U 形板件模壓各區應變演化規律研究

（合肥工業大學 材料科學與工程學院，合肥 230009）

國際熱核聚變實驗堆（International thermonuclear experimental reactor,ITER）計劃是當前世界各國為了應對能源危機而設定的多個國家參與的能源計劃[1—2]。包容高溫聚變等離子體的聚變堆包層是其核心部件，包層第一壁結構具有復雜的流道結構，如圖1 所示[3]。對于這種帶有復雜結構的管件加工，傳統的加工工藝主要是彎管工藝，而彎管工藝加工出來的管件存在回彈現象，在彎曲處會有斷裂、起皺等問題，并且彎曲處相對于非彎曲處的組織性能也不一樣[4—5]。鑒于此，提出了U 形件擠壓加擴散焊接的工藝方法來加工復雜的第一壁流道結構[6]。擴散焊接是在真空高溫高壓環境下進行的，焊接后的材料微觀組織粗大，相應的力學性能降低[7—8]，為了提高整個第一壁的力學性能，需要首先對U 形板件進行改性。大塑性變形法（Severe plastic deformation，SPD）是極具潛力的材料改性方法[9]，它在基本不改變材料體積的前提下，以通過累積大量的塑性應變達到細化晶粒、制備力學性能優異的超細晶（Ultra-fine grained，UFG）材料為目的的材料制備方法，得到了廣泛的研究。從1930 年由Bridgeman 首次提出高壓扭轉法到現在，大塑性變形已經發展出累積疊軋（Accumulative roll-bonding，ARB）、往復擠壓（Cyclic extrusion compression，CEC）、高壓扭轉（High pressure torsion，HPT）、等徑角擠壓（Equal-channel angular pressing，ECAP）、反復折彎-壓直（Repetitive corrugation and straightening，RCS）、模壓（Groove pressing，GP）、多向鍛造（Multi-directional forging，MDF）等工藝方法[9—12]。近年來，模壓大變形方法在提升板材力學性能方向的應用得到了充分的發展[13—15]。文中，筆者結合U 形板件坯料的復雜形狀及模壓變形對于提升板材性能的優勢，將限制性模壓大塑性變形法應用于U 形板件的改性制坯中，提出了一種新型的大塑性變形工藝方法——U 形件模壓。為了探究該種新型大塑性變形過程中坯料的變形過程、變形機理及應變分布特征，借助DEFORM-3D 有限元軟件對U 形板件限制性模壓（Constraint groove pressing,CGP）工藝進行研究。

圖1 TER 及第一壁結構Fig.1 ITER and first wall structure

1 有限元模型建立

圖2 所示為U 形板坯及不同的模壓變形路徑示意圖。A 路徑：第一次壓彎壓平后，不更換模具，依然使用同一副模具再做一次壓彎壓平，完成4 次擠壓為模壓的一個道次。路徑B：第一次壓彎壓平后更換與第一次壓彎模具齒位互補的模具，再做一次壓彎壓平，完成4 次擠壓為模壓的一個道次。考慮到U 形板件的扇形區域多次變形后應變的均勻性，通過對比發現，理論上A 路徑不能得到U 形板件模壓后全局均勻的應變分布，因此，將采用B 路徑方案進行模擬分析。為了便于后續描述，圖3 給出了文中U 形件模具術語的定義，即與水平面平行的為平齒面，與水平面不平行的是斜齒面，平齒面與斜齒面相交的地方為齒拐角，平齒面為矩形的齒是直齒，平齒面為扇形的齒為扇形齒（或弧形齒），扇形齒上等直徑對應點之間的弧長稱為跨度。

圖2 U 形板件尺寸和不同模壓變形路徑Fig.2 Dimensions and different die pressing deformation paths of U-shaped plate

圖3 U 形件模具術語Fig.3 Terms of U-shape plate die

圖4 所示為U 形板件模壓變形有限元模型，基本參數設置如下：坯料溫度為600 ℃，模具溫度為200 ℃，模具齒傾角為45°，齒高為10 mm。材料本構模型選取Q235，網格數量劃分為80 000，將坯料體積屬性設置Active in FEM+meshing，上模運動速度為v=1 mm/s，溫成形摩擦因數設置為0.25。

圖4 U 形板件模壓有限元模型Fig.4 Finite element model of U-shaped plate die pressing

2 結果與分析

2.1 單道次CGP 變形應變演化及變形均勻性分析

圖5 單道次CGP 試樣不同變形階段等效應變分布演化圖和應變占比柱狀圖Fig.5 Evolution and histogram of equivalent strain distribution in different deformation stages of single pass CGP specimen

圖5 是單道次CGP 試樣不同變形階段等效應變分布和應變占比柱狀圖。如圖5a 所示，第一次壓彎過程結束后，等效應變較小，應變主要集中在對應斜齒面區域，應變的產生主要是受到上下模壓齒的剪切作用，在U 形板件上形成“應變明顯積累-應變不明顯積累”交替出現的特征[16]。第一次壓平后對應的第一次壓彎區域的應變量明顯增加，而非應變區域的應變積累依舊沒有變化（如圖5b 所示）。將上下模替換后進行第二次壓彎過程，之前沒有發生變形的區域受到上下齒的剪切作用發生應變積累，而已經發生變形的區域在本次變形過程中應變基本上不發生變化（如圖5c 所示）。在第二次壓平過程結束后，壓彎區域再次受到剪切作用產生塑性變形而被壓平，4 次模壓結束后整個變形過程中材料的應變均勻（如圖5d 所示）。當第二次壓平結束后，材料各區域理論上受到兩次剪切作用的塑性變形，模壓的一個道次結束。應變的分布特征主要有剪切變形區、臨界變形區、非變形區，臨界變形區位于另兩者之間，三者之間無明顯界限，其中剪切變形區應變累積最顯著，臨界變形區次之，非變形區幾乎無應變累積。

為進一步分析工藝過程中等效應變的大小分布情況，引入不均勻系數I（Inhomogeneity factor,I.F）[17]用于評價塑性變形的均勻性：

式（1）中：εi為第i點的應變值；為所取點的平均應變值；n為取點個數。I值越小代表等效塑性應變越均勻，且排除了樣本平均值的增大對均勻性造成的影響，評價結果更為客觀可靠。結合應變分布云圖可以總結出在，第二次壓平后應力分布比較均勻。綜合考慮試樣中應變分布均勻性的優劣性與變化情況，可得U 形板件4 次擠壓I值計算結果分別為2.29，5.23，1.51，1.181。計算結果表明，最后一次擠壓變形的應力分布不均勻系數明顯小于前3 次，即經過一個道次模壓變形后，U 形板件應變分布均勻性最優。

4 次擠壓（包括壓彎和壓平）的應變值主要分布分別為0～0.5，0.1～1.0，0.25～1.2，0.5～1.5。隨著變形次數的增加，應變累積量也隨之增加，第一次壓彎變形過程中，上模向下運動，齒斜面區域受到剪切的作用，產生塑性變形，齒平面的區域沒有剪切作用，幾乎不產生塑性應變，這導致坯料應變分布具有明顯的不均勻性，模具齒斜面部分（即與U 形件不平行的模具齒面部分，如圖3 所示）的區域應變較大，模具齒平面部分（即與U 形件平行的模具齒面部分，如圖3 所示）的區域幾乎無應變產生，這與普通板材模壓的變形規律一致[17]。在第一次壓平后，已變形區再次承受剪切變形，應變累積明顯加大，未變形區基本保持原有特征，兩次剪切發生在同一部位，變形區重復承受剪切力，導致整體的應變均勻性最差。后續的兩次變形中，應變累積特征與第一次變形相似，此前未變形區經歷兩次剪切變形以最大程度使坯料整體變形均勻，后兩次變形與前兩次變形的位置互補，使得第一次擠壓后的未變形區域受到剪切的作用發生兩次剪切變形，從理論上保證了4 次變形后整體板材變形的均勻性。根據應變分布云圖看出，各區域不能達到理論上的應變均勻分布，這是變形過程中受到摩擦等作用導致的。根據云圖還可以看出，應變的不均勻主要體現在弧形的轉角部位。應變統計圖的演化清楚地表明應變值不僅趨向于越來越均勻，而且越來越大。

應變累積的中間過程是研究應變不均勻性形成原因的一個重要研究對象。在U 形模壓工藝中非轉角處的平直齒區域，應變累積與轉角處的弧形齒區域的應變累積規律大相徑庭。圖6 是在平直齒區域的應變分布及其規律統計情況，在平直齒區域中心面所取得的3 條直線的應變分布曲線的走勢是一致的，應變分布呈現波動式分布，3 條曲線基本重合，應變數值分布在0.8～1.4 之間。圖7 是應變分布規律與齒的對應關系，一道次第一次壓彎壓平后在斜齒面區域（剪切區域）的中心處應變較大且向兩側逐漸減小。完成一道次后在受到剪切作用的位置均呈現中心處應變較大并向兩側逐漸減小的趨勢，在靠近齒拐角的地方應變最小。剪切基本上是在45°方向上產生并向兩邊擴展，這將導致中心區域最先剪切變形而導致應變量更大。

圖6 直齒區域應變分布及其規律統計Fig.6 Strain distribution of straight groove area

圖7 應變分布規律與齒的對應關系Fig.7 Relationship between strain distribution and die

圖8 是扇形齒區域應變分布及其規律統計圖，可知該區域應變值范圍在0.2～1.6 之間，應變范圍跨度大，應變分布不均勻。根據所取的3 條線上的應變變化可知齒面跨度越大的地方（Line 3）應變越小，齒面跨度越小的地方（Line 1）應變越大。為了更快得到大應變變形的材料，應適當考慮減小齒寬，增加齒數來增加剪切變形的位置，最終快速獲得大變形材料。

2.2 兩道次應變演化及變形均勻性分析

圖9 為兩個不同道次U 形件限制性模壓變形后的坯料x-y截面的最終等效應變分布云圖及應變分布占比。兩道次變形后直齒區應變累積均勻性較弧形齒部分好。

圖8 扇形齒區域應變分布及其規律統計Fig.8 Strain distribution of fanshaped groove area

圖9 不同道次試樣x-y 截面等效應變分布及應變統計演化Fig.9 Evolution of effective strain distribution and effective strain statistics at x-y plane of specimen after different passes

由式（1）可得，單道次和兩道次模壓變形后I值分別為1.86 和1.21，由計算結果可以看出，單道次變形之后板件的離散系數大于兩道次變形后板件的離散系數，說明采用兩道次變形后應變分布更加均勻。同時，通過云圖可以發現，弧形齒部分累積的應變較直齒部分的小，這與一道次變形后的應變分布狀態一致。

圖10 是應變分布規律，其取點的方式與一道次應變分布分析時取點位置相同，在平直齒區域，應變分布在1.8～2.6 之間，多數分布在2.1～2.45 之間，少數超出2.1～2.45 這個范圍。與一道次規律相同的是：在弧形齒區域，齒面跨度小的位置（Line 3）應變大，齒面跨度大的地方（Line 1）應變小。隨著道次的增加，在直齒區域應變的波動程度明顯有所降低，均勻性增加。扇形齒區域應變分布范圍加大，但是真正變形大的地方（Line 3 附近）占整個扇形齒區域比例小。

圖10 二道次后應變分布規律Fig.10 Strain distribution after pass 2

3 結果驗證

圖11 為零件的試制結果，在模擬結果的指導下，將設計加工好的模具在200 t 壓力機下組裝好后，將事先切割并石墨潤滑好的Q235 鋼板連同模具組裝完成放在加熱爐中，加熱至600 ℃并保溫30 min，壓力機以1 mm/s 的速度勻速下壓直至達到行程，每次下壓更換模具都將重新加熱直至按照模擬中的順序依次進行兩個道次試驗。結果表明，兩個道次變形均成功對復雜的U 形板件進行了反復的折彎剪切變形，驗證了方案的可行性，為后續其他材料U 形件模壓提供了指導。

圖11 模具工裝及試制U 形件Fig.11 Mold assembly and U-shaped plate of trial-manufacture

4 結論

基于擴散焊接制造包層第一壁冷卻流道前后的材料性能要求，提出U 形板件模壓工藝作為一種大變形方法對坯料進行改性，并通過結合UG 建模與Deform 有限元仿真，成功地對U 形板件限制性模壓工藝進行了探索變形特征研究，通過分析不同道次下的變形特點、等效應變演化規律、應變分布規律，得到了以下主要結論。

1）從單道次模壓變形來看，由于剪切沿著45°方向進行，導致直齒區域應變呈現波動式分布，受到剪切作用的位置均呈現中心處應變較大并向兩側逐漸減小的趨勢，在靠近齒拐角的地方應變最小。

2）從單道次模壓變形來看，扇形齒區域應變呈現齒面跨度越小，應變越大，齒面跨度越大，應變越小。減小齒寬有利于累積應變。

3）從兩道次模壓變形來看，隨著變形道次的增加，整體應變顯著增加。應變分布曲線的波動程度隨著變形道次的增加有所降低，直齒區域的變形均勻性比扇形齒區域的更好，總體應變均勻性提升。

4）試驗成功制出兩道次U 形模壓板件，驗證了模擬方案的可行性，為其他材料U 形板件模壓提供了指導。