镁合金宽展挤压数值模拟文献综述.docx

引言 1. 镁合金挤压技术概述 1」镁合金挤压的基木原理和特点 1.2镁合金挤压工艺 1.3镁合金挤压模具 2. 钱合金型材挤压成形过稈数值模拟研究现状..2」国外镁合金型材数值模拟技术研究现状2.2国内镁合金型材数值模拟研究现状.….…3. 镁合金型材宽展挤压简介 3.1镁合金型材宽展挤压原理和流动规律.... 551.6675..53.2镁合金型材宽展挤压特点 63.3镁合金型材宽展挤压国内外研究状况 64..木文研究意义及内容 14镁合金是结构材料中最轻的金属，具有密度小、牛物兼容性好、比强度和比 刚度高、减震以及磁屏蔽良好等优异特性，广泛应用于交通运输、航空航天、建 筑建材、体育器械与通讯设备等领域口刃FI前，镁合金的应用大多数是以模铸、 压铸以及半固态成形等工艺來牛产产詁这些工艺牛产的产甜，存在着组织局部 太致密、成分偏析，最小厚度偏大、力学性能偏低等缺点，不能充分发挥镁合金 的性能优势研究表明⑷，镁合金在热变形（挤压、轧制、锻造等）后，组织得 到显著细化，铸造组织缺陷被消除，从而产品的综合力学性能大大提高通过塑 性加工可以牛产出尺寸、规格多样的棒、管、型材、线材、板材及锻件产品，并 且可以通过调整燃性变形和热处理工艺来控制材料的组织和性能，获得比镁合金 铸件更高的力学性能，同时可以满足不同场合对镁合金结构件使用性能的要求。

因此，研究变形镁合金塑性成形具有非常重要的实际意义在镁合金的塑性成形工艺中，挤压成形以其高精度、高力学性能及高表面光 洁度等优势被广泛接受但由于挤压模具设计者一般依靠自身经验进行模具设 计，模具结构多存在一定的不合理性，导致型材在成型过程中经常出现扭拧、 波浪等严重缺陷，影响镁型材的外观与性能⑸，特别是作为模具结构设计关键环 节工作带尺寸设计，对型材质量具有重要影响随着计算机辅助设计技术及数值模拟计算方法的迅速发展，以有限元为代表 的数值模拟方法被广泛应用于型材挤压过程叭］因此，木课题采用功能强大的 非线性有限元软件MARC, auto forge对AZ31镁合金型材的挤压成形过程进行数 值模拟研究1・镁合金挤压技术概述1.1镁合金挤压的基木原理和特点镁合金挤压加工技术主要有正挤压、反挤压、复合挤压，其中常用的是正挤 压其基本原理处于挤压筒内的金属坯料在挤压机提供的强大挤压力作用下，发 牛剧烈的塑性变形并从特定的模孔中按一定的速度挤出，从血得到所需截而形 状、尺寸及性能的镁合金制品的过程，如图1-1所示呵挤压制品金属坯料模垫■\ I挤压模具图1-1金属挤压成型示意图与锻造工艺相比，通过挤压方法进行镁合金产品牛产加工具有以下优点皿：① 在挤压吋，处于挤压筒中金属受到的是强烈的三向压应力状态，有效的 减小了坯料在进行变形吋开裂的倾向，可以更大限度的发挥材料有限的燃性成 能力。

因此相比于其它塑性成形加工方法，特别是对于镁合金等六方晶体结构 金属来说，挤压加工方法是首选的加工方法；② 挤压法得到的挤压制品外观平整，而且得到产品的尺寸精度很高；③ 挤压设备一般都是通用的，在同一•台挤压设备上，牛产工序简单，往往只 需通过更换相应的挤压模具，就可以进行棒材、管材、板材以及型材等的牛产， 灵活性好挤压产品品种多、规格全，适合现代市场要求的多品种、小批量、短 交货期的牛产方式但镁合金主要适用于温挤压和热挤压且采用挤压法牛•产镁合金制品时存在 —缺点：•①』于挤压筒内，挤压锭的内层与外层受力不一样，容易获得沿长度方 向上组织与性能不均匀的挤压制品；② 由于挤压终了时无法将坯料完全挤出，会产牛一定的废料；③ 由于挤压时，工模具一直处于挤压材料的高压应力作用下，模具内壁与坯 料摩擦严重，因此对模具的损伤较大尽管如此，对于镁合金这种報性变形能力较差的金属，挤压法仍不失为--种 较好的塑性加工方法Fl前已用挤压法牛产出各种不同型号的镁合金板、棒、管、 型材]2镁合金挤压工艺镁合/挤压牛产与铝合金相似，最常用的方法是无润滑平模正向挤压镁 及镁合金可以通过温挤压或热挤压成棒、管和其他多种截面形状的型材。

挤压 成形提供了许多其他成形方法难以经济实现的产品，与铝和铜一样，镁合金挤 压成形工艺优于轧制，挤压具有细化晶粒作用，同吋能提高材料的强度和延展 性AM60、AZ91. AZ3K ZK60和ZK61等镁合金热挤压件的性能明显优于铸锭, 且延伸率高达100%以上⑴圧镁合金挤压成形主要影响因素有：(1) 锭坯状态镁合金挤压成形前坯料状况对其随后挤压工艺有着重要的影响这是因为 在工业牛产条件下，由于镁合金铸造吋冷却速度快，铸锭不可能得到完全平衡 的组织铸态合金偏离平衡状态一般表现为以下两个方面：第一，基体固溶体 成分不均匀，产牛晶内偏析，其组织为树枝状；第二，由于合金元素来不及从 同溶体析出得到过饱和同溶体，因此成分和组织的非平衡状态将给合金的性能 带来一定影响例如，由于非平衡易熔组成物的出现，在加热和变形过程中容 易过早发牛过烧现象晶内偏析和脆性相的存在往往使材料的燃性降低，挤压 力升高；粗大的枝晶和枝晶偏析可在随后的挤压加工过程中形成带状组织口役所 以在挤压变形前应对铸锭进行均匀化处理2) 挤压温度挤压温度是挤压变形时最重要的参数，不但影响挤压过程的进行，还影响 成甜率、产站的质量以及组织和力学性能等。

当温度升高时，合金的屈服强度 降低，故在一定的变形力下，可达到的变形程度便可增大但是，随着挤压温 度的升高，晶粒逐渐长大对于温度升高发牛相变的某些合金系，在高于相变 温度下挤压，晶粒会变得很粗大此外，由于镁合金的槊性变形能力较差，当 挤压温度过低时，难以挤压成形因此在镁合金挤压时，一定要合理选择挤压 温度镁合金挤压时，锭坯的加热温度主要取决于合金的种类和挤压件的形状， 一般在300〜450C之间挤压件形状比较复杂吋，锭坯可选用较高的加热温度 "金属在塑性变形吋其变形能的90〜95%将转变为热量，而挤压过程中摩擦力 较大吋会产牛大量的摩擦热，这些热量可使金属温度升高，因此在挤压过程中， 还应考虑变形热和摩擦热张广俊等“在不同温度下对AZ61镁合金进行挤压研究，结果表明，360C 的热挤压温度不能成形试样，在370、385、400C下进行热挤压可以得到外形 完整、表面光洁的试样，随着挤压温度提高，AZ61挤压试样发牛再结晶的晶粒 数量显著增加，达到400C吋形成均匀细小的等轴晶组织370、385、400C下 的挤压试样断口均表现为明显的塑性断裂特征，400 C时挤丿玉试样的抗拉强度达 到297. 43MPa,屈服强度达到221.42MP" 仲长率为22.39%,具有较好的力学 性能。

3)挤压速度挤压速度的选择原则是：在保证制品不产牛表面裂纹毛刺和扭拧、弯曲、波 浪、间隙、扩(并)口以及尺寸等质量问题的前提下，当挤压机能力允许时，速度 越快越好但挤压速度的确定同挤压温度一•样，也十分复杂挤压速度的大小受 合金、状态、毛坯、尺寸、挤压方法、挤压力、工具、制品复杂程度、挤压温度、 模孔数量、润滑条件等影响曲Lapovok等a对AZ31镁合金的研究表明，当挤 压速度较低吋(4 mm/s),挤压板材表面质量良好随着挤压速度的增加，表面质 量降低当挤压速度过高时(15mm/s),表面出现裂纹所以工业上较适宜的挤压 速度为4. 5〜1加/min为了获得较好的挤压制品，需对上述工艺参数加以综合考虑并进行合理选 择如下表1-2给出了儿种典型镁合金的挤压工艺⑼表1-1合金锭坯温度/C (K)挤压筒温度/C (K)挤压速度/ (m/min)Ml420〜440 （693〜713）380〜390 （653〜663）6〜30AZ31370〜400 （643〜673）230〜320（503〜593）4.5 〜12AZ61370〜400 （643〜673）230〜290（503〜563）2〜6AZ80360〜400 （633〜673）230〜290（503〜563）1.2〜2]3镁合金挤压模具在镁合金挤压矗程中要保证型材能良好成形并满足产詁质量要求，首先必须 进行合理的模具设计。

模具设计时，-•般是将挤压型材截面的质心做为挤压模具 的中心为克服因金属流动不均匀而产牛的缺陷，必须研究如何使型材断面上各 部分的金属流动速度一致，这是模具设计和制造人员遵循的基本原则设计模具 吋主要侧重考虑调整金属分配比例，通过改变接触摩擦条件及模孔工作带长度等 方法來改变金属的流动特性，使金属均匀地流出模孔，牛产出合格的型材制詁 如果型材断而上各部分的金属流动速度不一致则制品会出现如图1-2所示的缺 陷为避免产牛缺陷，设计时可以把型材挤压模具轮廓设计成曲线，调整工作带 入口角度，改变工作带长度等等，把模具轮廓设计成曲线成本高、难度大，在牛 产实践中法应用的少牛产实际中往往通过调整工作带长度的方法来控制金属流 动和金属与模具之间的摩擦力以达到金属流动均匀的FI的时叭黄东男等呦通过热模拟试验研究AZ91镁合金应力-应变关系，确定了最佳变 形温度在此基础上，采用三维有限元法模拟分析了不同挤压速度、模具结构对挤压过程温度场、速度场及应力场的影响结果表明，采用锥模和流线模时， 当定径带长度为15〜20mm吋，可在挤压速度达到5mm/s的条件下成形出表面光 滑无裂纹的镁合金棒材，而采用平模挤压吋，当定径带长度为10〜20nm）吋， 获得良好表面质量的挤压速度达到2.5 mm/s,并在6. 5MX的卧式挤压机上，通 过挤压实验验证，实验结果与模拟结果相吻合。

d)a）扭拧b）扭拧c）波浪d）刀形弯llil e）扩口 f）并口图1・2挤压制品缺陷图Fig. 1・2 Defects diagram of extiusion products2 •镁合金型材挤压成形过程数值模拟研究现状有限元与塑性成形理论的交叉融合及计算机硬件的发展及普及 CAD/CAM/CAE软件的相继面市，使有限元数值模拟技术在金属塑性成形得到了广 泛的应用，因此国内外的学者们对有限元技术在挤压模具中的应用做了大量的研 究O1. 3.1国外镁合金型材数值模拟研究现状国外有学者对AZ31镁合金按照不同挤压比挤压后研究表明凶，在挤压铸态 镁合金棒材时，挤压比很大吋，所获得产品的表面晶粒度要比中心晶粒度还细小, 同时也可获得较小的心部晶粒尺寸当挤压比较小时，铸态棒材心部的晶粒尺寸 变化较小，晶粒尺寸与铸态晶粒差别不大，心部晶粒部分沿着挤压方向拉长，只 是表层晶粒得到细化；当挤压比达10时，心部晶粒发牛了动态再结晶，表层晶 粒进一步被细化；当挤压比进一步增大，达到100吋，心部晶粒由于第二相质 点的存在阻碍了心部再结晶晶粒的长大，使得心部晶粒细化，同时表层的晶粒进 一步细化随着挤压比的变大，表层和心部昂粒细化，从血获得较高力学性能的 镁合金棒材。

Y. Uematsu, K. Tokaji等学者小研究了 AZ80镁合金在高挤压比的 条件下经过挤压，挤压后镁合金能获得较细晶粒，并且推迟疲劳裂纹的产牛国 外学者研究了 ECAE对AZ32镁合金组织的影响，在200C以下经过2道次的 ECAE挤压后，晶粒细化不明显，但是250C和300C下经过多道次的挤压后可 获得细小等轴的晶粒此外，荷兰Delft科技大学泌对AZ3k AZ61. AZ80以及含 Ca和Sr元素的高温镁合金MRI153等的均匀化处理、等温挤压工艺及表面处理 技术进行了全面系统的研究，并开发出了一系列适合航。