文/黃東男，徐寧·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

模具結(jié)構(gòu)對高性能鎂合金棒材擠壓過程的影響

文/黃東男，徐寧·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

黃東男，教授，博士，材料成型及控制工程系主任，內(nèi)蒙古鍛壓學(xué)會（協(xié)會）副秘書長。長期從事金屬塑性成形數(shù)值模擬方面的研究工作，主持國家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古高等學(xué)?？茖W(xué)研究基金等項目，參與了國家973計劃項目的研究工作，發(fā)表論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利2項。

鎂合金作為最輕的實用結(jié)構(gòu)材料，產(chǎn)品主要以鑄造成形為主。近年通過擠壓、軋制等塑性成形方法加工的鎂合金逐漸受到關(guān)注，但為了在交通運輸?shù)确矫娅@得更多的應(yīng)用，必須進(jìn)一步提高鎂合金的綜合性能。

目前，擠壓成形的鎂合金材料主要以Mg-Al-Zn系的AZ31鎂合金為主。而AZ91鎂合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于AZ31，但其塑性較低，對應(yīng)變速率也更為敏感，在變形速度較快時容易造成表面開裂，因此AZ91鎂合金的擠壓速度很低，并且制品的出口速度通常在1m/min以下。由于擠壓速度過低將增加生產(chǎn)成本，難以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。因此，如何提高可擠壓速度，是AZ91合金可用作變形鎂合金的關(guān)鍵之一。采用數(shù)值模擬結(jié)合擠壓實驗，重點研究模具結(jié)構(gòu)對AZ91鎂合金擠壓變形應(yīng)力場、速度場、溫度場的影響，獲得擠壓速度對制品表面質(zhì)量的影響。

模型構(gòu)建

為研究模具結(jié)構(gòu)對高性能鎂合金棒材制品擠壓成形性能的影響，設(shè)計了平模、錐模、流線模三種結(jié)構(gòu)的棒材擠壓模具，模具結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。由圖1可知，模孔直徑為25mm，定徑帶長度為L=5～25mm，模具高度H=42～60mm。擠壓比為14.4，擠壓筒直徑為95mm。

圖1 模具結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

由于棒材擠壓屬于軸對稱變形過程，為減少單元網(wǎng)格數(shù)量及計算時間，取1/8模型進(jìn)行過程模擬，擠壓初始工藝條件為坯料的初始溫度380℃，擠壓筒初始溫度350℃，模具初始溫度300℃，擠壓速度5mm/s，擠壓墊溫度30℃，坯料與環(huán)境的傳熱系數(shù)100W/m2·K，坯料與模具的傳熱系數(shù)1100W/m2·K。

由于塑性變形生熱、摩擦生熱等引起金屬溫度迅速升高，故將坯料設(shè)為熱黏塑性材料，模具設(shè)為剛性材料，并忽略金屬的彈性變形將變形溫度坯料和模具之間選用剪切摩擦模型，根據(jù)AZ91鎂合金的圓環(huán)壓縮實驗結(jié)果，取摩擦因子m=0.4。

擠壓過程溫升及速度對成形性能的影響

AZ91鎂合金穩(wěn)態(tài)擠壓時，在坯料與擠壓墊接觸區(qū)域附近，采用平、錐、流線三種模具擠壓時，坯料溫度變化規(guī)律基本相同，都是由于坯料與擠壓墊間的大溫差所引起的熱傳導(dǎo)作用而使此部位的坯料溫度下降顯著。當(dāng)坯料逐漸進(jìn)入變形區(qū)（即等高線所在區(qū)域），三種模具結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的溫升情況不同，錐模和流線模?？赘浇饘僮冃瘟肯啾绕侥Ｐ?，其等效應(yīng)變分別為3.80和3.57，變形較均勻，溫升較小，?？壮隹谔帨囟确謩e為420℃和419℃。

平模?？赘浇捎诮饘僮冃蝿×?，并且等效應(yīng)變高達(dá)4.45，使得合金溫度升高較快，在模具出口附近制品表面溫度高達(dá)433℃。而當(dāng)變形溫度高于425℃時，AZ91鎂合金的延伸率急劇下降，因此平模不利于AZ91鎂合金擠壓成形。

擠壓變形區(qū)內(nèi)金屬流動速度的分布，從變形區(qū)入口至出口，金屬流動速度逐漸增大。平模和錐模由于在定徑帶入口處有“拐點“，在其附近流動速度變化快，使整個速度場變化集中在定徑帶入口處，而流線模則在整個變形區(qū)內(nèi)的分布較為均勻。

定徑帶內(nèi)沿半徑方向上的速度分布如圖2所示，其中坐標(biāo)原點為模孔的中心，r為棒材制品的半徑。從圖2中可以看出，由于合金與模具間的摩擦阻力作用，在定徑帶內(nèi)出現(xiàn)心部與表層的速度差。采用平模時，從棒材中心到表面，即r=10.3mm的范圍內(nèi)速度均勻為72.2mm/s，但在表層2.2mm厚度范圍內(nèi)，速度急劇下降至55.2mm/s，即在僅2.2mm厚的表層內(nèi)，產(chǎn)生了17mm/s的速度差。采用錐模時，在表層2.4mm厚度范圍內(nèi)產(chǎn)生13.1mm/s的速度差，采用流線模時，在表層6mm厚度范圍內(nèi)僅產(chǎn)生6.9mm/s的速度差。

定徑帶內(nèi)橫斷面上速度差的存在，使得擠出棒材的心部受壓應(yīng)力、表層受拉應(yīng)力，并且在模具出口處表層的拉應(yīng)力達(dá)到最大值。計算表明，對于平模和錐模，表層產(chǎn)生的軸向附加拉應(yīng)力值最大為102MPa和80MPa。根據(jù)溫度場的分析，此時?？壮隹跍囟确謩e為433℃和420℃，而應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表明此溫度下的抗拉強(qiáng)度分別為60MPa和70MPa。因此，采用平模、錐模擠壓將導(dǎo)致棒材表面開裂。當(dāng)采用流線模（定徑帶長度為5mm）時，模具出口溫度419℃，表層最大附加拉應(yīng)力為72MPa。雖然最大附加拉應(yīng)力比平模、錐模有所降低，但仍然高于相應(yīng)溫度下合金的抗拉強(qiáng)度，因此棒材表面仍會產(chǎn)生裂紋。

圖2 定徑帶內(nèi)橫斷面上的速度分布（擠壓速度5mm/s）

定徑帶長度對金屬流動行為的影響

根據(jù)以上分析可知，雖然采用流線模擠壓變形較為均勻，?？壮隹谔幹破繁砻娴妮S向附加拉應(yīng)力較小，但當(dāng)定徑帶（工作帶）長度為5mm時，制品表面仍然產(chǎn)生裂紋。為了抑制制品表面裂紋，同時最大限度的提高鎂合金的可擠壓速度，對擠壓速度為1mm/s、2.5mm/s、5mm/s、7.5mm/s、10mm/s時，定徑帶L=10mm、15mm、20mm、25mm等三種模具擠壓時，?？壮隹谔幍闹破繁砻鏈囟扰c附加應(yīng)力進(jìn)行研究分析。

不同擠壓速度時，在?？壮隹谔帲破繁砻鏈囟扰c定徑帶長度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隨擠壓速度和定徑帶長度增加棒材表面溫度增加，并且擠壓過程中制品溫升較大。擠壓過程中制品表面溫度過高及附加拉應(yīng)力過大是AZ91鎂合金棒材表面產(chǎn)生裂紋的主要因素。AZ91鎂合金低熔點相Mg17Al12的熔點為462℃，擠壓過程中，制品表面溫度如高于此溫度將容易導(dǎo)致表面產(chǎn)生裂紋。三種模具?？滋幇舨臏囟仁欠窀哂?62℃的模擬計算結(jié)果如表1所示。

圖3 定徑帶長度和擠壓速度對棒材表面溫度的影響

表1 擠壓速度和定徑帶長度對棒材出口溫度的影響

根據(jù)圖3及表1可知，采用平模時，當(dāng)擠壓速度為5mm/s、定徑帶L＜15mm時；采用錐模擠壓時，當(dāng)擠壓速度為7.5mm/s、定徑帶L＜15mm時，?？壮隹跍囟鹊陀贏Z91鎂合金中低熔點相Mg17Al12的熔點462℃，不易因溫度過高而導(dǎo)致制品表面開裂。采用流線模擠壓時，當(dāng)擠壓速度為10mm/s、定徑帶長度為5mm時，?？壮隹跍囟纫呀?jīng)超過AZ91鎂合金中低熔點相Mg17Al12的熔點462℃，易導(dǎo)致擠出制品開裂。當(dāng)擠壓速度為7.5mm/s、定徑帶L＜20mm時，可保證?？壮隹谔幹破窚囟鹊陀?60℃。擠壓速度在5mm/s以下時，各定徑帶長度條件下模孔出口處制品溫度均低于460℃，可保證不因出口溫度過高而導(dǎo)致制品表面開裂。

由上述分析可知，采用平模、錐模擠壓時溫升高于流線模，其可擠速度明顯低于流線模。同時為了提高擠壓速度，可以降低坯料溫度，以防止?？壮隹谔幹破窚囟冗^高，但坯料溫度過低，擠壓力能消耗顯著增加，對擠壓生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。

造成AZ91鎂合金擠壓制品開裂的另一因素，是?？壮隹谔幹破繁韺痈郊永瓚?yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度。隨擠壓速度、定徑帶長度變化，制品表面最大附加拉應(yīng)力如圖4所示。從圖4中可以看出，擠壓速度越快，表層附加拉應(yīng)力越大。定徑帶長度對其影響是非線性的，即在L=15～20mm時，附加拉應(yīng)力最小。當(dāng)定徑帶過短，即為5、10mm時，由于定徑帶處的摩擦阻力不足，無法對變形區(qū)內(nèi)的合金產(chǎn)生足夠高的靜水壓力，因此在剛離開擠壓模時會產(chǎn)生開裂。適當(dāng)增加定徑帶長度可使得變形區(qū)內(nèi)合金處于更為強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，利于成形。而當(dāng)定徑帶過長，即為25mm時，由于摩擦力過大又會使得附加拉應(yīng)力上升。

從結(jié)果可以看出，對于平模，當(dāng)擠壓速度為1mm/s，定在徑帶長度在5～25mm范圍內(nèi)時，附加拉應(yīng)力小于25MPa；當(dāng)擠壓速度為2.5mm/s，定徑帶長度在10～20mm范圍內(nèi)時，附加拉應(yīng)力小于60MPa，均低于相應(yīng)溫度下合金的抗拉強(qiáng)度。

對于錐模，當(dāng)擠壓速度≤2.5mm/s，定徑帶長度在5～25mm范圍內(nèi)時，附加拉應(yīng)力小于55MPa；當(dāng)擠壓速度為5mm/s，定徑帶長度在15～20mm范圍內(nèi)時，產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力為30～45MPa，低于相應(yīng)溫度下合金的抗拉強(qiáng)度。

對于流線模，當(dāng)擠壓速度≤2.5mm/s，定徑帶長度在5～25mm范圍內(nèi)時，附加拉應(yīng)力小于50MPa，低于相應(yīng)溫度下合金的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)擠壓速度為5mm/s，定徑帶長度在15～25mm范圍內(nèi)時，產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力為20～30MPa，不易引起擠出制品開裂；而當(dāng)定徑帶長度為5～10mm時，附加拉應(yīng)力達(dá)到65～80MPa。當(dāng)擠壓速度為7.5mm/s時，只有定徑帶長度為15mm時擠出制品表面的附加拉應(yīng)力為58MPa，略低于相應(yīng)溫度下合金的抗拉強(qiáng)度。

圖4 定徑帶長度和擠壓速度對棒材表面附加拉應(yīng)力的影響

擠壓實驗

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用定徑帶長度L=5mm的平模、錐模以及L=10mm和L=20mm流線模對AZ91鎂合金進(jìn)行了擠壓實驗。實驗在650t擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓速度為4.6mm/s（制品流出速度為3.97m/min），其他擠壓工藝參數(shù)與定徑帶L=5mm時工藝參數(shù)相同。模具實物如圖5所示，潤滑劑為石墨乳。

AZ91鎂合金平模擠壓后的制品如圖6所示。棒材表面出現(xiàn)粗大的環(huán)狀周期性裂紋，裂紋寬度及深度都較大；錐模擠壓后棒材表面也呈周期裂紋，但與平模擠出的情況相比，裂紋寬度和深度有所減??；采用L=10mm的流線模擠壓時，棒材制品表面出現(xiàn)的裂紋較細(xì)??；采用L=20mm的流線模擠壓后，棒材制品表面光亮無裂紋。

圖5 模具實物圖

圖6 AZ91鎂合金擠壓棒材表面形貌

結(jié)束語

AZ91鎂合金變形溫度過高、速度過快，將使塑性急劇下降。擠壓過程中，AZ91鎂合金溫升較大，使用流線模和錐模比平模升溫小。為避免定徑帶表層產(chǎn)生過大的速度差及因此造成的過大的表層附加拉應(yīng)力，應(yīng)采用流線模擠壓。采用錐模和流線模時，當(dāng)定徑帶長度L=15～20mm時，可在擠壓速度達(dá)到5mm/s的條件下成形出表面光滑無裂紋的鎂合金棒材；而采用平模擠壓，定徑帶長度為L=10～20mm時，獲得良好表面質(zhì)量的擠壓速度應(yīng)為2.5mm/s。