

本文運(yùn)用ABAQUS軟件，系統(tǒng)研究了AZ31鎂合金薄板的溫軋變形規(guī)律，在不同工藝條件下進(jìn)行溫軋模擬，探究了工藝參數(shù)對溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場等的作用規(guī)律。研究表明，軋板溫度隨壓下量的增大而降低，隨軋制速度的上升而升高；等效應(yīng)力值隨軋制溫度的上升而減小，隨壓下量的增大而增大，隨軋制速度的上升而減小；等效應(yīng)變值隨著壓下量的增大而增大。

［1］BUSK R S.Magnesium Production Design［M］.New York：Marcel Dekker Inc，1986.

［2］MORDIKE B L，EBERT T.Magnesium properties，application，potential［J］.Materials Science and Engineering A，2001，302（1）：37-45.

［3］馬鴻文，曹瑛，蔣蕓，等.中國金屬鎂工業(yè)的環(huán)境效應(yīng)與可持續(xù)發(fā)展［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（5）：829-837.

［4］張文毓.鎂合金及其加工技術(shù)研究進(jìn)展［J］.稀有金屬快報(bào)，2007，26（8）：15-19.

［5］盧楊.AZ31鎂合金薄板軋制及組織性能的研究［D］.鞍山：遼寧科技大學(xué)，2013.

［6］王川川.AZ31B鎂合金板帶溫軋板形影響因素及板凸度控制研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

［7］曹宏偉.AZ61鎂合金薄板軋制過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

Numerical simulation of warm rolling technology in AZ31 magnesium alloy sheet

DENG Xiao-hu1，LI Li-yun2，3，QU Zhou-de2
（1.Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Engineering Center of Digital Manufacturing of Die and Mould，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；3.Tianjin Tiande Suspension Systems Co Ltd，Tianjin 300480，China）

The ABAQUS software is used to simulate the warm rolling process of magnesium alloy sheet under different process conditions.The influence rule of the process parameters such as rolling temperature，rolling speed and reduction on the temperature field，equivalent stress and strain field is investigated in this paper.The simulated results provide theoretical guidance for using warm rolling to product high-quality magnesium alloy sheet.

AZ31 magnesium alloy；sheet；warm rolling；process parameters；numerical simulation

TG399

A

2095－0926（2016）02－0001－04

2016-05-10

天津市自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目（13JCYBJC38900）；遼寧科技大學(xué)省級工程技術(shù)研究中心開放課題基金（USTLKEC201409）；天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃（TD12-5043）；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金項(xiàng)目（20130408）.

鄧小虎（1984—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)榻饘俨牧瞎虘B(tài)加工過程數(shù)值模擬.