徐淑波，孫化鑫，任國(guó)成，景財(cái)年，李婷婷

(山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

1 前言

材料的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)對(duì)外在宏觀特性具有重要影響，根據(jù)Hall-Petch 公式，一般情況下材料晶粒平均幾何尺寸越小其屈服強(qiáng)度和硬度越高[1-3]，因此，尋求可有效細(xì)化晶粒材料的工藝具有重要的應(yīng)用前景。大塑性變形等通道擠壓（ECAP）是制備高性能塊體超細(xì)晶材料中發(fā)展最快的變形技術(shù)之一[4-7]。目前，變形材料以鎂、鋁、銅和鋅及其合金為主,用鋼鐵材料進(jìn)行ECAP 變形的試驗(yàn)較少[8-10]。這一過(guò)程是目前制備塊狀超細(xì)晶粒材料最有工業(yè)前景的工藝之一，其細(xì)化晶粒的機(jī)理在于使擠壓件通過(guò)一個(gè)具有一定拐角的等橫截面管道的模具反復(fù)擠出，從而在不改變擠壓件橫截面幾何形狀的基礎(chǔ)上，使擠壓件累積較高的應(yīng)變達(dá)到晶粒細(xì)化，從而制備出無(wú)疏松孔洞的塊體超細(xì)材料[11-13]。

如圖1 所示，兩個(gè)截面交叉角Φ 稱為模具拐角，拐角圓弧的中心角ψ 稱為模具圓心角，與模具圓心角半徑r 一一對(duì)應(yīng)，由于ECAP 過(guò)程主要是通過(guò)擠壓累積等效應(yīng)變有效地細(xì)化晶粒，因此，模具拐角Φ、中心角ψ 和中心角半徑r 對(duì)擠壓模具的晶粒細(xì)化等幾何參數(shù)有重要影響。目前，對(duì)鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、銅、鈦、低碳鋼等金屬材料的研究主要采用ECAP 法[14]。結(jié)果表明，ECAP 處理后的晶粒較擠壓前細(xì)化，強(qiáng)度、塑性、抗疲勞性能等綜合性能得到提高。本文對(duì)等通道彎角擠壓過(guò)程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬分析，得出了上述工藝參數(shù)對(duì)擠壓過(guò)程變形的影響，為優(yōu)化模具形狀、獲得擠壓件所需的變形分布提供了大量有效的結(jié)果和規(guī)律。

圖1 ECAP 工藝示意圖

但由于擠壓過(guò)程中出現(xiàn)的一些熱擠壓現(xiàn)象，由于熱擠壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，所以在擠壓過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，如擠壓溫度過(guò)高，不利于大塊超細(xì)晶材料的制備，同時(shí)在實(shí)際加工過(guò)程中模具壽命很低。因此，基于有限元分析的ECAP模具設(shè)計(jì)可以有效地提高模具的強(qiáng)度，使設(shè)計(jì)的模具既能滿足冷擠壓材料的變形抗力，又能滿足ECAP 工藝的變形特性。本文通過(guò)改進(jìn)具有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模具，實(shí)現(xiàn)了等通道彎角冷擠壓工藝。

2 ECAP 工藝有限元分析

實(shí)際工藝與模擬有所不同，為了獲得能夠匹配實(shí)際操作的工藝參數(shù)，通過(guò)有限元分析ECAP工藝就有很大的應(yīng)用價(jià)值。

ECAP 工藝變形機(jī)理研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)該工藝的工業(yè)化生產(chǎn)。因此研究ECAP 工藝，獲得可用于指導(dǎo)實(shí)際工藝的變形機(jī)理具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。因此，通過(guò)有限元對(duì)ECAP 工藝進(jìn)行分析十分必要。本文針對(duì)等方型通道彎角擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬研究，故擠壓過(guò)程為平面變形問題，采用商品化有限元軟件CASFORM-2D/PC 進(jìn)行模擬。試樣尺寸選取為10mm×10mm×80mm，擠壓材料為純鋁（99.99%），其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為σˉ＝Cεˉn，其中,C=170kg/mm2，n＝0.24,摩擦因子m為0.20，沖頭向下的擠壓速度為2mm/s。

2.1 模具拐角對(duì)擠壓過(guò)程的影響

圖2 為等通道彎角擠壓過(guò)程的等效應(yīng)力分布圖，其中圖2a 為模具拐角為90°的情況，圖2b 為模具拐角為120°的情況。當(dāng)模具拐為90°時(shí)，變形區(qū)的最大等效應(yīng)力為141.67MPa，當(dāng)模具拐角為120°時(shí)，變形區(qū)的最大等效應(yīng)力為127.62MPa，因此，模具拐角90°時(shí)比模具拐角120°時(shí)的等效應(yīng)力提高約11%。結(jié)果表明，當(dāng)模具拐角為90°時(shí)，材料的變形抗力增大，擠壓效果明顯改善。從圖2所示的輪廓線可以看出，變形主要集中在模具拐角處，變形梯度較大。因此，在模具強(qiáng)度能滿足要求的情況下，盡可能采用角度為90°的模具，以提高累積變形的效果；對(duì)于變形抗力較大的擠壓材料，模具拐角120°較為理想。

圖2 等通道彎道擠壓等效應(yīng)力分布（r=5）

2.2 模具圓心角半徑對(duì)擠壓過(guò)程的影響

圖3 所示為擠壓件主要變形區(qū)橫截面上的等效應(yīng)變分布曲線。通過(guò)有限元分析，得出了模具圓心角半徑對(duì)擠壓件主要變形區(qū)等效應(yīng)變的影響規(guī)律，得出了模具拐角90°和120°的最佳選擇原則：圓角半徑越小，擠壓件截面間等效效應(yīng)的變化差越小。但隨著中心角半徑的減小，一方面擠壓件整體變形分布趨于均勻，得到的等效應(yīng)變量逐漸增大；另一方面，空腔的膨脹力增大，會(huì)急劇增加。因此，ECAP 工藝設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮或平衡模具圓心角半徑對(duì)變形分布均勻性和模具壽命的影響。

3 ECAP 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在常溫下對(duì)硬質(zhì)材料進(jìn)行擠壓，對(duì)模具的要求很高。在對(duì)低碳鋼擠出成形進(jìn)行有限元分析過(guò)后，設(shè)計(jì)出符合其工藝的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞摺?/p>

圖3 等效應(yīng)變分布曲線

ECAP 模具的工作環(huán)境極其惡劣。因此，硬質(zhì)材料室溫預(yù)擠壓對(duì)模具的精度、強(qiáng)度、剛度和壽命提出了更高的要求。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)對(duì)ECAP 擠壓過(guò)程的有限元分析，得到了優(yōu)化的模具幾何尺寸和工藝參數(shù)，根據(jù)低碳鋼擠壓成型的基本要求設(shè)計(jì)了ECAP 擠壓實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?；模具和凸模是擠壓超細(xì)晶材料的重要零件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以考慮。由于模具的變形條件很差，模具的常規(guī)結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)，為了有效利用模具材料，保證其承載能力，選擇了預(yù)應(yīng)力復(fù)合模具結(jié)構(gòu)。由于凸模的尺寸受擠壓件幾何尺寸的影響，凸模的強(qiáng)度和壽命不僅要從所用材料上考慮，而且要從凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮。模具的裝配圖如圖4 所示。

3.1 組合凹模優(yōu)化設(shè)計(jì)

在擠壓模具的所有零件中，模具與擠壓接觸直接涉及到變形過(guò)程，最重要的工作就是完成擠壓零件的擠壓，模具在巨大的、強(qiáng)烈的沖擊和摩擦的壓力下，是由拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力組合而成的不平衡的應(yīng)力過(guò)程，同時(shí)由于ECAP 擠壓工藝是通過(guò)側(cè)向擠壓工藝來(lái)進(jìn)行擠壓的，模具流道不同于一般的擠壓成形，其工作條件非常惡劣。因此，模具的設(shè)計(jì)必須能有效地承受和分配載荷。

圖4 等通道彎角擠壓模具裝配圖

流道如轉(zhuǎn)角擠壓模，是按一定角度相交的流道截面，整個(gè)加工比較困難，所以凹模型腔的加工采用分塊式，沿流道橫截面分為前后模腔，在保證型腔加工精度的同時(shí)，降低了加工難度，最終實(shí)現(xiàn)了組合凹模采用預(yù)應(yīng)力壓套結(jié)構(gòu)，能有效承受復(fù)雜的應(yīng)力分布的凹模所受的影響。

如圖5 所示，由于擠壓過(guò)程是一個(gè)三向力，擠壓在產(chǎn)生塑性變形的過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生彈性變形，擠壓后的截面幾何尺寸都比較好，比擠壓前的尺寸略有增加，為避免擠出不能再進(jìn)入擠出管，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要使成管截面略大于管材橫截面，即如圖5 所示按d2＜d1＜d3的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 凹模彎角型腔結(jié)構(gòu)圖

3.2 凹模預(yù)應(yīng)力壓套設(shè)計(jì)

模具種類很多，但為了提高模具的承載能力，有效地利用模具材料，冷擠壓模具大多采用預(yù)應(yīng)力套筒加強(qiáng)。如圖6a 所示，單層壓套復(fù)合模用于形狀簡(jiǎn)單、變形程度小的場(chǎng)合。圖6b 為雙層套料預(yù)應(yīng)力復(fù)合模具，用于形狀復(fù)雜、變形程度大的場(chǎng)合。圖6c 所示的三層壓覆層預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料模具可以成功地應(yīng)用于幾乎所有屬于特殊增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的金屬和合金的擠壓成形。

圖6 常規(guī)分割式預(yù)應(yīng)力組合凹模

綜合考慮ECAP 擠壓工藝特點(diǎn)，本文采用雙層壓套預(yù)應(yīng)力組合凹模，如圖7 所示。

由于等通道彎角擠壓通過(guò)管道的彎曲作用使擠壓件獲得足夠大的變形，因此不同于一般的擠壓成形，在設(shè)計(jì)過(guò)程中擠壓件是側(cè)向擠出的，因此必須在壓套上開孔，從而使擠出件能夠順利擠出，這使預(yù)應(yīng)力套圈的強(qiáng)度受到一定程度的降低，因此要在壓套設(shè)計(jì)中預(yù)留一定空間，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生的危害。同時(shí)為避免卸模時(shí)存留在凹模中的擠壓件使各壓套相互卡嵌，故一二層壓套的開孔設(shè)計(jì)應(yīng)如圖7 所示開孔至底，其中D＝275mm，d1=150mm，u1=0.984，d2＝（2.45～3.25）d=223.75mm，考慮壓套開孔，d2=230mm，u2==0.4674,u 為d 處徑向過(guò)盈量。

圖7 ECAP 改進(jìn)分割式預(yù)應(yīng)力組合凹模

3.3 等通道彎角擠壓凸模優(yōu)化設(shè)計(jì)

擠壓實(shí)驗(yàn)的橫向尺寸為10mm×10mm，對(duì)于通道等凸模轉(zhuǎn)角擠壓模具的設(shè)計(jì)，由于擠壓截面尺寸決定了沖孔，因此凸模高得多，剛度是擠壓過(guò)程中一個(gè)不可忽視的因素，考慮到擠壓過(guò)程中工作條件惡劣的同時(shí)，必須加強(qiáng)凸模的強(qiáng)度。為此，本文采取了以下措施：（1）盡可能縮短凸模的長(zhǎng)度。在擠出過(guò)程中，由于凸模長(zhǎng)度的縮短，當(dāng)凸模達(dá)到最大壓力時(shí)，通過(guò)連續(xù)的回程不斷地充滿擠出機(jī)。（2）采用帶導(dǎo)向裝置的模具，避免因模具配合精度而造成凸模損壞。高徑比較小的沖頭如圖8 所示，h為凸模高度，r 為凸模截面徑向尺寸。

圖8 ECAP 擠壓模具凸模結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

通過(guò)有限元分析，給出了凸模和預(yù)應(yīng)力組合凹模等關(guān)鍵零件的基本尺寸，設(shè)計(jì)了等通道彎角擠壓模具，能夠滿足鋁、銅及其合金的冷擠壓工藝要求。

（1）ECAP 變形主要集中在模具拐角處，且變形梯度較大，在模具強(qiáng)度滿足要求的條件下，可采用拐角為90°的模具來(lái)提高累積變形效果。隨著中心角半徑的減小，擠出機(jī)整體變形隨著中心角半徑的增大逐漸趨于均勻分布，但空腔膨脹力會(huì)急劇增大。因此，ECAP 工藝設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮或平衡中心角半徑對(duì)擠壓機(jī)變形均勻性和模具壽命的影響。

（2）ECAP 擠壓是一種三向力，擠壓產(chǎn)生塑性變形的過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生彈性變形，擠壓后的截面幾何尺寸都比擠壓前略有增加，避免擠壓件不能再次進(jìn)入擠出線，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要使管道的橫截面略大于擠壓管材的橫截面。

（3）凹模預(yù)應(yīng)力套圈應(yīng)避免卸模時(shí)存留在凹模中的擠壓件使各壓套相互卡嵌，故一二層套圈的開孔設(shè)計(jì)應(yīng)開孔至底；凸模的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量縮短長(zhǎng)度。當(dāng)凸模達(dá)到最大壓力時(shí)，通過(guò)不斷回程，反復(fù)填充擠壓件連續(xù)擠出擠壓件。