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ZK60鎂合金筒形件擠成形工藝研究 內(nèi)容總結(jié)：

鎂合金是結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，具有密度小、比強(qiáng)度與比剛度高、生物兼容性好以及減震等優(yōu)異性能，還擁有較高的吸振性，導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好、兼具備良好的阻尼減震特性和電磁屏蔽性能，同時易于加工成形、廢料容易回收再利用，廣泛應(yīng)用于交通工具、航空航天、電子工業(yè)與通訊等領(lǐng)域 [1] [2] [3] [4]。是較為先進(jìn)的綠色金屬材料。

內(nèi)容：

1. 引言

鎂合金是結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，具有密度小、比強(qiáng)度與比剛度高、生物兼容性好以及減震等優(yōu)異性能，還擁有較高的吸振性，導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好、兼具備良好的阻尼減震特性和電磁屏蔽性能，同時易于加工成形、廢料容易回收再利用，廣泛應(yīng)用于交通工具、航空航天、電子工業(yè)與通訊等領(lǐng)域 [1] [2] [3] [4]

是較為先進(jìn)的綠色金屬材料

金屬鎂屬于密排六方結(jié)構(gòu)，相比于面心立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)，滑移系更少，因此塑性較差，塑性加工更加的困難，大多數(shù)鎂及鎂合金材料要通過壓鑄等成形工藝進(jìn)行加工 [5] [6]

擠壓成形是將金屬毛坯放入模具后，通過一定速度的壓力作用，使坯料在型腔中成形，得到所需的零件的過程 [7]

反擠壓時，由于金屬坯料與擠壓筒內(nèi)壁間無相對滑動，因此擠出過程金屬流動更均勻，相比正擠壓法擠出型材尺寸精度更高

根據(jù)溫度不同，擠壓工藝可以分為冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓 [8] [9]

鎂合金材料成形過程中具有劇烈的流動，但因筒體壁較薄，對其成形力造成很大影響，需要保持較高的溫度來進(jìn)一步增強(qiáng)金屬的流動性 [10] [11]

因此，對于鎂合金筒形件來說，熱擠壓是較為普遍的成形方式 [12]

本文運(yùn)用有限元軟件，對ZK60鎂合金反擠壓過程進(jìn)行工藝及組織模擬研究，優(yōu)化成形工藝參數(shù)，為筒形件實際生產(chǎn)提供工藝參數(shù)依據(jù)，以保證能夠獲得綜合性能良好的零件

2. 有限元模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化筒形零件尺寸如

圖1(a)所示，最大外形尺寸φ88 mm，內(nèi)層筒部外徑φ48 mm，壁厚分別為6 mm和5 mm，外側(cè)壁高度為43 mm

零件及模具幾何模型如

圖1(b)所示

具體工藝參數(shù)設(shè)置如表1

工藝參數(shù)	數(shù)值范圍
坯料溫度(℃)	290 320 350 380
模具溫度(℃)	260 290 320350
坯料直徑(mm)	φ65φ70 φ85

所示

在擠壓過程中，選取的坯料尺寸分別為φ65 × 40 mm、φ70 × 35 mm、φ85 × 25 mm，設(shè)定坯料溫度為290℃、320℃、350℃、380℃，并保持其余工藝參數(shù)一致

模具預(yù)熱溫度比坯料溫度低30℃，摩擦系數(shù)為0.3、擠壓速度為2 mm/s，對零件擠壓成形完成后的情況進(jìn)行分析

Table 1. Simulated process parameters表1

工藝參數(shù)	數(shù)值范圍
坯料溫度(℃)	290 320 350 380
模具溫度(℃)	260 290 320350
坯料直徑(mm)	φ65φ70 φ85

. 模擬工藝參數(shù)



(a) 零件尺寸



(b) 幾何模型

Figure 1. Part drawing and back extrusion geometry model

圖1. 零件

圖和反擠壓幾何模型2.1. 不同坯料尺寸的模擬結(jié)果及分析

圖2為不同坯料尺寸下零件破壞能量的分布，可以反映出坯料易發(fā)生缺陷問題的位置

由

圖可得，破壞能量較高的位置為內(nèi)側(cè)圓筒壁頂端和凸模圓角的部分，即坯料容易產(chǎn)生缺陷問題

圖2(a)破壞能量在0.151~0.302；

圖2(b)破壞能量在0~0.207；

圖2(c)破壞能量在0~0.138，三種坯料尺寸的破壞能量差值較小，因此坯料尺寸對破壞能量的影響較小，且φ70的坯料破壞能量較小且分布更均勻



(a) φ65 × 40 mm



(b) φ70 × 35 mm



(c) φ85 × 25 mm

Figure 2. Failure energy distribution of parts under different blank sizes

圖2. 不同坯料尺寸下零件破壞能量分布

圖3為不同坯料尺寸下零件等效應(yīng)力的分布情況，由

圖可以看出，在擠壓過程中，最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在凸模圓角的位置，分別為：直徑為φ65坯料的最大應(yīng)力150 MPa左右、直徑為φ70坯料的最大應(yīng)力200 MPa左右、直徑為φ85坯料的最大應(yīng)力250 MPa左右

可以看出隨著坯料尺寸的高度降低和直徑增大，坯料的等效應(yīng)力也隨之增加，其中φ65的坯料應(yīng)力最小

根據(jù)

圖中顏色深度可以看出坯料應(yīng)力分布均勻程度，通過觀察三種情況下內(nèi)側(cè)圓筒頂端均出現(xiàn)應(yīng)力集中，而

圖3(b)中，零件整體的應(yīng)力分布較為均勻，φ65的坯料在凸模圓角部分應(yīng)力值最小但有多處應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力分布規(guī)律不如φ70的坯料均勻，所以坯料直徑為φ65時成形的零件內(nèi)部組織形態(tài)和表面質(zhì)量不如φ70 × 35 mm坯料穩(wěn)定

以上的分析和結(jié)果表明，隨著坯料尺寸的改變，擠壓成形后的零件的成形情況、等效應(yīng)變分布、等效應(yīng)力分布各不一致

當(dāng)坯料直徑增大且高度減少時，應(yīng)力和應(yīng)變都或多或少的增加，成形質(zhì)量也會受到影響，所以φ65 × 40 mm和φ70 × 35 mm尺寸的坯料更適合進(jìn)行生產(chǎn)加工

由于φ65 × 40 mm坯料的應(yīng)力、應(yīng)變分布相較φ70 × 35 mm坯料而言不夠均勻，且兩者應(yīng)力應(yīng)變的差值較小，若使用φ65 × 40 mm坯料易造成應(yīng)力集中影響材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

并且φ85 × 25 mm坯料的直徑較大，在凸模下壓過程中坯料與凹模側(cè)壁接觸較多導(dǎo)致摩擦較大，會使坯料變形抗力增加會對模具壽命造成影響導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降

綜合以上分析，選擇尺寸大小為φ70 × 35 mm的坯料擠壓成形所得零件各項性能最佳，應(yīng)選擇φ70 × 35 mm坯料進(jìn)行生產(chǎn)加工



(a) φ65 × 40 mm



(b) φ70 × 35 mm



(c) φ85 × 25 mm

Figure 3. Equivalent stress distribution of parts under different blank sizes

圖3. 不同坯料尺寸下零件等效應(yīng)力分布2.2. 不同坯料溫度的模擬結(jié)果及分析

圖4表示了在不同坯料溫度下，φ70 × 35 mm坯料擠壓成形后等效應(yīng)力的分布情況



(a) 290℃



(b) 320℃



(c) 350℃



(d) 380℃

Figure 4. Equivalent stress distribution of parts with different billet temperature

圖4. 不同坯料溫度零件等效應(yīng)力分布坯料溫度在290℃時最高應(yīng)力可達(dá)400 MPa左右，零件整體應(yīng)力大約在180 MPa；320℃時最高應(yīng)力為200 MPa左右，零件整體應(yīng)力約為84.5 MPa；350℃時最高應(yīng)力可達(dá)180 MPa左右，零件整體應(yīng)力大約在150 MPa；380℃時最高應(yīng)力為174 MPa，零件整體應(yīng)力約為80 MPa

因此可以得出，隨著溫度的升高零件的等效應(yīng)力逐漸降低，這是因為溫度升高使得鎂合金塑性變形能力增強(qiáng)并且降低了變形時的變形抗力

雖然380℃時零件應(yīng)力最低，但是在零件底面應(yīng)力分布不太均勻，出現(xiàn)的多處應(yīng)力集中會影響零件質(zhì)量

3. 組織模擬及參數(shù)分析元胞自動機(jī)(cellular automata, CA)的構(gòu)成比較繁瑣，變形種類繁多，它利用一系列的數(shù)學(xué)和物理模形而構(gòu)成 [13]，是一個方便、可靠、高效的模擬神器 [14]，主要在于模擬材料的組織演變過程，并為生產(chǎn)提供導(dǎo)向 [15]

3.1. 再結(jié)晶過程ZK60鎂合金在擠壓變形過程中，內(nèi)部組織的變化過程如

圖5所示



(a) 晶粒初始形態(tài)

(b) 新晶粒析出

(c) 新晶粒長大

(d) 晶粒最終狀態(tài)

Figure 5. Recrystallization process

圖5. 再結(jié)晶發(fā)生過程從變化過程可以看出，當(dāng)鎂合金坯料受到擠壓開始發(fā)生塑性變形時，內(nèi)部的組織也開始發(fā)生變化

圖5(a)為鎂合金初始的晶粒形態(tài)，全部為較大的晶粒，當(dāng)開始發(fā)生塑性變形時，在晶界處開始有少量的新晶粒被析出，隨著變形程度的增大，新晶粒析出的也越來越多，并且新晶粒逐漸長大，如

圖5(c)所示

變形結(jié)束晶粒的長大也隨之停止，

圖5(d)為晶粒為最終狀態(tài)

3.2. 溫度對晶粒尺寸的影響尺寸為φ70 × 35 mm在不同形變溫度下的晶粒狀態(tài)如

圖6所示，

圖7為對應(yīng)的晶粒尺寸

從

圖6和

圖7可以看出，坯料中的原始粗大柱狀晶已基本消失，并且在原始晶界和晶粒內(nèi)都有細(xì)小的新晶粒形成，這表明材料在反擠壓過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，且在每個溫度下的晶粒長大狀態(tài)不一，變形溫度為350℃和380℃時晶粒的平均尺寸較小

(a) T = 290℃

(b) T = 320℃

(c) T = 350℃

(d) T = 380℃

Figure 6. Microstructure of φ70 × 35 mm billet at different temperatures

圖6. φ70 × 35 mm坯料不同溫度的微觀組織

(a) T = 290℃

(b) T = 320℃

(c) T = 350℃

(d) T = 380℃

Figure 7. Grain size of φ70 × 35mm billet at different temperatures

圖7. φ70 × 35 mm坯料不同溫度的晶粒尺寸根據(jù)以

圖7分析得出，當(dāng)坯料溫度為290℃、320℃時，鎂合金原始組織中的粗大晶粒在擠壓力作用下發(fā)生塑性變形，在外力的作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶粒，隨著變形溫度的逐漸升高，變形的程度愈加劇烈，位錯密度明顯加大，如

圖7(c)、

圖7(d)，材料內(nèi)部動態(tài)再結(jié)晶加劇，在晶界處生成大量細(xì)小的新晶粒，原始晶粒尺寸開始減少，材料內(nèi)部的平均晶粒尺寸減小

再結(jié)合工藝模擬分析，由于鎂合金在350℃和380℃下成形后的組織平均晶粒尺寸大小相差不大，且380℃時零件底面應(yīng)力分布不太均勻

所以，在350℃時擠壓成形出的零件綜合性能最佳，故溫度應(yīng)選擇350℃

4. 筒形件反擠壓成形實驗4.1. 實驗材料及設(shè)備本課題中ZK60鎂合金體零為圓周對稱筒狀，因此坯料使用圓柱體形狀，圓柱體的形狀在擠壓過程中受力更加均勻，便于加工

具體尺寸選擇φ65 × 40 mm、φ70 × 35 mm、φ85 × 25 mm三種

實驗還需要采用SRJX-8-13高溫箱式電阻爐，武漢電爐有限公司、Y32-315型號3150KN液壓機(jī)，河北弘凱重型機(jī)床有限公司；陶瓷加熱套，沈陽市五金機(jī)電城

圖8為反擠壓模具



Figure 8. Back extrusion die

圖8. 反擠壓模具本次實驗中的重要參數(shù)包括坯料尺寸、坯料及模具溫度

坯料尺寸分別是φ65 × 40 mm、φ70 × 35 mm、φ85 × 25 mm，設(shè)定坯料溫度為290℃、320℃、350℃、380℃

模具溫度為260℃、290℃、320℃、350℃

4.2. 實驗結(jié)果及分析擠壓成形的零件質(zhì)量良好，大部分沒有擠壓缺陷，尺寸精度和形狀精度已到達(dá)

圖紙的要求

模擬中已經(jīng)優(yōu)化出一套工藝參數(shù)，在350℃坯料尺寸為φ70 × 35 mm的實驗結(jié)果如

圖9(a)所示

從

圖中可以看到，整個零件內(nèi)部成形較好，內(nèi)層圓筒也順利擠出，整個內(nèi)部表面光潔度較好，沒有裂紋

但零件不對稱，側(cè)壁接近邊緣頂部出現(xiàn)橫向撕裂現(xiàn)象

這是因為在擠壓成形后期，隨著側(cè)壁的升高，側(cè)壁與凹模的摩擦力增大，側(cè)壁出現(xiàn)折疊造成的

而在350℃坯料尺寸為φ85 × 25 mm的實驗結(jié)果中，成形出來的零件圓周對稱，且無裂紋等缺陷，如

圖9(b)所示

零件不對稱是因為在實驗中存在坯料定位的問題，若坯料中心不在模具中心，偏差較大時，成形零件外側(cè)壁容易造成擠壓高度不對稱現(xiàn)象

所以，當(dāng)坯料直徑與凹模內(nèi)徑相差較大時，應(yīng)采用定位裝置，避免造成擠壓偏心

圖9(b)中坯料尺寸與凹模內(nèi)徑較為接近，放入模具后，自動鎖定在了凹模中心位置，受力更均勻，因此對稱無缺陷

綜上所述，結(jié)合模擬結(jié)果與反擠壓實驗，在350℃下，通過定位裝置將坯料尺寸為φ70 × 35 mm的坯料定位在凹模中心，成形效果最佳

(a) φ70 × 35 mm

(b) φ85 × 25 mm

Figure 9. Forming results of different billet sizes at 350?C

圖9. 溫度為350℃時不同坯料尺寸成形結(jié)果5. 結(jié)論

經(jīng)過對ZK60鎂合金筒形零件反擠壓過程進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合實驗研究，得出結(jié)論

如下：1) 隨著溫度的升高零件的等效應(yīng)力逐漸降低，在350℃時零件平均應(yīng)力值與380℃的相差不大，并且所受應(yīng)力更為均勻，在350℃時擠壓成形出的零件損傷值更??；2) 坯料尺寸一定時，隨著變形溫度的升高，動態(tài)再結(jié)晶程度也會加劇，晶粒細(xì)化更加明顯，但350℃與380℃時的平均晶粒尺寸相差不大；3) 在實際生產(chǎn)中設(shè)計好定位裝置，能避免出現(xiàn)擠壓偏心的情況，即選擇φ70 × 35 mm，在350℃時擠壓件受力更均勻，不易產(chǎn)生缺陷

基金項目遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項目(LG202010)

NOTES*通訊作者

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摘要: 采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方式，對ZK60鎂合金筒形件反擠壓成形進(jìn)行研究，優(yōu)化工藝參數(shù)。結(jié)果表明：隨著擠壓溫度的升高，鎂合金內(nèi)部晶粒細(xì)化程度越大，但溫度越高動態(tài)再結(jié)晶程度愈不明顯；坯料溫度在290℃時最高應(yīng)力可達(dá)400 MPa，零件整體應(yīng)力大約在180 Mpa，380℃時最高應(yīng)力為130 MPa，零件整體應(yīng)力約為80 MPa；其次，隨著坯料高度的減小和直徑增大，成形中坯料的等效應(yīng)力也隨之增加，但尺寸過大或過小均會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易產(chǎn)生缺陷。經(jīng)過模擬分析和實驗驗證，坯料直徑為φ70，坯料溫度為350℃時，筒形件成形質(zhì)量更佳。

標(biāo)簽：鎂合金,筒形件,反擠壓,數(shù)值模擬,Magnesium

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