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使用数值模拟和分析计算，模具几何对分级挤出性能的影响
Dirk Landgrebe (3)a,b, Andreas Sterzing a, Nadine Schubert a, Markus Bergmann a,*
a Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, Reichenhainer Str. 88, 09126 Chemnitz, Germany
b Institute for Machine Tools and Production Processes IWP, Technische Universitauml;t Chemnitz, Reichenhainer Str. 70, 09126 Chemnitz, Germany
Submitted by Rafael Wertheim (1), Chemnitz, Germany
关键词：成型 金属 剧烈塑形变形
分级挤压成形使塑性变形大，塑性应变梯度大，导致组织的相关梯度。 因此可以提供具有定制特性的材料。 控制微结构的等级还需要知道形成工艺和特殊口模结构的相互作用。 基于分析计算方法，表征不同的几何变体。 此外，通过数值模拟更全面地研究所选择的几何变体。 介绍和分析了模具设计和工艺参数优化的相互作用机制和影响变形过程的可能性。
- 简介
渐变挤出（GE）成形工艺已经发展到可以通过适配的剧烈塑性变形（SPD）来提供具有定制性质的材料。该处理导致微观结构的梯度变形。 严重变形材料的优异特性可以在不处理的完整材料体积来实现。 具有高强度的韧性芯部的组合，在一个部件的超细晶粒横向部分即可实现。 初步研究表明，这一原理可以成功应用于工艺铝材料[1-3]。
该方法的关键特征是通过使用所谓的SPD形成元件产生变形梯度。 这些元件集成到芯片来创建本地附加变形，其目的是产生具有所需显微结构和机械特性的特定属性的修改。 倾斜的成形元件设计，其目标是创建一个类似于ECAP（等通道转角挤压）工艺变形条件。 与ECAP相反，这些条件不是在整个材料体积中产生的，而是仅在部件的侧向区域中局部地产生。 因此，成形过程可以描述为重复挤压变形和工件侧面区域上的ECAP样变形的组合[4]。 ECAP类变形类似于ECAP过程中的路线C [5]。
在一般情况下，由GE产生的属性修改的大小和分布取决于该SPD形成元件的设计。 关于元件的几何形状，数量，分布等，存在大范围的设计选择。 这些几何特征的相互作用，以及它们与加工条件的相互作用，尚未被完全理解并未进行全面的调查。 目前的工作为理解GE的这些核心特征做出了贡献。
设计B将成角度的SPD形成元件几何形状与直径逐步减小，而在成形期间没有任何直径扩大。 这种模具设计没有底切。 然而，入口条件和逐步方法不同于模具设计A和标准冲击挤出。
利用计算方法和FE过程仿真来研究两种设计方法的变形特性。 在加工过程中产生的还原，膨胀和剪切导致有效应变的组合效应，这是严重塑性变形的适当指示。图1 GE模具几何形状的设计变型
- 模具设计的几何特征
图2中所示的挤出模的几何特征限定了模具的最相关的设计参数。 两个模具变型是由相同的初始直径D0和最终直径DF决定的。 在图2所示的成形元件部分中两个变型表现为成角度的几何形状.SPD形成元件是对称设计的，角度f是相同且连续地重复的。图2 形成两个模具设计的元件几何形状。
在设计A中，因为几何转变，初始和最终角度不同。 除了初始直径D0和最终直径DF，半径R和堆叠形成元件的数目是影响材料流动参数。 在设计B中，第一成形元件的最终直径D对应于下一个元素的初始直径。 由于在成形期间直径不增加，所以成形元件必须在每个步骤中调整。 每个步骤的基本几何形状保持相同，而直径逐步减小
表1给出了两种模具变型的主要几何参数的概述。 对于两个设计，在计算中使用4个成型步骤。
主要研究角度f和成形元件长度l的大小的影响。 初始和最终直径保持不变。 半径R对成形过程具有显著影响。 然而，为了降低复杂性并允许比较两个模具设计，半径被设置为相等且不变的值。 基本上，在较小的半径处，变形增加，并且材料流动受到更多限制，导致材料和工艺失效的几率更高。
表格1 研究两个模具设计变体的几何值。
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设计 A |
设计 B |
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初始直径 |
D0 |
16 mm |
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最终直径 |
DF |
10 mm |
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内径 |
Di |
Di = f(f, R) |
Diameter-reduction in |
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1.5 mm steps |
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半径 |
R |
0.2 mm |
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SPD-forming |
f |
908; 1058; 1208; 1358; 1508; 1658 |
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元素角度 |
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SPD-forming |
L |
4; 4.5; 5; 6; 6.5; 8; 10; 12 mm |
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元素长度 |
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- 材料变形特性的表征方法
为了表征和比较材料在渐变挤出过程中的变形行为，使用数值模拟并由分析计算补充。 使用分析方法，只有几何模具特征的影响，而不考虑具体的材料性能和摩擦。
分析方法的主要优点是快速和简易地提供对模具几何形状的一般评估。 分析模型的设计需要考虑GE工艺的细节，其展现了挤出和ECAP工艺的组合特征。 对于这些情况的分析的开发和应用在了[4]。 该计算仅基于几何因素。
作为在GE期间表征材料的变形行为的第二种方法，已经进行了数值模拟。 模拟考虑了形成过程的各个方面，这在分析计算模型中不被考虑。 材料性能或硬化效应分别导致不均匀的流动阻力。 材料的流动会影响应变产生的通用过程的梯度的特征。 此外，在工件和模具接触处的摩擦显着影响成形过程。
3.1 分析计算方法
在GE期间计算横向区域的总有效应变的方法是基于将过程分为两个不同的变形机制：挤压过程和ECAP样变形[4]。 这两种机制包括几个步骤，每个挤压步骤的有效应变为phi;i_IE，ECAP-样变形步骤的有效应变为phi;j_ECAP。 当使用模具设计A时，工件的直径交替地减小和扩展，而使用模具设计B时，其逐步减小。 通过等式（1）计算减小，分别扩展。 每个冲击挤压步骤i有助于总体应变产生：
对于近表面区域中的ECAP样变形，假定具有特定宽度的ECAP通道具有几个连续的ECAP步骤（图3）。 通道的一侧对应于模具几何形状。 假定对称通道具有宽度b，角度phi;和半径R.每个单个模口角度被识别为ECAP角度。 作为4个形成步骤的结果，两个模具设计包括类似于ECAP的变形步骤。 由于几何形状的转变，模具设计A的入口和出口形成角度的尺寸不同于所有其它步骤的常规值。
图3 模具设计A和B的横向区域中的ECAP样变形
使用Segal [6]的方程，每个ECAP样变形j的有效应变可以计算如下：
通过对i个挤压步骤和j个ECAP形成步骤的值求和来计算总有效应变，而对于模具设计A i = 1 ... 8和j = 1 ... 8，对于模具设计B i = 1 ... 4和j = 1 ... 8。
总有效应变phi;v表示在成形元件附近的通道内的应变，个别严重变形区域根据（3）计算。 该区域的宽度必须单独确定。 分析方法可用于研究ECAP样剪切主导变形与总有效应变的比率。
3.2 有限元仿真模型
除了分析方法之外，执行数值模拟可以获得关于几何特征对成形过程的影响的信息，以及关于侧面区域的变形的信息。 与分析模型相反，有限元模拟考虑了材料的硬化效应以及模具和工件之间的摩擦。 仿真设置和流程模拟使用的软件Simufact13.3进行。 因为所研究的模几何形状是旋转对称的，这些过程被设置为旋转对称的二维模型。 冲头和模具被定义为刚性体。 用于数值模拟的材料和摩擦描述总结在表2中。
表2 FE模型的主要参数。
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Material |
kf = K wn |
K = 400 (N/mm2) ; n = 0.094 |
|
Friction |
Coulomb, maximum |
m = 0.2 ; m = 0.08 |
|
shear stress (combined) |
||
标准EN AW-6082的材料数据不包括较高的应变值。 所使用的材料数据模型是基于标准EN AW-6082的增强模型，补充了高应变水平的数据[7]。 假设中等摩擦水平。
- 结论
4.1 分析计算
参考表1中的参数值的范围，根据等式（3）进行总有效应变的计算。结果在图4中以图表显示。
图4 作为SPD形成元件长度的函数的总有效应变
根据计算方法，模具设计A的GE工艺比模具设计B有更高的总有效应变。此外，对于模具设计A，应变产生显着地取决于SPD形成元件角度和成形元件长度。 相比之下，模具设计B中的总有效应变的计算表明仅依赖于成形元件角度。 对于两种模具设计，总有效应变随着成形元件角度的增大而增加。对于模具设计A，有效应变随着成形元件长度增大而增加，并且其与成形元件角度的相关性而显示出对内径Di的依赖性。 剪切变形是实现由严重塑性变形引起的晶粒细化，由于这一最有利的机制的事实，所以ECAP-样变形对于表征GE方法是非常有意义的。 图5示出了对于形成元件长度为5mm的材料的侧向区域中由于ECAP样变形和挤压变形而产生的其共有部分的计算的总有效应变
图5 设计A和B在不同元素角度下的有效应变。
模具设计B仅示出与成形元件角phi;的相关性。 相比之下，在模具设计B中，基于挤出的变形量仅与直径减小有关。 ECAP样变形的份额随着成形元件角度的减小而增大。 此外，该几何形状具有由冲击挤压引起的有效应变的恒定值。 与总的总有效应变相关，通过使用模具设计B可以实现最高的ECAP样变形份额。然而，也必须实现在应变计算中未考虑的足够的材料流动。 关于变形的梯度，芯材料中的应变产生令人感兴趣并使用数值模拟来研究。
4.2 数值模拟
对于两个模具设计，针对5mm的元件长度模拟不同的成形元件角度。 表3示出了用于模具设计A的变化的成形元件角度的总有效应变的分布。横向材料和芯材料的总有效应变的值在模拟图下面指定。
表3 使用模具设计对不同SPD形成元素角度f的总有效应变的分布A.
数值模拟表明，侧面区域的应变产生与成形元件角phi;相关。 较小的角度导致D0和Di的比率较大，这导致更广泛的高应变产生层。 在90°的角度处达到有效应变水平的最高值。 材料流在最终直径减小之前不遵循几何形状的成角度形状，导致较低水平的总有效应变。 因此，在模具设计A的该范围内，可以改变模具几何形状以实现改进的材料流动以获得更好的结果。 与计算值相比，来自数值模拟的结果证明了相似的趋势，但是显示出与绝对值有关的显着偏差。
表4 使用模具设计分布形成元素角度f的总有效应变
表4包含具有恒定形成元件长度5mm的模具设计B的有效应变的数值模拟的结果。 较小的角度导致在横向区域中产生更高的应变。 来自分析计算和数值模拟的有效应变的值对应于所考虑的工艺变化。 135°及以下的通道角提供了材料的ECAP处理所典型的应变水平。 芯材大部分不受模具
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