（材料加工工程专业论文）zk60镁合金棒材挤压数值模拟和实验研究.pdf

哈尔滨理t 人学丁学硕f j 学位论文 z k 6 0 镁合金棒材挤压数值模拟和实验研究 摘要 镁合金是目前工程应用结构材料中最轻的金属，它具有良好的导电性、 热传导性、较高的比强度和比刚度、易于机械加工制造和可再利用等诸多优 点。目前镁合金被广泛地应用于电子工业、航空航天、汽车产业等领域。然 而，镁合金的密排六方结构使其在室温环境下塑性能力差、变形困难，制约 了镁合金的进一步应用。通过实验，利用有限元数值模拟技术分析镁合金的 组织变化、成形过程。对研究镁合金的晶粒细化方法、成形规律有着重要的 理论和现实意义，并对实现镁合金产业化、实用化具有重要的指导意义。 挤压加工是使镁合金塑性变形的重要方法之一，通常情况下，镁合金在 热挤压加工中会发生动态再结晶，从而晶粒得到细化，强度和塑性得到提 高。本文利用有限元软件d e f o r m 3 d ，模拟了z k 6 0 镁合金棒材的挤压成 形过程，分析了挤压件的材料流动速度、应力场以及难变形区等对挤压过程 的影响。同时分别对棒材挤压成形过程中的不同部位，不同挤压比的组织演 变和动态再结晶过程进行模拟。 本文对棒材挤压模具进行了设计，确定了棒材挤压的工艺路线，挤压工 艺参数。通过对z k 6 0 镁合金铸锭、一次挤压、二次挤压的显微组织对比， 研究了镁合金挤压塑性变形对显微组织的变化情况。通过显微组织分析，研 究了挤压棒材不同部位，在挤压变形中组织的演变机制，以及不同挤压比对 挤压棒材组织的影响，得出了棒材外层组织比内层更细小，棒材中段比前端 组织更致密，随着挤压比的增加晶粒组织更细小、均匀、动态再结晶程度更 高的结论。分析挤压棒材裂纹缺陷原因，并提出合理化解决方案。将组织模 拟结果与光学显微组织进行对比分析，吻合度较高，验证了数值模拟对挤压 研究的意义。 关键词z k 6 0 镁合金；棒材挤压；晶粒细化；组织模拟；挤压比 哈尔滨理丁大学t 学硕1 ：学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo f e x t r u s i o np r o c e s so n m a g n e s i u ma l l o yr o d z k 6 0 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y i st h e l i g h t e s tm e t a lo fs t r u c t u r a lm a t e r i a l si np r o j e c t a p p l i c a t i o nr i g h tn o w i th a sm a n ya d v a n t a g e sa se x c e l l e n te l e c t r i c a la n dh e a t c o n d u c t i v i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n ds p e c i f i cr i g i d i t y , m e c h a n i c a lm a c h i n i n g m a n u f a c t u r i n gf a c i l i t ya n dc o n v e n i e n tr e c y c l i n g n o wm a g n e s i u ma l l o yi sw i d e l y a p p l i e dt oe l e c t r o n i ci n d u s t r y , a e r o s p a c ei n d u s t r y , a n da u t oi n d u s t r y h o w e v e r , t h ec l o s e - p a c k e dh e x a g o n a ls t r u c t u r eo fm a g n e s i u ma l l o yw e a k e n si t sp l a s t i c i t y c a p a b i l i t ya n dh a m p e r st h ed e f o r m a t i o na ta m b i e n tt e m p e r a t u r et h a tm a yh i n d e r t h ef u r t h e r a p p l i c a t i o n b yu s i n g t h ef i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n i q u e ，t h ea n a l y s is o ft h es t r u c t u r a la n dt h e f o r m i n gp r o c e s s a b o u t m a g n e s i u ma l l o yi ne x p e r i m e n th a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lc o n t r i b u t i o n sa n dt h e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ns t u d y i n g t h em e t h o do fm a g n e s i u ma l l o y g r a i n r e f i n e m e n ta n dt h ef o r m i n gr u l e s i tp r o v i d e st h es i g n i f i c a n tg u i d a n c eo nt h e i n d u s t f i a l i z a t i o na n dp r a c t i c a l i t yo fm a g n e s i u m a l l o y e x t r u s i o np r o c e s si so n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o d st om a k em a g n e s i u m a l l o y p l a s t i cd e f o r m a t i o n u s u a l l ym a g n e s i u ma l l o yi sd y n a m i c a lr e c r y s t a l l i z a t e di n h e a te x t r u s i o n p r o c e s s t h a tt h e g r a i n so b t a i nr e f i n e d a n dt h e s t r e n g t ha n d p l a s t i c i t y a le i m p r o v e d w i t ht h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m 3 d ，w e s i m u l a t et h ee x t r u s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s so nm a g n e s i u ma l l o yr o dz k 6 0a n d a n a l y z e st h ee f f e c t so ft h ee x t r u s i o np r o c e s si nm a t e r i a l sf l o wv e l o c i t y , s t r e s s f i e l da n dh a r dd e f o r m a t i o np a r t t h e nw es i m u l a t et h e g r a i n sm i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o na n dd y n a m i c a lr e c r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s su n d e rd i f f e r e n tp a n sa n d d i f f e r e n te x t r u s i o nr a t i o si nt h er o df o r m i n gp r o c e s s t h i sp a p e rd e s i g n st h er o de x t r u s i o nd i ea n do b t a i n st h et e c h n o l o g i c a ll i n e a n dp a r a m e t e ri nt h er o de x t r u s i o np r o c e s s w i t ht h e o p t i c a lm i c r o s c o p i c s t r u c t u r ei n s p e c t i oi nz k 6 0 ，f i r s ta n ds e c o n de x t r u d e dp r o d u c t ，w ea n a l y z et h e m i c r o s t r u c t u r ec h a n g i n gi nt h e p l a s t i cd e f o r m a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so f r i i - 哈尔滨理丁大学丁学顾+ ：学位论文 m i c r o s t r u c t u r e ，w es t u d yt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm e c h a n i s mi nd i f f e r e n t p a n so ft h ee x t r u d e dp r o d u c t sa n dt h ee f f e c tf a c t o r su n d e rd i f f e r e n te x t r u s i o n r a t i o so ft h er o de x t r u s i o nd e f o r i l l a t i o np r o c e s s t h e nw eo f f e rs o l u t i o n sa f t e r f i n d i n go u tt h er e a s o nw h yt h ee x t r u s i o np a r t sh a v ec r a c kd e f e c t s t h i sp a p e r p r o v e st h ea s s i s t e do ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ne x t r u s i o nd e f o r m a t i o ns t u d y b yv a l i d a t i n g t h eh i g hg o o d n e s so ff i tb e t w e e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h eo p t i c sm i c r o s c o p i cs t r u c t u r e k e y w o r d s z k 6 0 m a g n e s i u ma l l o y , r o d e x t r u s i o n ，g r a i nr e f i n e m e n t ， m i c r o s t r u c t u r es i m u l a t i o n ，e x t r u s i o nr a t i o 哈尔滨理丁大学t 学硕l j 学位论文 第1 章绪论 1 1 镁及其合金发展概述 镁是所有结构用金属及合金材料中最轻的金属，密度仅为1 7 3 8 9 c m 3 ，约 为铝的2 3 ，钢的1 4 1 。它具有比强度和比刚度高，有较好的抗冲击和减震性 能、优越的切削加工性能和电磁屏蔽性能力、还原能力强且易于回收利用等优 点。近年来镁及其合金已经在航空航天、通信产业、汽车工业等领域显示出了 极大的应用前景【2 巧l 。 但是，由于镁是一种新型材料，其相关研究还不够充分，对镁合金的塑性 变形机理的认识还不够深入，对于改进现有的塑性变形工艺以及开发新的塑性 变形技术缺乏必要的理论指导。在制备材料以及加工技术方面上远没有充分发 挥其潜在优势。另外，强度低、塑性能力差、易腐蚀、工作温度低等缺点也制 约了镁合金的应用。镁合金在实际应用方面和铝合金以及钢铁材料还有不小差 距，规模也仅有铝业的1 5 0 ，钢铁工业的1 1 6 0 【6 1 。 近年来，镁合会凭借其优异的性能以及适中的价格，已经引来了国内外学 者的广泛关注，世界各国相继设立相关研究课题，镁合金的研究开发与应用已 成为材料研究的一大热门。目前镁合金的研究发展方向主要为：研发新型镁合 金，深入研究镁合金塑性变形机理，开发优化镁合金塑性变形技术。 1 2 镁合金挤压技术 1 2 1 镁合金塑性成形 镁合金为密排六方体结构，因室温塑性变形较差，制约了其在结构领域的 应用。目前，镁合金压铸成形技术应用广泛且技术十分成熟，但通过镁合金压 铸技术加工的零件存在综合强度不高、组织不致密，使用性能很难达到某些承 力构件要求等问题，使镁合金的应用领域具有局限性。随着对镁合金加工技术 的不断研究，人们发现通过挤压、锻压、轧制和冲压等加工工艺生产出的变形 镁合金相比于传统铸造镁合金具有力学性能优良、组织细化程度高、延展性 好，强度高等优点。对于变形镁合金的开发与研究已经成为一项世界性课题， 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 变形镁合金已经达到了结构材料的要求。 等径道角挤压( e c a e ) 技术是一种新型塑性成形技术，对于镁合金晶粒组 织有着极强的细化作用，有效提高镁合金塑性能力和屈服应力，激发出镁合金 的超塑性1 7 引。以a z 3 1 镁合金为例，其铸锭在完成第四道次等径道角挤压后， 拉伸性能接近t 6 处理后的6 0 6 1 铝合金，品粒尺寸可以达n o 5 3 岬1 9 】。目前， 等径道角挤压( e c a e ) 还处于探索研究阶段，还没有被广泛的应用。当a z 3 l 镁 合金铸锭在3 5 0 、挤压比为1 0 0 ：1 的参数下进行大比率挤压时，其晶粒细化效 果明显，尺寸由1 5 9 m 减小到5 岬，性能显著提高 1 0 1 。 变形镁合金的研究热点问题还包括镁合金超塑性成形、镁合会挤压成形等 方面 t 1 , 1 2 】。由于镁合金在超塑性状态下，具有良好的流动性，填充性，且变形 抗力低，塑性能力优越等优点，所以，在镁合金超塑性状态下，加工十分方 便，甚至可以一次成形大型复杂零件或大变形量零件。超塑性在实际工业生产 中有着重要的意义。超塑成形过程因其没有发生弹性变形，使制品具有高精度 和低粗糙度，且成形后不出现回弹问题。超塑性成形主要依靠晶界滑动机制和 动态再结晶机制得到极细晶粒。h w a t a n a b e 及其团队对于高温下工业态a z 3 l 镁 合金的超塑性进行了深入研究【1 3 j 。试样通过热轧制处理可达到出超塑性变形， 在为3 7 5 c 和3 1 0 5 s o 的轧制条件下轧制，晶粒可以从初始的13 0 i ，t m 被拉伸至 2 5 5 i r t m ，延伸率接近2 0 0 。研究表明工业铸态a z 3 1 镁合金大晶粒度超塑性变 形机制与细晶粒镁合金超塑性变形机制有所不同，其机制主要为晶界滑移控制 的位错蠕变机制。f a d i k 及其团队对a z 3 1 b 镁合金板材的超塑性研究表明，在 3 2 5 时a z 3 1 b 的延伸率可以达到2 0 0 以上1 1 4 】。郭超等人将铸态a z 3 1 b 以挤压 比为7 ，进行3 2 0 。c 热挤压实验，并将挤压制品在4 1 5 c 以1 x 1 0 q s 。1 速率进行拉伸 实验，证明了镁合金的优良超塑性以及a z 3 1 b 的核心变形机制为晶界滑移 【”1 。l i n h k 等人通过a z 3 l 镁合金的大比率挤压，证明了大程度塑性变形后的 镁合金，在室温情况下延伸率也可以提高3 0 , - 5 0 t 1 6 1 。 张士宏等人通过改进交叉轧制工艺，有效的降低了镁合金薄板的各向异 性，提高了薄板的冲压性能，并对其温热冲压成形技术、温热液压成形技术和 局部热冲锻成形技术做了深入的研究。温热成形可以有效降低成形温度，以筒 形件为例，在1 0 5 - - 1 7 0 。c 之间镁合金就可以发生塑性变形，且限拉深比可达 1 4 - 2 6 ，达到了镁合金薄板件的成形要求。利用温热液压成形技术可以加工 形状复杂的镁合金板材，在数码产品领域具有广阔的前景。局部热冲锻成形技 术主要用于带有凸台结构的镁合金薄板件成形加工，局部热冲锻成形技术加工 的镁合金板件性能优于镁合金压铸件 1 7 1 8 l 。 哈尔滨理丁大学t 学硕，l j 学位论文 1 2 2 挤压成形技术 挤压成形技术是通过对挤压筒内的金属坯料施加轴向外力，迫使坯料从特 定模具中溢出，从而得到理想形状和尺寸的一种塑性加工方法。其挤压过程示 意图，见图1 1 所示。 挤压杆 挤压垫片 挤压筒 铸锭 挤压模具 挤压棒材 图l l 挤压过程不恿图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x t r u s i o np r o c e s s 挤压加工与其他加工方法有所不同，其变形在近似密闭的工具中进行，材 料在变形阶段承受很高的静水压力，这对消除铸锭中的夹渣、空穴、疏松和缩 尾等缺陷十分有利，并可有效提高材料的塑性变形能力，使材料在一次成形加 工中产生较大的变形量，从而提高产品的组织性能。利用挤压加工方法可以制 备管、棒、型、线材以及机械零件等。与轧制、锻压等塑性成形加工方法相 比，挤压加工有以下几方面的优点 1 9 , 2 0 1 ： 1 与轧制、锻压加工相比具有更为强烈的三向压应力状态，有助于最大限 度的发挥金属的塑性能力从而进行大变形量的加工。多数塑性材料的挤压比 ( 锭坯断面积与制品断面积之比) 可达5 0 甚至更大，例如，研究表明纯铝的挤压 比可以达到2 0 0 0 以上。另外，挤压加工可以加工用轧制或锻造等方法加工困 难甚至无法加工的金属材料。例如，为了改善钨、铝等低塑性较脆的金属材料 的组织并提高其塑性能力，就只能采用挤压加工的办法。 2 具有极大的生产灵活性。可以在同一台挤压设备上，只需通过更换模 具，就可以加工生产不同规格、品种的产品；而从一种规格或品种改换加工成 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 另一规格或品种的工艺操作也相对型材轧制等加工方法要简单、方便、快捷许 多。挤压设备有数量少，投资小等优点。 3 挤压制品具有尺寸精确、表面质量好等优点。热挤压制品的精度和光洁 度介于热轧与冷轧、冷拔或机械加工产品之间。 4 易于实现生产过程的机械化与自动化。挤压加工建筑铝型材的生产线已 经实现了全自动化操作，据资料表明国外最先进的建筑铝型材挤压生产线上， 从上坯料一加热一挤压泠却一矫直一锯切一时效处理等整套完整过程只需 要两人就可完成。此外，挤压生产线比轧制生产线更易实现封闭式作业，可以 在生产加工一些对身体有害的金属材料时，有效保护操作者的安全。 因此，目前挤压成形被广泛的应用镁合金塑性加工成形中。 1 3 挤压成形有限元模拟研究情况 自从二十世纪七十年代c h l e e 和s k o b a y a s h i 首次提出塑性有限元以 来，有限元数值模拟技术在金属塑性变形过程中得到了前所未有的应用。 s k o b a y a s h i 和他的团队有效的利用刚塑性、刚粘塑性有限元成功的分析了锻 造、挤压、轧制等体积成形问题以及拉伸、弯曲、冲空、锁口等板料成形问 题。在此之后，o c z i e n k i e w i c z 提出了刚粘塑性材料的有限元公式并导出了刚 粘塑性有限元中的罚函数法，与此同时其团队分析了拉拔、轧制、挤压等工艺 过程，并提出了稳态流动的热力耦合计算的耦合方法和解。a l t a n 和w u 等人 以此为基础，开发了大型的通用化数值模拟软件a l p i d ( a n a l y s i so f l a r g ep l a s t i c i n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 。在此之后m o r i 和o s a k a d a 提出了刚塑性有限元的材 料可压缩方法，并对挤压和轧制等工艺进行了模拟。h a r t l e y 和s t u r g e s s 等人又 成功的研究了塑性有限元中的摩擦问题，并对挤压、轧制等成形问题进行了有 效的分析 2 1 , 2 2 】。目前，刚粘塑性有限元法已经被公认为金属成形问题最有效、 成功的方法之一。 c a e 技术应用于挤压业主要有两方面的意义，其一，通过有限元分析对 挤压过程进行数值模拟可有效预测实际生产加工中出现的缺陷；其二，通过有 限元数值模拟可以优化挤压工艺参数。韩国h y u n w o os h i n 等在1 9 9 3 年利用 二维刚塑性有限元方法对非轴对称挤压全过程进行了数值模拟，简化了复杂的 三维分析过程【2 3 1 。于沪平及其团队采用塑性成型模拟软件d e f o r m ，并结合 刚粘塑性有限元罚函数法模拟了平面分流模的挤压变形过程，分析了挤压过程 中工件的应力场、应变场、流动速度以及温度场等f 2 4 】。刘汉武等利用有限元分 哈尔滨理i t 大学t 学硕 ：学位论文 析软件a n s y s 对分流组合模挤压铝型材进行了数值模拟，解决了原模具设计 中很难发现的结构缺陷问题【2 5 】。周飞等人采用三维刚粘塑性有限元方法，对典 型铝型材非等温成型过程进行了有限元数值模拟，完整的分析了铝型材挤压过 程中的三个成形阶段，分别得出了三个不同成形阶段的应力场、应变场和温度 场分布情况以及完整成形过程中模具承受载荷随时间的变化情况【2 6 1 。闰洪等在 2 0 0 0 年采用a n s y s 软件作为平台，对壁板型材挤压过程进行了有限元数值模 拟析，并得出了型材挤压过程的位移场、应变场、应力场。指导了实际生产中 挤压工艺参数和模具的结构设计【2 7 2 引。 1 4 课题研究的目的及主要内容 金属镁为密排六方晶体结构，其室温下只有3 个滑移系，因此塑性要低于 面心和体心立方金属，金属的塑性变形主要通过滑移与孪生的共同作用完成， 而最终受制于孪生；滑移与孪生的协调动作是引发镁合金发生塑性变形的一个 重要因素【2 9 1 。 本课题研究的主要目的是通过挤压模拟分析和实验研究，了解镁合金挤压 变形过程中再结晶机理和组织不均匀原因，提高镁合金塑性变形能力，预测并 改善挤压变形产生的裂纹缺陷。 根据镁合金挤压加工的现状本课题主要研究内容为： 1 对z k 6 0 镁合会棒材挤压过程进行有限元数值模拟。通过对流动速度 场、应力场、难变形区的模拟，分析棒材挤压变形过程中的速度和应力变化， 有效预见了挤压实验中可能出现的缺陷。通过对棒材挤压成形过程中的不同部 位，不同挤压比的组织模拟，研究挤压变形时组织演变和动态再结晶过程。 2 确定z k 6 0 镁合金棒材挤压工艺方案，完成棒材挤压实验。对比z k 6 0 镁合金铸锭、一次挤压、二次挤压的显微组织，研究镁合金挤压塑性变形对显 微组织的变化情况。通过显微组织分析，研究挤压棒材不同部位在挤压变形中 组织的演变机制，以及不同挤压比对挤压棒材组织的影响。将实验结果与组织 模拟结果对比分析，验证数值模拟对挤压研究的意义。 3 分析z k 6 0 镁合金挤压棒材表面裂纹缺陷原因，并提出合理化解决方 案。 哈尔滨理t 人学t 学硕1 j 学位论文 2 1 挤压筒设计 第2 章棒材挤压模具设计 2 1 1 挤压筒工作内衬套的结构和配合 挤压筒工作内衬套可分为圆柱形、圆锥形和抬肩圆柱形三种结构。 挤压筒衬套的配合有四种方式，分别为圆锥面配合、柱面配合、圆锥面柱 面配合以及带台阶的圆柱面配合。 根据本实验的挤压要求，选择圆柱形挤压筒，其配合方式选择为圆柱面配 2 k 口0 2 1 2 挤压简与模具的配合 挤压筒的内衬套与模具的配合结构需要综合考虑挤压材料、产品种类、工 模具结构、挤压方法和挤压机结构、挤压筒与模座之间的压紧力的大小等因素 来进行设计。 由于本实验是在立式液压机上完成，所以选择将模具的整体全部放入挤压 筒的配合方式。 2 1 3 挤压简尺寸设计 2 1 t 3 1 圆柱形挤压筒工作内孑l 的确定挤压筒工作内套的内孔直径d ，的设 计，需要综合考虑挤压机的类型结构、挤压制品的极限挤压系数、挤压材料的 变形最低单位压力p 等因素。d ，的最大值应满足挤压垫片承受的单位挤压力p 大于或等于被挤压材料的变形抗力；d ，的最小值应满足挤压轴以及其它工具的 强度。综合考虑以上因素，本实验挤压筒工作内套的内孔直径职选取4 0 m m 。 2 1 3 2 挤压筒长度的确定挤压筒长度三主要根据d ，的大小、被挤压金属材 料的性能、挤压力值、挤压轴的强度等来确定。挤压筒过长虽然可以增加挤压 材料的长度，提高生产率，但也增加了挤压力，容易影响挤压轴和其它挤压工 具的强度，使工具稳定性降低。 用公式( 2 1 ) 确定。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 l = 三锭m 瓢+ ，+ f + j ( 2 - 1 ) 式中：l 锭m 觚为铸锭极限长度，本实验为棒材挤压，锭m a x = r 3 4 ) d f ； l 为铸锭穿孔时会属向后倒流所增加的长度；t 为模具嵌入挤压筒的深度；j 为 挤压挚片的厚度。通常为( o 4 o 6 ) d ，小挤压机取上限，大挤压机取下限。 则三取2 2 0 m m 。 2 1 3 3 挤压筒衬套厚度的确定本课实验棒材挤压模具较为简单，选取单层圆 筒挤压即可，挤压筒外径选为内径的3 倍，那么，d 取1 2 0 m m 。 2 1 3 4 挤压筒的强度校核单层圆筒挤压只有挤压筒壁承受内压力p 口。则 - - j o 有o 口，= 口2 p o c b 2 一a 2 夕一p o a 2 b 2 c b 2 一a 2 ) r 2 ( 2 2 ) 盯占= 口2 p o c b 2 一日2 ，j + 只口2 b 2 p 2 一口2 夕厂2 ( 2 - 3 ) 公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 为筒壁横截面上任意点的应力表达式。 其内表面( 厂= 口) 点。 盯，= a 2 p o c b 2 一a 2 夕一口2 b 2 c b 2 一a 2 j 口2 = - p = 口2 p 2 一a 2 j + 只口2 b 2 p 2 一a 2 j 口2 = e o 向2 + 6 2 夕p 2 一d 2 夕 在外表面( r = 6 ) 点。 c r r = 口2 p 2 一a 2 ) 一只口2 b 2 p 2 一a 2 ) ，2 = 0 = 口2 p 2 一a 2 ) + p a 2 b 2 p 2 一a 2 夕r 2 = 2 a 2 e p 2 一a 2 ) 筒壁横截面上任意一点的径向应力西都是压应力，环向应力如都为拉应 力，在内表面处为二者的最大值。 通过最大剪应力强度理论校核其强度，其相当应力值。 盯：3 = 仃l 一盯3 = 盯日一仃，= 只向2 + 6 2 ) p 2 一口2 夕一r 一只夕= 2 只6 2 p 2 一口2 夕 内表面任意点的强度条件如公式( 2 4 ) 。 d a = 2 p , b 2 ( b 2 一a 2 ) 盯】 ( 2 - 4 ) 哈尔滨理t 大学下学硕f j 学位论文 查表知b 】= 1 6 0 m p a ， 式中a = 4 0 m m ；b = 1 2 0 m m则求出 矿。3 = 0 0 2 2 5 m p a b 】，验证其符合要求。 2 2 挤压轴的设计 挤压轴的设计不仅需要依据其实际工作中承载的的最大压力，还有综合考 虑其结构形式和尺寸要求等因素。 2 2 i 挤压轴的结构形式 按挤压机的结构类型分实一i i , 挤压轴和空心挤压轴两类。实心挤压轴适用于 无独立穿孔系统挤压机，空心挤压轴多用于带独立穿孔系统挤压机。本实验在 立式液压机上进行，所以选用实心挤压轴。 2 2 2 挤压轴尺寸的确定 2 2 2 1 挤压轴外径尺寸的确定挤压轴外径尺寸d ，按照挤压筒工作内孔直径 d ，进行设计。通常西一般比d ，小2 - 2 0 r a m ，立式挤压机和小直径挤压筒取下 限2 - 6 m m 。 2 2 2 2 挤压轴长度的确定挤压轴的总长度l = l j + 幻+ 厶，l ，为轴座长度，根 据轴支撑的相应部分的长度来确定；( 三2 “，) 为轴杆的长度，为保证挤压余量 可以从挤压筒中推出，( 厶也) 应比挤压筒的长度大于1 5 , - , 2 0 r a m 。标准化上 取2 7 0 m m 。 2 2 3 挤压轴面压于纵向弯曲应力的计算 2 2 3 1 面压的计算面压的计算公式为( 2 5 ) 所示。 尸面= e f p j 压 ( 2 5 ) 式中：p 为挤压机的名义压力：f 为挤压轴杆部截面；l 盯l 乐为挤压轴材料的许 用压缩应力。本实验挤压轴材料选为3 c r 2 w 8 v 钢，在3 5 0 c 时，取 k j 压- - - 11 0 0 m p a 。将数据代入式( 2 - 5 ) ，结果如( 2 6 ) 所示。 名= p k ( d1 2 ) 2 】- 1 0 4 ( 3 6 1 0 3 2 ) 2 = 9 8 2 9 m p , o l 眶 ( 2 6 ) 2 2 3 2 纵向弯曲应力的计算挤压时挤压轴的全应力为内力p 和弯曲力矩m 的应力之和，如式( 2 7 ) 所示。 哈尔滨理丁人学丁学硕l j 学位论文 1 7 。= 盯+ 1 7 ” ( 2 _ 7 ) 式中：1 7 ，为内力p 产生的应力；1 7 为弯曲力矩肘产生的弯曲应力。 如果挤压轴的长度低于其直径的4 - - 5 倍，那么无需单独计算其稳定性， 只需将其强度和稳定性结合起来，校核公式! z n ( 2 8 ) 所示。 盯= p 够f p j 稳 ( 2 8 ) 式中：驴为许用压缩应力的折减系数，通常妒取0 9 ；f 为挤压轴的横截面积； p 为挤压机的名义压力。 b k 为稳定条件下的许用应力，b 】稳缈p ，】，k ，】查表得为7 8 5 m p a 。 材料的细长比( 柔度) a 如式( 2 9 ) 所示。 a = ， ( 2 - 9 ) 式中：为泊松比；，为挤压轴工作长度；加为挤压轴的断面惯性半径；圆形 断面，i = d 4 。将数据代入后，结果如式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 所示。 丑= 0 3 l 1 8 8 ( 3 6 4 ) = 6 4 7 ( 2 一1 0 ) 盯= 1 0 4 【0 9 石( 3 6 x1 0 。2 ) 2i 1 0 9 2 m p a p k ( 2 1 1 ) 弯曲应力如式( 2 1 2 ) 所示。 仃，= m w = 州 ( 2 1 2 ) 式中：矿为截面模数；实心挤压轴，w = o 1 d 3 ，代入数据，如式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 所示。 仃一= 1 0 4 ( 3 6 2 ) 0 1 ( 3 6 ) 3j - 3 8 5 8 m p a ( 2 - 1 3 ) 1 7 。= 盯+ 仃= 1 0 9 2 + 3 8 5 8 = 4 9 5 0 m p a 1i o o m p a ( 2 1 4 ) 当挤压轴的中心线和挤压筒工作内套的中心线没有很好的对准中心时，偏 心距的产生将增加弯曲应力，严重时可能造成挤压轴的损坏。因此，挤压轴工 作时，必需保证挤压轴与挤压筒工作内套与中心线对齐。 综上所述，挤压轴的强度满足要求。 2 3 挤压垫片的尺寸确定 挤压垫片的作用是防止挤压轴与高温被挤压材料直接接触而出现烧、损变 形，同时起到了传递挤压力的作用。本课题选用实心挚片，具体尺寸如下。 2 3 1 外径尺寸 挤压垫片的外径尺寸主要由挤压筒内径、挤压筒及垫片直径差来确定，如 式( 2 1 5 ) 所示。 哈尔滨理t 大学下学硕 ：学位论文 d 垫= d t 一, d d 式中：d ，为挤压筒的内孔直径；a d 为内孔直径与垫片外径差。 材要求，, a d 取l m m ，代入式( 2 1 5 ) ，结果如式( 2 - 1 6 ) 所示。 d 挚= d f = 皿一a d = 4 0 一1 0 = 3 9 m m ( 2 1 5 ) 根据本实验棒 ( 2 1 6 ) 2 3 2 挤压垫片厚度 根据公式( 2 1 7 ) ，计算出挤压挚片厚度。 h 颦= i o 2 , - - 0 5 6 ) 9 蚺 ( 2 一l7 ) 为防止挤压垫片发生塑性变形，所以挤压挚片厚度应选取上限值。 挤压挚片在设计时，内外圆棱角应取较大的圆角半径，可取2 0 - - - 3 0 m m ，通 常去2 m m x 4 5 0 倒角。则h 姆= ( o 2 0 5 6 ) ) 挚= o 5 6 3 9 = 2 1 8 4 m m 标准化取 2 5 m m ，h = 1 0 m m ，倒角2 m m x 4 5 0 ，d l = 3 9 m m ，d z = 3 5 m m 。 2 3 3 挤压垫片的强度校核 挤压过程中，挤压垫片长期与高温金属坯料直接接触，传递挤压力。当垫 片承受的实际强度超过材料的许用强度时，垫片可能会产生崩溃变形或导致挤 压其它工具的损坏，所以需要对垫片强度进行校核，校核公式如式( 2 1 8 ) 所 示。 盯压= f o ，毫p 压】 ( 2 一1 8 ) 式中：仃崩挤压垫片的压缩应力；p r 嗽为挤压机的极限挤压力；f 垫为挤压挚 片工作部分的横截面面积；b ，h 】为挤压垫片材料的许用抗压强度，一般可取 仃压】= ( o 9 - 0 9 5 涉啦，盯o 2 是材料的屈服强度，代入数据后，结果如式( 2 1 9 ) 所 示。 口压= ，懈，釜= 1 0 4 之( 3 9 1 0 一3 垒) 2 = 8 3 7 5 m p a 1 1 0 0 m p a ( 2 1 9 ) 因此，挤压垫片的强度符合要求。 2 4 挤压模的设计 挤压模具的结构主要分外形结构和断面形状两种。外形结构主要跟外界各 个组件进行配合，断面形状决定了棒材的成形质量。其结构如图2 1 所示。 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 2 4 1 模角的选取 图2 - 1 模口结构 f i g 2 - 1m o u l dm o u t hs t r u c t u r e 模角a 是模具的轴线与模具工作端面之间的夹角。模角大小直接影响了挤 压棒材的表面质量。当a = 9 0 。时为平模，挤压时可以形成较大的死区，可以 阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧化皮流到棒材的表面上，棒材挤压一般选用平 模【3 0 1 。因为本实验为棒材挤压，故模角a 取9 0 。 2 4 2m 作带长度的确定 工作带长度h 的确定需要考虑挤压机的结构形式、被挤压金属的材料性 质、棒材的形状和尺寸等因素。选择合理的工作带长度h ，可有效提高挤压棒 材质量，保证金属流动的均匀性。 工作带对金属流动起阻碍作用，增加工作带长度可以增加摩擦力，使向该 处流动的供应体积中的流动静压力增大，迫使金属向阻力小的部位流动，从而 使型材整个断面上的金属流量趋于均匀。对于外形尺寸较小，对称性较好，各 部分壁厚相等或者基本相等的型材的工作带长度，依金属种类、型材品种和形 状不同，一般可取2 - 8 m m r 3 1 1 。本模具工作带长度h 取6 m m 。 2 4 3 模孔尺寸的确定 型材模孔尺寸主要与被挤压合金型材的型材、尺寸及其横断面尺寸公差等 因素有关，此外还必须考虑型材断面的各个部位几何形状的特点及其在挤压和 拉伸矫直过程中的变化。 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 若用彳表示模孔长度，则设计公式如式( 2 - 2 0 ) 。 a = a 0 0 + k ) ( 2 2 0 ) 式中：a 为模孔的外形尺寸；a d 为棒材断面的名义尺寸；k 为模裕量系数，查 表后，本设计k 取0 0 2 ，则a 的值如式( 2 - 2 1 ) 所示。 a = a o0 + 七) = 2 0 x ( 1 + o 0 2 0 ) = 2 0 4 0 m m ( 2 2 1 ) 2 4 4 模具入口处圆角半径 模具入口处圆角是指被挤压金属进入工作带的部分，即模具工作端面与工 形成的端面角。入口圆角认可防止金属在挤压时产生表面裂纹和减少金属在流 入工作的非接触变形，同时也减少了在高温下挤压时模子棱角的压塌变形。但 是，圆角增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力的增耐3 羽。 入口圆角半径，选取与金属的强度、挤压温度和棒材的断面尺寸、模具结 构有关。查表选定镁合金挤压模具入口圆角取1 0 r a m 。 2 4 5 模具的外形尺寸 模具的外形尺寸主要是根据挤压机吨位大小和挤压模具的强度以及装配模 具的相关部件结构等因素来确定，同时应当考虑模具的系列化、标准化，便于 使用和管理。 2 4 5 1 模具外径 当挤压简直径小于2 0 0 m m ，d 糟0 6 d o ( 式中，d o 为经过模 孔最远点所画的外接圆直径) ，可直接取，d 樽( o ，8 - 1 耽= 4 0 m m 。 2 4 5 2 模具厚度模具的厚度h 摸取决于制品形状、尺寸和挤压机吨位、挤压 筒直径及模具和模架结构。在挤压机设计时，通常选取单位压力为1 0 0 0 m p a 的挤压筒作为基本参数来确定模具的厚度，其关系如式( 2 2 2 ) 所示。 h = ( 0 7 0 8 边= 3 0 m m ( 2 2 2 ) 2 4 5 3 出口直径在挤压和模子的出口部分是保证棒材能顺利通过模子并能保 证高表面质量的重要参数。一般情况下，出口带尺寸d 出应比工作带尺寸大 3 - 6 m m 。为了增大工作带的抗剪强度，工作带与出口带之间可以2 0 - 4 5 0 的斜 面或以圆角半径为1 5 m m - 3 m m 的圆弧连接。对于型材模具工作带的设计很重 要。 2 4 5 4 模具的外形采用立式挤压机圆柱形挤压模就可以满足设计要求。 2 4 6 棒材模的强度校核 棒材模的强度校核公式如( 2 2 3 ) 所示。 仃模2 f p j ( 2 2 3 ) 式中：尸m a x 为挤压机的名义压力；f 为模具的横断面积。棒材模的强度校核结 果如式( 2 2 4 ) 所示。 仃模= ，= 1 0 4 b ( 4 0 2 ) 2 7 r ( 2 0 4 0 d 2j ：9 4 5 m p a 1i o o m p a ( 2 2 4 ) 故其强度符合要求。 按照挤压比为4 的模具设计方法，分别设计出其它4 种挤压比的模具。模 具装配图，如图2 - 2 所示。其外形尺寸见表2 1 。 j l j l j ， 一上 淖v 哥 一17 -，0 图2 - 2 装配图 f i g 2 - 2a s s e m b l yd r a w i n g 表2 - 1 挤压模具外形尺寸 t a b l e2 1e x t r u s i o nd i es i z e 挤入口直径 挤出口直径 ：= 作带k 度模具外径模具厚度 挤压比a m mm mm mm mm m 42 0 42 3 46 4 0 3 0 1 11 2 41 5 464 03 0 2 58 41 1 464 03 0 4 4 6 49 464 03 0 1 0 0 4 47 464 03 0 2 5 本章小结 1 选择圆柱形挤压筒，并对挤压筒尺寸进行设计和强度校核。 2 选择实心挤压轴，并对确定挤压轴尺寸，完成强度校核。 3 设计挤压垫片的尺寸及强度校核。 4 根据不同挤压比要求完成挤压模具设计和强度校核。 哈尔滨理丁大学t 学硕l ：学位论文 第3 章z k 6 0 镁合金棒材挤压有限元模拟 3 1 有限元方法概述及线性回归方法 3 1 1 有限元法分析的一般过程 有限元法的计算过程分为六个步骤，如下： 1 连续体的离散化把相关的连续体离散成几个单元，各个单元由结点连 接，用新的单元集合体来代替原来的连续变形体进行变形分析。通过对每个单 元的结点参量进行计算，来求出整个连续体，其中包括求解出速度、位移等 后，从而得到每一个单元的物理量【3 3 1 。 2 位移模式的选择连续体经过离散化后，需要对其中的典型单元体进行 特性分析。一定要假定出单元中的各位移分布，从而用结点位移( 速度) 来反 应单元体的位移、应变和应力；也就是将真实位移用假定的位移模式( 形函 数) 去近似地模拟，其矩阵形式如( 3 1 ) 所示。 = 【 。 ( 3 - 1 ) 式中： ” 表示单元中任一点位移的列阵；【】表示形函数矩阵； d 。表示单 元结点的位移列阵。 当位移模式选定之后，将开始单元力学特性分析。 结点位移与