模具結構對鎂合金板材連續擠壓成形性能的影響

劉學，郭麗麗，符蓉

(大連交通大學 連續擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)

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模具結構對鎂合金板材連續擠壓成形性能的影響

劉學，郭麗麗，符蓉

(大連交通大學 連續擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)

根據連續擠壓擴展成形的特點，利用 HyperXtrude軟件建立了160 mm×8 mm的 AZ31鎂合金雙桿連續擠壓的有限元模型.分析了擠壓輪轉速為4 r/min時模具腔角和匯合模長度對板材連續擠壓成形的影響.結果表明：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鎂合金板材連續擠壓成形.

雙桿連續擠壓；模具結構；數值模擬；成形性

0 引言

鎂合金具有質量輕、污染小、減振性好、導熱性能高、電磁屏蔽性好等一系列優點[1]，然而，由于鎂合金是密排六方結構，常溫下變形困難，所以傳統方法生產鎂合金板材的過程中，需要反復加熱.由此可見，變形鎂合金的生產中存在的問題是耗能大且材料利用率低.

連續擠壓具有低能耗、材料利用率高、可實現連續生產以及以自身摩擦力為動力和熱能供應系統這一最突出的特點[2-3]，使其在實際生產中被廣泛使用，并且已經成功應用于銅、鋁寬板帶的生產[4].應用HyperXtrude軟件可準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 連續擠壓有限元模擬

1.1 有限元模型的建立

以TLJ400連續擠壓機為原型，基于HyperXtrude軟件，建立AZ31鎂合金連續擠壓模型如圖1所示.

圖1 雙桿連續擠壓有限元模型

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軟件材料數據庫中未提供AZ31鎂合金的本構模型，模擬中選用帶有Z參數的雙曲正弦函數修正的Arrhenius 關系作為本構方程來描述AZ31 鎂合金高溫壓縮變形時的流動應力[6]，如下：

(1)

式中各參數及物理意義如表1所示.

表1 AZ31B鎂合金的反雙曲正弦模型的參數

1.3 模擬參數的設定

連續擠壓過程中，需要將腔體和模具預熱到一定溫度，并考慮在擠壓過程中坯料與工模具之間的熱傳導作用.數值模擬中的初始參數如下：坯料材料為AZ31鎂合金，坯料直徑Φ為20 mm，擠壓輪轉速為4 r/min，坯料不預熱，腔體、模具預熱溫度為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準偏差值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 模擬結果分析

圖2為匯合模長度(模具進料口入口到擴展腔起始邊緣的距離)分別為25、35、45 mm，擠壓輪轉速為4 r/min，板材寬度為160 mm×8 mm的連續擠壓數值模擬的速度場.腔體在兩進料口中部切開，Z方向為板材出口反方向.由圖2可知，匯合模長度為45 mm時，因金屬流體在模腔內有足夠的時間、空間促使其達到均勻混合的效果，在擴展腔內部可以看出流體在橫向及縱向的流動速度相差較小，平均數值在5～10 mm/s左右，而金屬流體到達焊合室時，受到焊合室兩側擠壓作用，橫向以及縱向速度加快，數值達到了50 mm/s，但各區域流體流動比較平衡，速度差值很小，流體內部無明顯的區域劃分現象.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，由進料口注入腔體的金屬流向兩側的橫向擴展能力較差，容易形成更大的金屬流動死區.

(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，焊合室內焊合壓力整體降低.隨著匯合模長度的增加，腔體內部金屬流體匯合空間越大，流體相互協調時間越充足，內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進料口區域部位，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，流體橫向擴展幅度已達到板材尺寸需求，中間向兩側擴展良好；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兩進料口及中間部位，而出口兩側則形成了死區.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生金屬回流，加強了流體在焊合室內部的橫向擴展流動性.模具腔角越小，則產生的阻力越小，且由于角度減小，模具向內側的壓力降低，導致回流效果減小，金屬橫向擴展變差，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.

(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，焊合室內成形焊合壓力明顯減小.角度由10°增加到30°焊合室內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，焊合室內部兩側區域較中心區域焊合壓力高.這主要是由于模腔角較小時，腔體內部形成了更大區域的金屬流動死區，間接相當于減小了腔體內部空間，致使內部作用力整體增大，流體主要集中在出口中部區域擠出，速度加快，造成了中間高兩邊低的焊合壓力狀態；而模具腔角較大時，金屬流動整體較均勻，內部壓力相對減小，且在焊合室邊部區域存在回流，致使焊合室內中間焊合壓力較小對應進料口的兩側區域則相對增大.

圖6 模具腔角對焊合室壓力的影響

3 結論

(1)在AZ31鎂合金板材連續擠壓擴展成形中，隨著匯合模長度增加，焊合室內橫截面整體壓力降低，金屬橫向擴展能力提高，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]. 有色金屬科學與工程,2010 (1) : 34- 37.

[2]劉長瑞,王伯健,王慶娟,等. 鎂合金AZ31常溫下的塑性變形行為[J]. 輕合金加工技術,2005,33(3): 43- 46.

[3]唐寧. 連續鑄軋AZ31B鎂合金板坯的組織結構及退火行為[D]. 長沙: 中南大學, 2008.

[4]宋寶韞, 樊志新, 陳吉光, 等. 銅、鋁連續擠壓技術特點及工業應用[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值模擬和實驗驗證，2015,40(6)：138- 143.

[6]王忠堂,張士宏,齊廣霞,等. AZ31 鎂合金熱變形本構方程[J]. 中國有色金屬學報,2008,18 (11):1977- 1982.

[7]萬萌萌,王延輝,楊俊英,等. 鎂合金及純鋁連續擠壓流動均勻性對比研究[J].鍛壓技術,2013，38(4):135- 139.

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(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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