唐佳偉,帥美榮，2,王海宇，劉 鑫，2，常彬彬，2

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024；2.重型機械教育部工程研究中心，太原 030024)

鎂合金具有比強度高、密度低、導熱性能和電磁屏蔽性能好、減震性能佳、易回收、環(huán)境友好及資源豐富等優(yōu)點，因此在汽車工業(yè)、3C電子業(yè)和航空航天等領域具有廣闊的應用前景[1-2]。在鎂合金塑性成形技術中，鎂合金板材軋制占據(jù)重要的地位。目前，國內(nèi)外對鎂合金板材軋制研究大多集中在同徑同速對稱軋制方面。同步軋制變形區(qū)金屬在前滑區(qū)，后滑區(qū)上下表面摩擦力方向相同，且均指向中性面，增加了中性面附近單位壓力，使平均單位軋制壓力增大[3-5]。

近年來，為了克服傳統(tǒng)對稱軋制鎂合金板材產(chǎn)生的不足，提高板材的室溫成形性能，發(fā)展了異步軋制變形新技術。異步軋制是兩個工作輥圓周速度不相同，在軋制變形區(qū)產(chǎn)生“搓軋變形區(qū)”的新軋制技術。異步軋制搓軋變形區(qū)的特征表現(xiàn)在橫切變形區(qū)，軋件在變形區(qū)的前、后滑區(qū)的摩擦力方向相反，產(chǎn)生了較大的剪切變形，使軋件中心的切應力 變大，降低了變形抗力，大幅度降低了平均單位軋制壓力。改變了同步軋制時單位軋制壓力沿變形區(qū)長度方向的類似拋物線形狀的分布[6-7]。與同步軋制相比，異步軋制具備了自己獨有的特點：第一，在軋機剛度相同的條件下，能夠更好地控制板形與精度；第二，在原料和壓下率相同的情況下，可降低軋制壓力，軋件容易變形；第三，變形區(qū)較大的剪切變形能力，使板材的加工性能得以改善；第四，在軋材寬展方向的流動控制方面，可以采用異徑比的不同，讓中性面偏離變形區(qū)以外[8]。

本文基于Deform-3D有限元軟件，模擬了同徑同速和不同異速比條件下AZ31鎂合金板材軋制過程。著重對比分析了異速比對板材等效應力、等效應變、軋制力和邊部破壞的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 模型假設

在進行數(shù)值模擬時，建立必要的假設以便分析處理，即把變形中某些過程進行理想化處理。假設如下：①假設材料是連續(xù)分布的、均勻的；②假設鎂合金板材為各向同性的彈塑性材料；③假設鎂合金板材變形時服從體積不變原理；④假設鎂合金板材不存在任何缺陷，忽略組織中微裂紋、微空洞對軋制過程的影響；⑤假設材料服從Mises屈服準則，變形服從Levy-Mises 流動法則；⑥假設軋輥為剛體，在軋制過程中不發(fā)生變形。

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

在本模型中采用等徑異速比軋制工藝，即各異速比工藝下工作輥直徑保持不變，均為200 mm，軋輥輥身長度350 mm.軋件AZ31鎂合金板材的尺寸為20 mm×200 mm×500 mm.

網(wǎng)格劃分在有限元模擬中起著至關重要的作用，單元格的劃分決定一個有限元模型是否能夠快速準確地得到計算結果，在確保模擬精度的前提下，采用最小的單元網(wǎng)格，以節(jié)約計算時間[9-13]。

軋輥為剛體，可采用較小網(wǎng)格層數(shù)，網(wǎng)格劃分層數(shù)為60.對AZ31鎂合金板材進行網(wǎng)格劃分，模型共有單元數(shù)3 240個，節(jié)點數(shù) 5 702個，比例因子取1.0，模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。設置總的模擬步數(shù)及每步步長，步長太小會浪費模擬計算時間，通常取試樣最小網(wǎng)格單元尺寸的 1/3～1/2.設置模擬終止條件為軋件尾端通過臨界面，即通過模型中(0，0，0)點。

圖1 軋制模擬網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of rolling simulation meshing

1.3 本構模型

本文采用本構方程導入的方法，定義板材為AZ31鎂合金材料。查找文獻[1]得到對AZ31鎂合金應力-應變曲線經(jīng)過數(shù)學方法推導得出的AZ31鎂合金在高溫塑性變形時的本構方程：

1.4 參數(shù)設置

模擬過程中軋輥和推塊均為室溫，鎂合金板材要進行預熱，要考慮板材與軋輥之間的熱傳導和摩擦的影響，軋輥與試件之間采用庫倫摩擦[14-16]。結合實驗及實際情況，AZ31鎂合金板材的性能參數(shù)[17-18]見表1-表3，鎂合金軋制參數(shù)見表4，不同異速比下輥速參數(shù)如表5.

表1 AZ31鎂合金物理參數(shù)

表3 AZ31鎂合金的熱容

表5 不同異速比下輥速參數(shù)

2 有限元模擬結果及分析

在異步軋制過程中，大量實驗證明，為保證軋制穩(wěn)定，異速比不宜過大，一般保持延伸系數(shù)大于異速比。因此，本模擬主要集中在異速比2.0以下的研究，壓下量25%不變時，分別在同步軋制和異速比為1.1、1.2、1.5、1.7的同徑異速軋制工藝下，對AZ31 鎂合金板材進行軋制模擬，并對不同工藝下軋制鎂合金的等效應力、等效應變、邊部破壞和軋制力、等影響鎂合金軋制成形的主要因素進行分析。

2.1 等效應力分析

同徑同速軋制和同徑異速軋制時板帶等效應力的分布情況如圖2所示。由圖2可知，異步軋制的最大等效應力明顯小于同徑同速軋制的最大等效應力。這主要是由于鎂合金板材在軋制過程中特殊的受力情況，在同徑同速軋制過程的變形區(qū)內(nèi)，板材的應力包括軋輥對板材的正壓力、軋輥與板材間的摩擦力；而鎂合金板材異步軋制時，板材受正壓力和摩擦力的共同作用外，還受到變形區(qū)內(nèi)板材上下表面方向相反的外摩擦力導致的附加的剪切應力的作用。剪切應力的存在削弱了外摩擦對變形的阻礙作用。隨著異速比的不斷增大，軋輥對軋件的壓力增大，然而，在正壓力、摩擦力、剪切應力的綜合作用下，異步軋制條件下的等效應力明顯降低。由圖2還可以看出，不同異速比條件下，等效應力、峰值應力變化均不明顯，表明異速比的大小對等效應力的影響不大。結合上面的分析可知，異步軋制中“搓軋”變形引起的附加剪切應力對等效應力的影響明顯高于附加正壓力的影響，附加剪切應力占主導影響地位。

圖 2 不同異速比下的等效應力情況Fig.2 Equivalent stress at different speed ratios

2.2 等效應變分析

圖3表示壓下率為25%，異速比分別為 1.0、1.2、1.5、1.7時的異步軋制過程中的等效應變示意圖，從圖中可知，等效應變的最大值分別為0.403、0.434、0.462和0.497.可見，隨著異速比的增大，等效應變呈持續(xù)增大的趨勢。“搓軋區(qū)”的存在，使軋板在發(fā)生壓縮變形的同時產(chǎn)生附加的剪切變形，使板材在壓下量相等的情況下獲得比同徑同速軋制時更大的等效應變。在異步軋制中，上下軋輥受到不同的摩擦，因此金屬變形程度也不一致，與快速輥相接觸的下表面的等效應變始終大于上表面的等效應變。因此，板材最大等效應變必然出現(xiàn)在軋輥速度快的一側。

圖3 不同異速比下的等效應變情況Fig.3 Equivalent strain at different velocity ratios

2.3 軋制力分析

經(jīng)過模擬計算得到同徑同速軋制和同徑異速軋制時板帶軋制力的分布情況如圖4所示，圖4(a)為同徑同速軋制過程，軋制力的最大值為107.94噸，圖4(b-d)表示異速比為1.2、1.5、1.7的三種軋制工藝下的最大軋制力分別為81.13噸、80.92噸、79.38噸?？梢娫谙嗤瑮l件下，三種異步軋制的軋制力都要小于同徑同速對稱軋制的軋制力。而在三組異步軋制過程中，異速比越大，軋制力的最大值也越小。當異速比為1.2，1.5，1.7時，軋制力的最大值分別降低了24.84%，25.03%，26.46%，這也進一步說明異步軋制可有效降低對軋機強度的要求，降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖4 不同異速比下的軋制力情況Fig.4 Rolling force at different speed ratios

2.4 邊部破壞分析

在異速比為1.1、1.2、1.5、1.7的四種不同軋制工藝下，鎂合金板帶的邊部破壞情況如圖5所示。從圖中可知，邊部破壞最大值分別為0.199、0.192、0.208和0.210.可見在小異速比1.1～1.2情況下，鎂板的邊部破壞能夠得到有效減小，有利于提高鎂合金板材軋制的成材率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著異速比的繼續(xù)增大，邊部破壞也會增大，這是由于異速比過大對軋制過程穩(wěn)定性產(chǎn)生不利。綜合以上分析，異速比i不能過大，一般應不大于1.4.

圖5 不同異速比下邊部破壞情況Fig.5 The edgedamage at differentspeed ratios

3 結論

綜合上述同徑同速和4種不同異速比的同徑異速軋制工藝，對鎂合金板材等效應力、等效應變、軋制力和邊部破壞情況進行了對比分析，得出以下結論：

(1)由于附加剪切應力的產(chǎn)生，異步軋制的最大等效應力明顯小于同徑同速軋制的最大等效應力，但異速比的大小變化對AZ31鎂合金板材等效應力的影響并不顯著。

(2)隨著異速比不斷增大，等效應變的最大值也不斷增大，因此異步軋制可以實現(xiàn)軋制更薄的產(chǎn)品。

(3)隨著異速比的增大，軋制力顯著降低。當異速比為1.2，1.5，1.7時，軋制力的最大值分別降低了24.84%，25.03%，26.46%，異步軋制可以有效降低對軋機強度的要求，降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

(4)在異步軋制工藝下，小異速比軋制能有效抑制鎂板軋制的邊部破壞。當異速比大于1.4時，軋制過程不穩(wěn)定，邊部破壞嚴重。因此，異速比一般應不大于1.4.