基于Marc的中碳钢等径弯角挤压仿真研究.pdf

IM工艺仿真230 2023年增刊基于 Marc 的中碳钢等径弯角挤压仿真 研究宋杰，陈永彪，王可心（青岛工学院机电工程学院，山东 青岛 266300）摘要：采用 Marc 软件对中碳钢等径弯角挤压进行有限元建模与仿真分析。结果表明，工件头部和尾部的金属在变形区主要发生刚性位移，应变值较小。每进行 1 次等径弯角挤压，工件的头、尾两个端面将分别转变为工件的外侧面和内侧面，而工件内、外侧面的头、尾附近表面则转变成工件头、尾的两个端面。挤压道次对工件各部分应变分布有重要影响，进行 1 道次挤压，工件的应变沿高度方向呈现层状分布，外侧面及其周围的金属应变最小，经 4 个道次挤压后，横截面上中心区域应变最大，可达到 4.366，而横截面上 4 个角部位置的应变较小，横截面上应变云图呈现环带状分布。4 道次后工件4 个侧面中间部位的金属累积应变基本相同，为 3.36。本研究结果对金属等弯角挤压应变场的研究有一定的理论意义，对ECAP 工艺的制定，工件取样测量部位的选取有实践指导意义。关键词：等径弯角挤压；应变；有限元分析1引言等 径 弯 角 挤 压（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）1-4又 称 为 等 通 道 弯 角 挤 压，是 V.M.Segal 在1981 年发明的一种剧烈塑性变形加工方法，该方法通过两个轴线相交且截面尺寸相同的通道，将被加工材料挤出，材料变形过程中主要以纯剪切变形方式进行。因为挤压前后材料的截面尺寸保持不变，可以在块体材料截面尺寸不改变的条件下产生极大的加工应变，该方法是制备块体金属超细晶、纳米晶材料的重要方法5-7。ECAP的工艺过程如图 1 所示。图 1等径弯角挤压工艺过程示意图其中，为模具的通道转角，90，为外圆角，基金项目：青岛工学院科研项目（2022JG014）工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 2310 180，ECAP 过程中，进行 N 次挤压的等效应变量 （1）材料的剪切变形效果同变形途径有密切关系，根据试样每次旋转方向和角度的不同，可以把 ECAP 过程分为四种变形路径8，如图 2 所示。路径 A：每次挤压后，试样不旋转，直接进行下一道次挤压；路径 BA：每次挤压后，试样按 90交替旋转挤压；路径 BC：每次挤压后，按照同一方向旋转 90后进入下一道次挤压；路径C：每次挤压后，试样旋转 180后进行下一次挤压。路径 A 由于在同一方向上剪切变形逐渐增大，可以获得片状晶粒。路径 C 由于剪切面一定，但剪切方向在更迭，可以获得拉长的晶粒9；路径 BA 剪切面两个方向交替变换，可以形成等轴晶组织；而 BC 路径由于剪切面在四个方向交替变化，试样旋转一周（4 道次），使得材料在四个剪切面上都经历一次纯剪切，所以得到的等轴晶的效果明显。ECAP 挤压过程中，由于工件发生剧烈塑性变形，变形抗力大，对模具的设计，挤压工艺的制定、挤压设备的选用等都提出了非常严格的要求。挤压过程在中的工件变形均匀性，应力、应变分布情况较难进行准确测定这些也限制了 ECAP 工艺在各种金属材料中的应用。本文采用 Marc 软件对中碳钢中温等径弯角挤压过程进行仿真分析，研究工件的金属流动好和应变场的分布规律，对 ECAP 的理论研究和工程应用有一定的指导价值。图 2ECAP 过程的四种变形路径2有限元模型本课题对中碳钢采用 4 道次等径弯角挤压处理，为建模及分析方便，创建的 4 道次挤压模型如图 3 所示，分别由 4 个平面压头依次沿 Z 轴-X 轴-Y 轴-Z 轴方向运动挤压，采用 BC 挤压路径完成坯料在通道中的 4 道次等径挤压。坯料材料采用 Marc 材料库中的 C35 材料，对应中国牌号中碳钢 35。挤压温度为中温 600，考虑到挤压时间比较短，在工程中挤压可以实习模具在保温炉中等温挤压，因此本次仿真采用 600 恒温条件下挤压，不必考虑热力耦合，这样计算效率高，且与工程实践基本相符。工件横截面为 10 mm10 mm，长度为 50mm，采用六面体单元进行网格划分，单元长度尺寸为 1mm，总单元数量为 5 000 个，这样单元划分既考虑了计算精度，又保证了计算效率。图 3等径弯角挤压有限元几何模型IM工艺仿真232 2023年增刊为挤压过程中分析方便，对第 1 道次挤压前工件的 6个表面进行编号，分别为 1#6#面，具体位置如图 4 所示。图 4工件表面编号3仿真结果与分析3.1工件表面相对位置的变化图 5a 给出了 ECAP 第 1 道次挤压在变形区的塑性应变场云图，可以看出，未挤压前工件的前端面（图 4 中6#面）挤压后转变成与背侧面共面（图 4 中 4#面），如图5a中A箭头所指位置。而原工件的内侧面（图4中2#面）的前部在变形区挤压过程中直接被推动位移转变为前端面，如图5a中箭头B所示。由于工件头部主发生刚性位移，因此发生的塑性应变很小。工件随后部分通过变形区时，将产生很大的塑性变形。图 5b 给出了工件尾部在变形前后表面位置变化的情况，由图中可以看出，工件的上端面（图 4 中的 5#面）在挤压区转变成与工件的内侧面共面，如图 5b 中箭头 B所示。而原先工件的背侧面的后部在挤压变形区直接转变成挤压后工件的端面，如图中箭头 A 所示。由图 5 可以看出，经过 1 道次 ECAP 挤压，沿工件长度方向除两端表面位置发生相互转化发生刚性位移，应变很小。可以想象，随着挤压道次的增加，工件端部表面与工件内、外侧面的相互位置转化持续进行，由于ECAP 工艺采用 BC 路径，即挤压 1 次后工件就沿轴向转动 90，4 个道次后工件又转变成原先的位置。a）工件头部表面位置变化 b）工件尾部表面位置变化图 5变形区域工件表面位置变化3.2工件应变分析工件经 1 道次 ECAP 处理后的表面应变场分布情况如图 6 所示，可以看出，工件挤压后，沿高度方向应变分布呈层状不均匀分布，工件上部靠近内侧面区域应变较大，外侧面及其附近区域的应变较小。工件内侧面周围的金属相对于外侧面周围的金属沿出口方向的位移是不一样的。由于内侧面周围金属曲率半径相对较小一些，因此其沿出口方向的位移更大一些，由图 6b 可以看出，沿出口方向位移成型梯状分布。图 6c 给出了 1 道次后工件横截面上的应变场云图，可以看出经过挤压 1 道次，工件高度方向分布不均匀，由于忽略了摩擦，工件的内侧面金属尽管发生最大的位移，但是由于没有摩擦力的限制，其应变值并不是最大，内侧面表层以下的部分，由于金属的流动受到周围金属的限制，将产生很大的塑性应变。而沿工件的宽度方向，单道次挤压应变分布基本均匀，所以单道次已经可以看出是平面应变变形过程。根据 BC 挤压工艺路线，图 2 中的 1#面为第 2 道次挤压的内侧面，第 1 道次挤压后后的内、外侧面为第 2道次挤压的左、右侧面。2 道次挤压后工件的应变场分布工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 233如图 7 所示。图 7 中的 a、b 分别给出了 2 道次挤压后左右两个侧面及内侧面上的应变分布。由于积累了 2 个道次的塑性应变，工件宽度方向的应变已经不再呈现均匀分布，横截面上的应变分布如图 7c 所示，可以看出，此时横截面右上部分应变较大，而左侧面和下部区域应变值较小。a）第 1 道次挤压后应变云图b）第 1 道次挤压后网格和位移云图c）第 1 道次挤压后工件横截面应变场图 6第 1 道次后工件变形根据 ECAP 挤压工艺路径，工件未挤压前的外侧面（图 4 中 4#面）在第 3 道次挤压时转变为内测面，原内侧面在第 3 道次挤压时转变为外侧面。工件经 3 道次挤压后的应变场分布如图 8 所示，图 8a、b、c 分别给出了挤压后工件左、右侧面和横截面上的应变场分布云图。可以看出，沿工件高度和宽度方向上应变分布呈现与前 2道次不一样的形貌，工件横截面中部偏右侧部分应变整体较大，以此为中心，向四周方向的应变逐步减小。a）左侧面第 2 道次挤压后应变云图b）右侧面第 2 道次挤压后应变云图c）第 2 道次横截面应变图 7第 2 道次工件变形a）左侧面第 3 道次挤压后应变云图b）右侧面第 3 道次挤压后应变云图图 8第 3 道次工件变形IM工艺仿真234 2023年增刊c）第 3 道次横截面应变云图图 8第 3 道次工件变形（续）4 道次挤压后工件侧面及横截面上的应变分布情况如图 9 所示，此时工件的 1#面转变为内侧面，工件刚好转动了 270，即工件原先的 1#4#这 4 个侧面依次做为内侧面完成了一次挤压。由横截面上的应变场分布可以看出，此时最大的应变位置发生在横截面的中心区域，四个角部的应变整体较小，呈现出环带状分布。可以推测，进行等径弯角挤压 2 个周期 8 道次挤压，或者更多道次挤压，随着工件左右侧面与内外侧边的依次转化以及工件端部表面与侧面的不断转化，工件变形的不均匀性会逐步下降。为比较四个侧面的应变情况，分别取工件长度中间区域，在高度、宽度中点位置的 4 个节点的应变随挤压过程的变化情况，如图 10 所示。可以看出，侧面上 4 个节点的应变在每一个道次挤压过程中是不同的，每一道次挤压过程中，外侧面上的节点应变总是最小，其他 3个侧面上的应变差别不大，经 4 个道次挤压后，4 个表面上的节点的累积应变基本相同了。4 道次后的累积等效应变为 3.8，相关文献已经表明，单道次等径弯角挤压的平均应变大约为 1。本研究进行的有限元分析表明，4 个道次挤压后工件长度、宽度中间位置节点应变约为 0.95，接近于 1。a）左侧面第 4 道次挤压后应变云图图 9第 4 道次工件变形b）右侧面第 4 道次挤压后应变云图c）第 4 道次横截面应变云图图 9第 4 道次工件变形（续）图 10工件 4 个侧面中间部位节点应变4 道次挤压后沿横截面 1 周应变变化曲线如图 11 所示，依次取左侧面-内侧面-右侧面-外侧面上 20 个节点路径曲线。图中也清晰的表明工件 4 个侧面上的应变分布也是不均匀的。工艺仿真IM投稿网站： 2023年增刊 235图 114 道次后工件横截面周线上节点应变横截面中心区域的金属由于受到周围金属的限制，在每一道次的变形过程都会累积较大的剪切变形，4 道次后总的塑性变形也是最大。图 12 给出了横截面中心区域节点的累积等效应变变化曲线，可以看出，相对于表面节点，中心区域节点的单道次应变基本不变，接近 1.1，4 道次累积等效应变为 4.366。图 12工件 4 道次后横截面中心节点应变4结论本文采用有限元分析软件 Marc 分析了中碳钢在等径弯角挤压过程中的应变情况，得到的结论如下：1）工件 ECAP 挤压，头部和尾部的金属流动主要是刚性位移，应变较小。2）工件进行一次挤压，工件的内侧面靠近头部的部分将转变为端面，而工件原先的端面将转变为外侧面，工件尾部的端面挤压后将转变为内侧面，而工件外侧面的尾部部分将转变为后端面。3）工件经 ECAP 挤压，横截面上的应变分布是不均匀的，其应变相貌与挤压道次有关，第 1 道次后得到上下层状分布的形貌，第 2 道次挤压后横截面右上角部分应变最大，4 道次挤压后，横截面中心区域应变最大，四个角部应变较小，成环带状分布，中心最大应变为 4.366。参考文献1 SEGAL V MDeformation mode and plastic flow in ultra fine grained metalsJMaterials Science and Engineering：A，2005，406（1/2）：205-2162 SHAN A，MOON I G，PARK J WEstimation of friction during equal channel angular（ECA）pressing of aluminum alloysJJournal of 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